國產大型離心式2H-2/10600型氯氣壓縮機在離子膜法燒堿裝置中的應用

郭彬，劉光杰，崔增平，王建華，張明，王學權，郝天亮，李俊平，張劉平，李寧，尹彥榮

(內蒙古鄂爾多斯市君正能源化工有限公司，內蒙古 烏海 016000)

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【氯氫處理】

國產大型離心式2H-2/10600型氯氣壓縮機在離子膜法燒堿裝置中的應用

郭彬*，劉光杰，崔增平，王建華，張明，王學權，郝天亮，李俊平，張劉平，李寧，尹彥榮

(內蒙古鄂爾多斯市君正能源化工有限公司，內蒙古 烏海 016000)

氯氣壓縮機；工藝設計；性能對比

介紹了內蒙古鄂爾多斯市君正能源化工有限公司新增國產大型離心式2H-2/10600型氯氣壓縮機組的設計、應用。與正在使用的進口某品牌氯氣壓縮機的工藝設計、性能、運行費用進行對比，說明國產氯壓機具有投資費用低、備件價格低、維護周期短、便捷等優勢。

內蒙古鄂爾多斯市君正能源化工有限公司(以下簡稱“鄂爾多斯君正”)現有離子膜法燒堿項目生產規模分別為32萬t/a和24萬t/a。燒堿裝置使用的氯氣壓縮機為某進口品牌離心式三級壓縮機。由于氯氣壓縮機單臺無備機，且進口機組的備件及維護保養費用昂貴、供貨周期長、氯氣中間冷卻器易泄漏等問題影響燒堿裝置的穩定、連續生產[1]。鄂爾多斯君正于2016年技改中新增1臺國產大型離心式2H-2/10600型氯氣壓縮機，與進口機組進行互為備用，并于10月檢修開車時完成機組的投用，各項運行性能指標良好。

國產氯氣壓縮機組投用后，有效地避免了氯氣壓縮機在生產異常情況及檢維修時，對系統造成的不利影響，保證了系統連續穩定運行。2H-2/10600型機組是目前行業內最大的國產離心式氯氣壓縮機組，機組的順利開車也為國產大型氯氣壓縮機的制造和應用提供了數據積累。

1 新增國產大型離心式2H-2/10600型氯氣壓縮機的工藝設計

1.1 氯氣壓縮機的選型

鄂爾多斯君正新增國產氯壓機為國產2H-2/10600型氯氣壓縮機組，設計流量為10 600 m3/h，出口壓力0.28 MPa，冷卻后出口溫度低于45 ℃。機組最小流量喘振值7 420 m3/h，臨界轉速3.2 kr/min、21 kr/min。

機組采用單缸二段結構,增速器采用平行軸增速器驅動。使用膜片式聯軸節與主機聯接，額定轉速為10.109 kr/min，額定軸功率為680 kW，電動機功率為900 kW。

軸承的設計上，徑向軸承為5塊可傾瓦式軸承,推力軸承為兩面各8塊瓦的米式止推軸承, 帶有自動調心功能。采用噴油直接潤滑方式[2]。

密封的設計上，葉輪的口環和級間密封為迷宮密封。軸端密封為帶充抽氣式的三腔迷宮式梳齒密封。第1腔平衡缸體兩端氣體壓力，平衡后回缸體內部；第2腔為抽氣，抽出的混合氣體去事故氯的處理；第3腔為注氣，注入密封用氮氣，注氣壓力用差壓變送器控制在比平衡腔壓力高12～15 kPa。該密封能控制無氯氣外泄，且機組投用后密封效果良好，事故氯消耗的質量分數32%的燒堿為46～48 t[3]。

1.2 壓縮工藝和氯氣冷卻系統

鄂爾多斯君正原有進口某品牌氯氣壓縮機壓縮工藝采用三級壓縮三級冷卻的形式，出口設計壓力為0.35 MPa，但滿負荷運行時三級出口氯氣壓力為：

一級出口壓力37～38 kPa；

二級出口壓力98～100 kPa；

三級出口壓力165 kPa。

三級壓縮的工藝設計存在一級出口氯氣壓力較低的缺陷，從而導致一級冷卻水進水壓力小于氯氣壓力，以防止冷卻水進入機組。壓縮機二級出口氯氣過高是制約夏季高溫季節機組穩定生產的難題；同時因為進水壓力過低，一級冷卻器易堵塞，導致惡性循環引起的冷卻器泄漏事故。

