D型氫氣往復式壓縮機的優化設計探討

王華濤

（陜西延長石油物資集團有限責任公司，陜西西安 710077）

0 引言

D型氫氣往復壓縮機是對稱平衡型壓縮機，介質是氫氣，這就對設計提出了更高要求。D型氫氣壓縮機設計要考慮長周期安全平穩運行，設備運行效率良好，結構布局合理，外形布局緊湊，實現無油潤滑操作，事故狀態時有安全保護和聯鎖裝置。總之，設計必須滿足設備運行安全性，經濟性，配套性和規范化的要求。

1 氫氣壓縮機整體描述

氫氣壓縮機采用D型對稱平衡性結構，兩列一級壓縮，氣缸均為雙作用，無油潤滑結構設計，無油潤滑操作運行。整機結構合理，布局緊湊，動力平衡性能優異，運轉平穩可靠，振動小、噪聲低。機組密封性能良好，易損件壽命長。驅動電機為隔爆型異步電機，電機軸通脹套聯軸器與壓縮機曲軸相連。機組備有完善的安全保護和聯鎖裝置，確保壓縮機的長周期安全運轉。當壓縮機處于危險工況時，能自動發出聲光報警及自動停機。機組設有進氣緩沖器、冷卻器及潤滑系統等輔助設備。

2 壓縮機技術描述

2.1 技術說明

壓縮機為兩列一級壓縮，氣缸均為雙作用。壓縮機單層布置，整體撬裝。壓縮機轉速490 r/min，平均活塞速度3.43 m/s。氣缸出口法蘭處氣體實際排出溫度≤125℃。壓縮機填料和氣缸均采用無油潤滑結構設計，無油潤滑設計控制活塞導向環比壓≤0.035 MPa。壓縮機氣量調節采用一級氣缸卸荷器調節及末級旁路自動調節方式。卸荷器調節為額定流量的0%，25%，50%，75%，100%；末級旁路自動調節范圍為額定工況0～100%，氣量調節系統具有良好可靠性經濟性。

機組主要部件（如氣缸、中體等）連接采用止口定位，保證精確對中。所有刮油器、中間密封和壓力填料均為帶不銹鋼卡緊彈簧的剖分環填料，填料設進排水接口。活塞桿材料選用優質合金鋼鍛件38CrMoAl，表面氮化，表面硬度達850 HV以上。十字頭為整體巴氏合金滑履。曲軸箱采用HT250制造，中體采用HT250；曲軸、連桿采用45＃鍛鋼，須調質處理；十字頭體為鑄鋼。

工藝氣閥選購國際知名品牌，氮氣試車氣閥采用環狀氣墊閥，閥片為不銹鋼。中體和機身窗口設有帶墊片的整體金屬蓋板。中體接筒采用D型結構，設底部排凝、頂部放空、填料進、出水接口。壓縮機主軸瓦、連桿大頭瓦為水平剖分的薄壁圓瓦。機身設呼吸器，機身內表面噴涂環氧富鋅防腐漆。

2.2 零部件材料（表1）

表1 零部件材料表

2.3 運動機構潤滑系統

運動機構的潤滑采用壓力潤滑，壓力潤滑系統（稀油站）包括：單獨電機驅動的主油泵和輔油泵，油泵采用螺桿泵。①過濾器、管道、管件、法蘭均為不銹鋼，油系統所有手閥用截止閥，閥芯為不銹鋼。帶三通切換閥的雙聯過濾器，細過濾精度25 μm，配差壓表；不銹鋼濾芯，按150%負荷流量設計。②油冷卻器采用管殼式，油走管程，管束采用不銹鋼波紋管，油冷卻器的設計和制造符GB 151—2014標準，按130%負荷流量來設計，冷卻器回水管線上帶溫度表。③油泵入口從油池引出，入口帶過濾器，油泵出口帶安全閥、單向閥，有全流量回油裝置和高點排氣裝置。油泵排量有額定流量120%的能力。④油箱設現場液位計、溫度顯示。整套連接管道有必要的檢測、控制儀表。油箱設置恒溫自動控制器，自動監測油溫起停電加熱器，＜15℃啟動加熱器，＞35℃時停止加熱器。潤滑油總管壓力采用3取2聯鎖設置。油箱容積≥8 min循環油流量容積。油站油箱、管路、管件、閥門及油冷器過油部件材料均為不銹鋼。

