乙烯低溫壓縮機新技術的研究

祁志剛

（沈陽鼓風機集團股份有限公司，遼寧 沈陽 110869）

乙烯是世界上產量最大的化學產品之一，乙烯裝置是石油化工產業的核心，乙烯產品占石化產品的75%以上。公司目前成套生產乙烯壓縮機組10余套，從起初的技術引進、消化吸收，到自主研發成套，積累的豐富的經驗。現以某項目為對象，針對乙烯低溫壓縮機組結構、成本、材料、性能、開車、運行中出現的問題，對壓縮機的設計進行改進與優化。

1 乙烯低溫鑄造機殼的新結構

低溫壓縮機一般工作在-50～-20℃，乙烯低溫壓縮機的工作溫度更低，達到-115℃。由于-115℃低溫下焊接機殼焊縫處強度難以保證，考慮低溫結霜等因素，乙烯壓縮機均采用鑄造不銹鋼的結構。圖1為原鑄殼結構、圖2為改進后鑄殼結構。

圖1 原鑄殼結構

圖2 改進后鑄殼結構

圖1的鑄造機殼體積龐大，軸承箱腔體結構復雜，鑄造加工等成本較高，且鑄殼一般都要根據工藝要求重新設計，給實際應用帶來很大困難。通用-新比隆(GE-NuoVo Pignone)公司壓縮機采用一種M+B的結構，即MCL水平剖分的壓縮機結構+BCL垂直剖分的端蓋結構。針對中壓（40kg/cm2左右）壓縮機，能夠有效的降低BCL筒形壓縮的鍛造成本保證機組安全運行，又汲取了MCL水平剖分結構壓縮機易于安裝檢修、加工制造周期短的優勢。圖2是公司根據M+B結構所做的改進鑄造機殼，也是采用MCL水平剖分結構，根據MCL水平焊接機殼的經驗，對復雜的軸承區結構進行了優化，降低了鑄造難度，減少鑄造缺陷點。原鑄造不銹鋼機殼因結構復雜，缺陷較多，國內廠家的鑄造質量很難滿足設計要求，改進后的鑄造機殼則完全彌補了這一缺陷，不但能節省成本，還縮短了制造周期。

2 低溫材料的選用

低溫壓縮的材料選擇，鎳元素(Ni)是衡量材料低溫性能最重要的指標。與乙烯介質完全接觸的轉子部件有葉輪、隔套、平衡盤、鎖緊螺母及螺釘。葉輪、隔套、平衡盤、鎖緊螺母等均采用Ni含量高的合金鋼（低強度）或不銹鋼（高強度），材料采購需對Ni含量嚴格控制，鎖緊螺釘等參考GB/T 3098.6《緊固件機械性能不銹鋼螺栓、螺釘和螺柱》，選用奧氏體不銹鋼材料。與乙烯介質完全接觸的定子部件有：機殼、隔板、密封。機殼采用圖2所示18-9型鑄造鉻鎳不銹鋼結構，隔板材料與機殼相同。密封采用5083防銹鋁板，執行GB/T 3190《變形鋁及鋁合金化學成分》。其余材料均選用一般的低溫鋼，所有材料需做低溫沖擊試驗，執行NB/T47009《低溫承壓設備用低合金鋼鍛件》、GB3531《低溫壓力容器用低合金鋼鋼板》，不銹鋼可免做沖擊試驗，但須滿足材料的強度使用要求。

3 轉子件低溫運行的分析

常溫壓縮機轉子部件中葉輪、隔套、平衡盤等與主軸采用熱裝過盈的配合方式。過盈量：葉輪＞平衡盤＞隔套，過盈值依據經驗選取。或根據ANSYS有限元結構分析軟件，計算轉子件軸孔變形量，滿足一定的接觸要求即可。對于葉輪部件，在保證接觸要求后，還可根據扭矩復核，傳遞扭矩＞所需扭矩×安全系數。或根據CAL47程序計算工程松動轉速、絕對松動轉速，且絕對松動轉速＞工程松動轉速＞最大連續轉速×安全系數。低溫壓縮機在常溫裝配后，低溫運行時轉子冷縮，且葉輪、隔套、平衡盤等與介質直接接觸的部件的冷縮量要大于主軸的冷縮量，實際運行時壓縮機的過盈量要大于設計過盈量。乙烯開車運行也是常溫開車，氮氣置換，到壓縮乙烯介質，介質切換過程中，壓縮機轉子的溫度也在發生變化。如果保證開車狀態的轉子部件的過盈量，則低溫運行時機組過盈量過大，遠超出設計值，轉子冷縮變形不均勻，容易引起轉子部件彎曲變形，導致機組嚴重不平衡，帶來機組聯鎖停車。

針對以上問題，低溫乙烯壓縮機組轉子部件采取了低過盈帶鍵配合的方式。鍵、鍵槽均采用圓形、半圓形的結構，避免結構形狀的突然變化導致的應力集中，進而產生低溫脆裂現象。降低轉子部件的過盈，常溫輕載開車時，鍵起主要傳遞扭矩作用，正常低溫運行時，鍵和過盈共同保證傳遞扭矩。Ni基合金鋼材料的轉子在低溫下性能變化大，葉輪、主軸選用該材料時須做冷凍試驗，改善轉子低溫工作的應力狀態。

4 隔板優化設計

常規的出口蝸室采用矩形截面，見圖3，矩形蝸室常用于焊接機殼，由焊殼和隔板圍成一個矩形或正方形的蝸室截面，結構簡單，制造方便，常用于對性能考核不是很嚴格的機組中。鑄造機殼鑄造的優勢是可以借助鑄殼形成圓形出口截面，見圖4。通過三維建模、ANSYS進行CFD模擬，從擴壓器、蝸室截面流場分析矩形出口蝸室截面存在一個大的漩渦和一個小漩渦，蝸室截面流場紊亂，擴壓器和蝸室的流線很不均勻。圓形截面蝸室的流場分布均勻，葉輪及擴壓器內部流動較好。在設計工況，圓形截面蝸室相比矩形截面蝸室多變效率提高約1.1%，能頭提高約0.5%，詳細數據見表1。

圖3 矩形出口蝸室截面

圖4 圓形出口蝸室截面

表1 CFD分析結果

5 結語

目前國際上有新比隆公司（Nuovo Pignone）、德馬格（Demag）公司、三菱重工（MHI）、埃利奧特（ELLIOTT）公司提供乙烯領域壓縮機，國內有沈鼓（SBW）成套乙烯三機。

從天津石化百萬噸乙烯裝置裂解氣壓縮機組、鎮海煉化百萬噸乙烯裝置丙烯壓縮機組、撫順石化百萬噸乙烯裝置用乙烯壓縮機組，到武漢80萬噸乙烯裝置三機。乙烯低溫壓縮機新技術的研究：壓縮機結構的改進，使設計制造周期縮短、大幅降低生產成本、提高壓縮機效率、降低運行成本。優質低溫材料的合理選用，機組轉子低溫運行的分析改進，能夠保證機組長期安全穩定運行。新技術的儲備，增強了我公司在乙烯市場的國際競爭力。