鄂爾多斯君正的氯氣液化工藝為低溫低壓法，壓縮機出口壓力保證在160 kPa左右即可滿足生產；所以在新增國產氯氣壓縮機技改項目立項時對氯氣壓縮工藝進行了優化，將新增國產機組的設計出口壓力降低至0.25 MPa，采用二級壓縮、二級冷卻的壓縮工藝，一級氯氣冷卻器的冷卻水進水壓力可提高到60 kPa左右，有效克服了一級出口氯氣壓力低導致一級冷卻器進水壓力小的瓶頸問題，減少冷卻器泄漏事故[4]。

機組投用后二級出口氯氣壓力為：

一級出口氯氣壓力58 kPa；

二級出口氯氣壓力160 kPa。

為防止冷卻器泄漏導致冷卻水進入機組，冷卻系統設計上采用無壓回水，且在冷卻器水側(管程)采用碳鋼水冷器專用防腐涂料進行防腐處理，延長冷卻器使用壽命[5]。同時，國產和進口品牌氯壓機機組的原設計氯氣冷卻介質均為公用循環水，因循環水含泥量高、水質差，易導致冷卻器堵塞。通過技術改造將循環水冷卻形式改成閉式純水循環冷卻方式，并加入緩釋藥劑調節循環純水pH值，有效解決了行業內普遍存在的氯壓機壓縮后氯氣溫度高的瓶頸難題。

1.3 油潤滑系統

機組設計的潤滑油為46#渦輪機循環油。潤滑油循環系統由集裝式油站、高位油槽及潤滑油管道組成。油站由油箱、2臺離心式油泵、油冷器、雙筒油過濾器及油溫、油壓監控儀表組裝而成。油箱帶有自動電加熱裝置，并設有充氮氣保護，氮氣耗量小于5 m3/d。

為保證油潤滑系統的安全運行，工藝設計時2臺油泵互為主、輔油泵，輔油泵在油壓小于設定值或主油泵故障時啟動，確保潤滑油的供給，油壓低壓設定值連鎖停主機。油過濾器的過濾精度為10 μm，設有連續切換閥，在線切換時壓力波動小。潤滑油系統設有高位油箱，在全廠失電等事故跳車后可提供油的時間不少于5 min，確保機組停止轉動前的潤滑。

1.4 防喘振控制系統

防喘振控制系統采用了回流閥和防喘振閥雙旁路回流調節的方式，通過回流閥調節壓縮機出口流量防機組喘振[6]。當出口總管流量低于設定值的80%時，防喘振閥開始逐漸打開進行調節，低于設定值的70%時防喘振閥全開并報警。流量的調節范圍為總流量的60%～110%。回流閥和防喘振閥雙旁路回流調節的方式，有利于燒堿系統開車的氯氣、氫氣總管壓力的調節，減少開車的事故氯系統負荷和耗堿，降低了系統開車低負荷時工藝調整難度。

原進口品牌的壓縮機機組喘振流量設定值為5 900 m3/h，出口氯氣流量值小于設定值時，壓縮機的PLC系統強制打開回流閥進行流量調節。系統開車低負荷時，氯氣流量低于喘振流量設定值時回流閥自動打開，導致開車期間氯氣總管的壓力波動大，工藝調整難度上升[7]。

1.5 干氯氣含水的監控

氯氣冷卻器泄漏是氯氣壓縮機常見故障，氯氣含水超標對壓縮機組的轉子和密封的損壞極為嚴重、不可逆，所以對干氯氣含水指標的監控尤為重要。為實時監控干氯氣含水，及時發現異常，第一時間停機檢查，技改項目時新增1臺氯氣含水在線分析儀與原進口壓縮機機組在線分析儀現場對比、參照。監控干氯氣含水質量分數小于0.005%，當氯氣含水大于設定值0.015%時連鎖停機。