2.4 循環冷卻水系統：

冷卻水系統每個冷卻點進出口支路均裝1個閥門。冷卻回水回路配水流指示器及雙金屬溫度計。填料冷卻水入口帶雙聯過濾精度為30 μm過濾器，不銹鋼濾芯。氣體和潤滑油由循環水冷卻，氣缸和填料采用軟化水冷卻。

2.5 管路系統

按照P&ID圖（Process&Instrument Diagram工藝和儀表流程圖）提供相關管線、放空排污管線、水管線、儀表管線和油管線。提供進出截止閥、出口止回閥、安全閥。氣管路及油站至機組旁的連接管線（潤滑油管線）提供材料和完整安裝圖；提供壓力填料漏氣收集接管。提供氣量調節系統。

2.6 緩沖器、冷卻器

壓縮機組設相應的緩沖器、冷卻器。壓力容器按照GB150—2011，GB 151—2014及容規進行設計、制造和檢驗。

2.6.1 緩沖器。

緩沖器盡可能靠近各級氣缸進出口，并保證足夠緩沖容積，緩沖器最小容積為其連接氣缸活塞行程容積10倍以上。緩沖器設帶套管式測溫接頭，便于測量氣體溫度及安裝高溫報警檢測元件。緩沖器設計壓力不小于相關級安全閥起跳壓力設定值。緩沖器材料為碳鋼，腐蝕裕度3.2 mm。

2.6.2 冷卻器。

各級設排氣冷卻器，冷卻后氣體溫度≤40℃。冷卻器結構采用管殼式冷卻器，氣走管程水走殼程。設計換熱能力為額定負荷的130%以上。冷卻器的殼體為碳鋼，腐蝕裕度3.2 mm，芯子（換熱管及管板）為316不銹鋼。

2.7 電氣控制和儀表。

壓縮機安裝區域等級為Ⅱ區。所有安裝在危險區域儀表、電氣設備應符合工廠Ⅱ區防爆要求。現場儀表防爆等級為dⅡCT4，防護等級IP65。壓縮機邏輯控制在用戶的DCS（Distributed Control System，分布式控制系統，又稱為集散控制系統）完成。溫度檢測采用鉑熱電阻（Pt100）。壓力、差壓變送器采用帶HART（Highway Addressable Remote Transducer尋址遠程傳感器高速通道的開放通信）協議的智能型，帶LCD（Liquid Crystal Display液晶顯示器就地顯示表頭）變送器。所有電氣開關為雙刀雙擲式。所有儀表為SI單位。賣方提供壓縮機組一次儀表，其中包括一次檢測元件、發信元件、就地顯示儀表、就地儀表盤；控制和儀表相關連接線纜及安裝材料由賣方提供。買賣雙方設計及供貨交接點為接線箱接線端子（賣方供貨）。賣方提供壓縮機組的控制方案及聯鎖邏輯圖。

2.7.1 壓力測量項目

壓力測量項目測量點數及儀表類型按P&ID見表2，表中壓縮機出口總管壓力2取2，循環油總管壓力3取2聯鎖。

2.7.2 溫度測量項目（表3）

2.7.3 過載及振動項目（表4）

2.7.4 主電機及其附屬設備

主電機額定電壓6 kV，額定功率185 kW，額定轉數490 r/min，防爆等級dⅡCT4，防護等級IP55，絕緣等級F，溫升B。電機為戶外、高效節能型，冷卻方式為自然風冷IC411。電機銘牌額定功率不小于任何規定操作工況下所需最大功率1.1倍，且不小于出口安全閥定壓力下軸功率計算值。電機定子繞組每相裝1個雙支埋入式Pt100鉑電阻（各用1備1），測溫元件導線接到單獨的終端接線盒上，接線盒防護等級IP55。主電機本體既能滿足直接啟動又能滿足軟啟動要求。輔助電機及加熱設備防爆等級為dⅡCT4，防護等級IP55。電機滾動軸承選用國際知名品牌。

