真空噴射器替代K02101壓縮機油霧風機技改簡介

(中海石油天野化工股份有限公司，內蒙古 呼和浩特 010070)

2005年，天野公司完成了油改氣聯產甲醇裝置的建設，為化肥裝置輸送天然氣的透平壓縮機K02101由德國阿特拉斯制造，流量 33 715 m3/h，轉速11 660 r/min(透平)。該壓縮機屬多軸系齒輪箱結構形式，高速齒輪軸為懸臂轉子，經4級葉輪壓縮，出口壓力7.9 MPa。其油箱上部裝有1臺油霧風機，維持油箱負壓，確保輸油管線回油暢通，油系統構成如圖1。

圖1 油系統構成示意

1 油霧風機運行狀況及出現的問題

1.1 運行狀況

油霧風機的主要作用是確保輸油管線回油暢通，一旦出現故障，將發生如下情況。

(1)由于齒輪箱和油箱是相連通的，高速旋轉的齒輪產生的油煙及熱量，使油箱內形成正壓，造成軸承回油管潤滑油回到油箱的流速減小，增加了軸承油位，導致軸承油封漏油。

(2)軸承回油管線略高于油箱，造成回油慢，軸承油位升高。主電機軸承產生的熱量沒有迅速被帶走，導致軸承溫度高。

(3)梳齒狀油封在油位升高時，也會漏油。

一旦發生潤滑油大量泄漏，可能出現著火或者損壞軸承等事故。所以在油霧風機停止運行后，K02101壓縮機也將被迫停止運行。

1.2 歷年出現過的問題

2007年5月14日，電機抱軸，油霧風機停止工作，K02101壓縮機緊急打閘停車。

2007年8月21日，操作人員誤操作，按下停止按鈕，發現后及時啟動，潤滑油少量泄漏，未影響K02101壓縮機的正常運行。

2008年4月23日，油霧風機斷電，潤滑油大量泄漏，引發著火事故，K02101壓縮機緊停。

所以，為了避免因油霧風機故障而造成K02101停止運行，必須對其實施技術改造。

2 改造方案

針對單臺油霧風機停止運轉后造成油封漏油的情況，對原設計進行改進。在K02101壓縮機正常運行的狀況下，增加1臺可以抽出油箱中油煙氣和氮氣，保證在原油霧風機停運后，仍能維持油箱負壓的設備。

經過論證后，提出兩套方案，方案一是增加1臺油霧風機；方案二是增加1臺真空(蒸汽)噴射器。對比后決定實施方案二。

蒸汽噴射器是完成能量轉換的一種裝置，由一定能量(壓力和流量)的工作流體，將熱能、壓力能轉換為動能，經過噴嘴射出形成高速射流；由于射流和空氣之間產生卷吸作用和紊動擴散作用，將吸入室的氣體帶走，使該處產生局部真空狀態。真空噴射器有如下特點: 無機械運動部件，工作不受潤滑、振動等條件限制；結構簡單，工作穩定可靠，使用壽命長，只要真空噴射器的結構、材質選擇適當，可以很好地抽出含有大量水蒸氣、粉塵，易燃、易爆及有腐蝕性的氣體；系統無油污染；工作壓力范圍較寬，可以根據需要產生不同的真空度。

真空噴射器動力由0.98 MPa蒸汽提供，安裝空氣閥，調節吸入口壓力，穩定油箱真空度在-0.6 kPa。

2.1 真空噴射器的設計條件

2.1.1工藝條件

動力蒸汽壓力p0=(0.98+0.1) MPa =11.0 atm(A)(1 atm=101.325 kPa；下同)

動力蒸汽溫度t0=180 ℃

吸入氣體壓力 320 mmHg(1 mmHg=0.133 3 kPa；下同)

排出氣體壓力p2=0.01 kgf/cm2=1.01 atm(1 kgf/cm2=9 806.65 kPa；下同)

油箱吸入的氣體總量Gm=20 kg/h，其中，氮氣量GA=14 kg/h、油氣量Gn=6 kg/h。

2.1.2環境條件

當地大氣壓力 760 mmHg

2.1.3油箱需具備的條件

真空度p1=-0.6 atm

2.2 蒸汽噴射器級數的選擇

據表1選取蒸汽噴射器的級數。吸入壓力為320 mmHg，選取一級蒸汽噴射器。其工作參數的選擇如下：

表1 各級噴射器可達到的真空度范圍

據K=1.68、E=18.3，由圖2查得噴射系數μ=1.25，則工作蒸汽消耗量

圖2 噴射系數確定圖

2.3 噴射器各部分尺寸計算

2.3.1噴嘴尺寸

入口處直徑d1=5d=5×2=10 mm

出口處直徑d2=C×d=1.92×2=3.8 mm

據膨脹比E=18.3，由表2查得C=1.92。

表2 噴嘴的計算系數(C)