1.6 氯氣壓縮機組的調節和連鎖設計

為保證機組安全、穩定運行，在潤滑油系統、密封氣壓力調節和機組機械性能監控均設計有自控程序和連鎖。例如油箱液位控制為油箱高度的2/3～3/4，當液位小于1/2時，主機不能啟動，運行中當液位小于1/2時，儀表報警；油高位槽液位開關低報時，不允許啟動主機；壓縮機組的正常供油壓力為0.33 MPa(機組進油壓力為0.15～0.18 MPa即可)，由油壓調節閥自控調節。當油壓降至0.17 MPa時報警，并啟動備用油泵補壓，降至0.14 MPa時主機連鎖停機；油溫控制上，當供油溫度低于25 ℃時，主機不能啟動。

氮氣密封氣壓力通過一次氮氣壓力調節閥穩定至100 kPa，再通過二次氮氣壓力調節閥調節進機組的氮氣與泄漏氯氣的壓差在12～15 kPa，既防止氯氣外泄又防止梳齒受壓損壞，且保證合理的氮氣用量。當密封氣壓力小于2 kPa時，儀表報警。

在壓縮機組的機械性能監控方面，機組設計有測溫、測振及測位移的探頭，對電動機的繞組溫度和軸承溫度、增速器的軸承瓦塊溫度及主機的軸承瓦塊溫度、振動值和軸位移進行在線實時監控。在出現各軸承瓦塊溫度超過115 ℃、主機軸位移大于0.5 mm、主機軸瓦軸承振動大于50 μm或電動機繞組溫度超過135 ℃等任何一種故障影響機組安全運行的情況時，連鎖停機。連鎖設計明細如表1所示。

表1 連鎖設計明細Table 1 Interlock design details

2 國產氯壓機與進口氯壓機運行性能及經濟性比較

2.1 運行性能對比

國產氯壓機已投用滿負荷生產運行3個月，各項工藝控制參數平穩。系統滿負荷生產時，出口氯氣流量在9 270 m3/h以上，吸氣壓力穩定在6～6.5 kPa，排氣壓力控制平穩150 kPa以上，達到項目設計值。氯壓機的一級壓縮出口氯氣溫度平均在54 ℃左右，二級出口氯氣溫度在93～102 ℃。期間，因循環水水質較差，一級冷卻器逐漸堵塞，二級出口氯氣溫度持續上漲，通過投用純水密閉循環冷卻改造得到了有效的解決。

國產2H-2/10600型氯氣壓縮機在工藝參數控制方面與進口氯壓機性能參數相近，完全滿足24萬t/a離子膜燒堿裝置滿負荷生產使用的要求。

在機械性能方面，國產氯壓機主機的前、后軸振軸承振動在4.3～13.5 μm，軸承溫度在47～65 ℃，軸位移數值0.022 μm，增速箱軸承的溫度在50～55 ℃；機組電動機繞組溫度在103～110 ℃，前后軸軸承溫度保持在42～46 ℃。相比同生產負荷下鄂爾多斯君正原有的進口氯壓機運行機械性能參數，2套機組的運行狀況都很好。

氯壓機機械密封的優劣可以通過事故氯氣處理裝置的月均堿液消耗量進行衡量，國產氯壓機原在系統滿負荷生產時事故氯裝置的換堿周期均在25～30天左右，每月消耗量質量分數32的燒堿46～48 t。而進口品牌氯壓機滿負荷運行時事故氯裝置的換堿周期均在15天左右，每月消耗量質量分數32的燒堿78～90 t。事故氯裝置的耗堿，說明國產氯壓機的機械密封良好、氯氣泄漏量小于進口氯壓機。

國產氯壓機和進口氯壓機運行性能參數對比如表2所示。

表2 國產氯壓機和進口氯壓機運行性能參數對比表Table 2 Operation performance parameters comparison between domestic compressor and imported one

2.2 經濟性對比

2.2.1 設備購置和安裝投入費用

成套國產氯氣壓縮機機組設備購置費用共計為300萬元左右(含潤滑油系統及2臺氯氣冷卻器)，而鄂爾多斯進口的氯壓機設備購置費用高達1 200萬元且不含3臺氯氣冷卻器。在基建設備購置投入上，國產氯壓機價格低廉，一次性投資占有絕對優勢。