表2 壓力測量項目表

表3 溫度測量項目

表4 過載及振動項目表

3 檢驗及監造描述

3.1 主要部件材料做理化分析和機械強度試驗

氣缸、氣缸套、氣缸蓋、曲軸箱、活塞、活塞桿、十字頭體、連桿螺栓、十字頭銷、曲軸、連桿等。零部件進廠檢驗、加工檢驗按賣方工廠標準在賣方工廠進行，并提供檢驗報告。

3.2 零部件進行無損檢測提供檢查報告（表5）

表5 零部件進行無損檢測項目

3.3 壓力試驗

壓縮機氣缸體、氣缸蓋、活塞等受壓零件的氣腔進行水壓試驗，壓力至少為設計壓力的1.5倍，水系統設備水腔試驗壓力按0.8 MPa，試驗均持續30 min。機身、滑道做煤油滲漏試驗。容器的壓力試驗按有關標準執行。氣缸部件做氦氣氣密性試驗，試驗壓力為最大允許工作壓力的1.1倍。

3.4 運轉試驗

壓縮機出廠前進行12 h無負荷機械運轉試驗提供試驗報告；試車后主要摩擦部位全面拆檢提供拆檢報告；賣方在該項試驗前7 d通知買方參加試驗。②部分負荷試運轉在買方現場進行，使用全套供貨機組，以空氣為介質，在工作轉速下至少運轉24 h，部分負荷試運前，買方提供安裝數據，賣方制訂試運協議，賣方買方共同確認是否具備試車條件，由試運現場負責人組織實施，賣方派員參加調試運轉。

試運結束后，雙方在完整的負荷試運報告上簽署意見，作為初步驗收文件。裝置投產時，應用實際氣體在設計工況下進行考核運轉，買方提前7 d通知賣方參加，按照壓縮機設計參數進行72 h運轉考核，符合要求后，雙方簽署正式驗收報告。

3.5 監造

壓縮機在廠內的裝配、氣缸水壓試驗和機械試運轉、負荷試驗按相應規范要求嚴格進行，接受用戶的監造和檢驗。產品設計制造嚴格按標準執行，投標方應向招標方出據以下文件：材料檢驗合格證，尺寸檢驗報告，無損檢測報告、裝配驗收報告及其他檢驗和試驗報告。產品交貨前應對設備各部件進行必要的檢查和試驗，保證整個設計和制造符合有關規程和標準要求。關鍵部件制造和檢驗由招標方派人員到現場進行監造。設備最終驗收在使用方安裝施工現場進行。未盡事宜按國內有關標準執行，且優先按高和嚴標準執行，保證各項性能要求。

4 壓縮機性能描述

4.1 性能保證

壓縮機軸功率偏差≤+3%；壓縮機排量無負偏差；機組噪聲按GB/T 4980—2003標準測量≤85 dB（聲壓級）。機身振動烈度符合GB/T 7777—2003標準，壓縮機機械振動速度有效值≤4.5 mm/s。

4.2 壽命保證

壓縮機在現場環境條件及規定操作條件下，整機使用壽命≥20 a。正常操作條件下，壓縮機易損件壽命值（表6）

表6 易損件壽命表

5 結語

D型氫氣壓縮機的優化設計是壓縮機全生命周期的一個重要組成部分，搞好優化設計，從源頭上保證了設備克服先天不足的毛病，保證設備能按要求安裝、試車、投用并長周期安全平穩運行，能使設備全生命周期形成健康、科學、有序的良好運行態勢。