收縮角α1=60°

擴張角α2=15°

喉部長度l=1.2d=1.2×2=2.4 mm

收縮段長度l1=(d1-d)/1.1548=(10-2)/1.1548=6.9 mm

擴張段長度l2=(d2-d)/0.2634=(3.8-2)/0.2634=6.8 mm

2.3.2擴散管各部分尺寸

入口處直徑D1=1.5D=18.2mm

出口處直徑D2=1.8D=21.8mm

收縮角φ1=5°44′

擴張角φ2=9°08′

喉部長度L=3D=36.3 mm

收縮段長度L1=5D=60.5 mm

擴張段長度L2=5D=60.5 mm

2.3.3噴嘴出口處到擴張管入口處距離A的計算

噴射系數μ=1.25>0.5，則蒸汽自由噴射射流長度lc的計算如下：

lc=[(0.37+μ)/4.4a]d2=15.5 mm(實驗常數a取0.09)

蒸汽自由噴射射流在距噴嘴出口截面處lc處直徑dc為：

dc=1.55d2(1+μ) =13.3 mm

在lc=15.5 mm處擴散管收縮部分直徑Dc為：

Dc=D+0.1[L1―(lc―A)]=16.6+0.1A

如果A=0 mm，則Dc=16.6 mm；而Dc=16.6>dc=13.3，則A=0 mm。即噴嘴出口和擴散管入口在同一斷面。

2.3.4混合室尺寸

D=12.1 mm，據表3采用φ89×4 mm的管子作為混合室。

表3 擴散管喉頸D和混合室直徑Do的關系

吸入口直徑De=4.6(Gm/p1)0.48=24.7 mm，則選用φ32×3.5 mm的管子作為吸入管。

高度H=De+10=32+10=42 mm

2.3.5蒸汽噴射器結構圖(圖3、圖4)

圖3 噴嘴尺寸圖

圖4 噴嘴、擴散管、混合室尺寸圖

3 施工措施

設計一套滿足油箱抽負壓的蒸汽噴射器，如圖5。在油霧風機空氣過濾器處安裝三通，一個接口繼續接閥門和空氣濾芯；另一個接口連接蒸汽噴射器。這種改進有如下好處。

三通為內螺紋連接，不需要停K02101壓縮機焊接管線，可以在線連接蒸汽噴射器。

對原來油霧風機的工作流程影響較小。關閉蒸汽噴射器抽氣入口閥門后，油箱氮氣、煙氣仍可通過油霧風機排放；并且，調整空氣進量，也是按照原油霧風機空氣濾芯處的閥門控制，并沒有改變原設計流程及操作方式。

圖5 增設蒸汽噴射器后系統簡圖

與原空氣濾芯連接處的三通采用螺紋連接的方式。減少焊渣、鐵銹等雜質進入原油霧風機葉輪及管線，保證潤滑油和油霧風機的使用安全。

充分利用原油霧風機入口濾芯，節省了制作油氣濾芯的費用。在油箱上部有一較大圓筒形設備，內部安裝16組油氣濾芯，起到分離油和氣體的作用。如果將蒸汽噴射器入口管線直接與油箱頂部相連，抽走煙氣和氮氣的同時，還會帶走大量的油滴，造成環境污染和潤滑油的浪費。而將蒸汽噴射器入口管線接到油氣分離器之后，則能夠保證潤滑油與氣體的分離。

串接蒸汽噴射器后，對新安裝的管線進行蒸汽吹掃，清理拉瓦爾噴嘴三次，除去焊渣、鐵屑等雜物。第四次投用后，關閉蒸汽噴射器抽氣入口閥門，負壓表長時間穩定指示在-0.6 kPa。與K02101壓縮機正常運行時要求的負壓值一致，蒸汽噴射器可以投入使用。

4 效果評價

4.1 運行情況

停止油霧風機，投用蒸汽噴射器后，油箱負壓表仍顯示-0.6 kPa，表明蒸汽噴射器完全可以代替油霧風機，起到維持潤滑油管回油順暢的作用。

增設蒸汽噴射器后，可以實現油霧風機和噴射器的在線切換；在一臺抽負壓設備出現故障后，另一臺可以正常運行，確保K02101壓縮機的正常運行。

蒸汽噴射器運行穩定，不受電源和人員操作的影響，而且0.98 MPa動力蒸汽管網較為穩定，所以油箱負壓也比較平穩，避免了中控人員的誤操作和斷電隱患。

4.2 經濟效益

(1)直接節省費用。增加一臺油霧風機需11.5萬元，而采用蒸汽噴射器支出2萬元，節省11.5-2=9.5萬元。運行費用方面，油霧風機為2.2 kW·h/h×0.51元/kW·h=1.122元/h；蒸汽噴射器為0.016 t/h×58元/t=0.928元/h。

(2)間接節省費用。以2008年4月23日K02101油霧風機斷電后，因潤滑油大量泄漏引發著火的停車事故為例，尿素裝置停車12 h，以每小時產尿素73 t，噸尿2 400元計，共損失為12 h×73 t/h×2 400元/t=288萬元。如因著火造成事故擴大和派生事故發生，損失將更大。

5 結束語

在油箱上增設蒸汽噴射器來維持油箱負壓的技術改造的實踐表明，蒸汽噴射器可以廣泛應用于需要在負壓情況下運行的設備中。而提高流體壓力不直接消耗機械能是噴射器的基本特點，更簡單可靠。此外，蒸汽噴射器系統比較簡單，制造也不復雜，可以應用到其他類似的設備上。

實現裝置長周期穩定運行是生產企業追求的目標，隨著對壓縮機運行狀況的不斷研究和摸索，必然會將各種隱患和問題一一予以處理，進而實現K02101壓縮機的安全、穩定、長周期運行。

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