鄂爾多斯君正在新增國產氯氣壓縮機時，經過計算和探討后將三級氯氣壓縮工藝優化成二級壓縮，在廠房土建和配管安裝上的費用也節省很多。

2.2.2 運行維護費用對比

因國產氯壓機和進口氯壓機的增速箱設計不同，國產氯壓機的主電動機功率900 kW，運行電流在50～51 A，油泵電動機功率11 kW，總功率約730 kW，生產1 t燒堿耗電約23.78 kW·h；而進口氯壓機電動機功率830 kW，運行電流45～47A，運行功率為640 kW，生產1 t燒堿耗電約20.85 kW·h。鄂爾多斯君正所在地區電費按0.34元/(kW·h)折算，24萬t/a離子膜生產負荷下國產氯壓機耗電費用較進口氯壓機每年僅高出23.8萬元。

2.2.3 事故氯耗堿費用對比

統計鄂爾多斯君正自2016年10月投用國產氯壓機后6個月的事故氯裝置，總消耗質量分數32%的燒堿共計413 t。而進口品牌氯壓機滿負荷運行時事故氯裝置的換堿周期均在15天左右，每月消耗質量分數32%的燒堿78～90 t，2015年全年事故氯裝置共計消耗32%燒堿1 224 t。每年國產氯壓機的事故氯裝置耗堿量比進口氯壓機少約400 t，在自用堿費用節約13萬元，同時減輕了公司在副產品次氯酸鈉的銷售壓力。

2.2.4 維保、大修費用

國產氯壓機在設備備件耗材費用遠低于進口氯壓機。例如進口氯壓機的一套軸端密封價格就高達80多萬元，且備件的到貨周期一般在3個月以上。在維保、大修的費用上，國產氯壓機的費用要遠低于進口氯壓機，周期短，對生產造成的不利影響減小。而且進口氯壓機對氮氣的要求相對較高，須定期對氮氣精密過濾器進行更換，一套精密過濾器的采購價格在8 000元以上。但鄂爾多斯君正的氮氣質量完全滿足國產氯壓機的使用要求，項目未設計氮氣精密過濾器，減少機組日常維保的費用。

3 結語

鄂爾多斯君正新增國產氯壓機運行至今穩定，與原有進口氯壓機互為備用，確保了生產的連續穩定。且基于國產氯壓機的投資費用低、備件價格低、維護周期短、便捷等優勢，項目的持續經濟效益客觀，徹底解決鄂爾多斯君正離子膜法燒堿裝置單臺氯壓機無備機的潛在生產隱患，國產大型離心式2H-2/10600型氯氣壓縮機在鄂爾多斯君正的離子膜法燒堿裝置中得到很好的應用。

[1] 王德祥，寧振超，司志坦.氯氣壓縮機運行管理[J].氯堿工業，2015，52(6)：39-41.

[2] 朱建兵，萬燃.西門子3k氯氣壓縮機在化工行業的應用[J].中國化工貿易，2011(8)：135-136.

[3] 裘雪玲.迷宮密封的密封機理研究[J].化工裝備技術，2010，31(2)：34-36.

[4] 李嫚，徐斌，王旭.氯氣壓縮機振動原因及處理措施[J].氯堿工業，2015，51(11)：36-37.

[5] 張志才，郭小川，趙波，等.不同黏度等級潤滑油在柴油發動機上的對比試驗[J].后勤工程學院學報，2014，30(5)：41-46.

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[編輯：蔡春艷]

Application of domestic 2H-2/10600 type of large centrifugal chlorine compressorin ion-exchange membrane caustic soda unit

GUOBin,LIUGuangjie,CUIZengping,WANGJianhua,ZHANGMing,WANGXuequan,HAOTianliang,LIJunping,ZHANGLiuping,LINing,YINYanrong

(Erdos Junzheng Energy Chemical Co. Ltd., Wuhai 016000, China)

chlorine compressor; process design; performance comparison

The design and application of domestic 2H-2/10600 type of large centrifugal chlorine compressor which was newly added in Erdos Junzheng Energy Chemical Co. Ltd. was introduced. The compressor was compared with an imported one in aspects of process design, performance and operating cost. The domestic compressor had the advantages of low investment, low spare parts price, short-period and convenient maintenance, and so on.

郭彬(1970—)，男，副總工程師，2003年畢業于北京化工大學，現于內蒙古鄂爾多斯市君正能源化工有限公司負責25萬t/a燒堿及20萬t/a氯堿生產項目。

2017-02-02

TQ028.2

B

1008-133X(2017)05-0019-04