無油工藝螺桿壓縮機在氯甲烷工況的應用

周 強 李 剛 孫立冬 連小松

（寧波巨化化工科技有限公司）

氯甲烷（CH3Cl），又稱一氯甲烷、甲基氯或氯代甲烷，為無色、可燃且有毒的氣體，是有機合成中重要的甲基化劑，主要用于有機硅、纖維素、農藥及橡膠等生產領域。 在氯甲烷生產工藝中，無論是氣相法還是液相法，都需要將反應生成的氯甲烷氣體經過壓縮機壓縮冷凝成液態再進行輸送［1，2］，氯甲烷氣體壓縮工藝作為生產過程中的核心工藝，壓縮機的安全、穩定、環保和節能運行是整個生產裝置運行水平的風向標。 從20 世紀90年代至今，由于壓縮機生產技術水平和投資成本的限制，再加上介質易燃易爆、禁油禁水的特性，基本上以往復式活塞壓縮機為主。 某公司原有裝置中的活塞壓縮機存在運行缺陷， 經市場調研、與相關專業廠家技術交流后，用無油工藝螺桿壓縮機替換活塞壓縮機，并在改造投運后進行相應的工藝改造，使生產裝置達到安全穩定、環保排放和節能運行的目標。

1 壓縮機選型狀況

往復式活塞壓縮機是靠活塞在氣缸內做往復運動，使容積縮小而提高氣體壓力，由多個活塞、活塞環、氣閥部件、曲軸、軸瓦、十字頭及滑道等部件組成，這是最早的壓縮機型式，適用于中小氣量和各種壓力的工作條件，尤其適用于高壓和超高壓壓縮，具有排氣不均勻、氣流有脈動、占地面積大、 維修工作量大及運行周期短等缺點，但因其工藝成熟、投資較低成為機械工業中量大面廣的產品之一［3］。

20 世紀50 年代， 無油螺桿壓縮機首次在工業上應用，60 年代開發出噴油螺桿壓縮機，到70年代兩者都得到了較快的發展。 兩種螺桿壓縮機結構的主要區別是：無油螺桿壓縮機（圖1）通過同步齒輪嚙合，使得陰陽轉子可以保持適當間隙而不產生接觸摩擦和發熱， 適用于高轉速工況，通常在機殼上設置冷卻夾套，由機殼通入冷卻介質冷卻，也可從吸入端向轉子腔注入相當于吸入氣體容量1%左右的冷卻液體對不純物進行洗滌；噴油螺桿壓縮機無同步齒輪，由陽轉子旋齒嚙合帶動陰轉子螺桿旋轉，由于轉子之間相互摩擦，因而需要噴入油或者其他液體對螺桿進行冷卻，且在壓縮機出口進行氣液分離，氣體出口高壓側配有徑向推力組合軸承、平衡活塞和調節氣量的滑閥（可調節40%～100%的壓縮負荷）。 相對于無油螺桿壓縮機， 噴油螺桿壓縮機的轉速較低，沒有加工精度要求高的同步齒輪，結構簡單，可與電動機直聯，適用于氣體壓差較大，排氣溫度不高，介質與潤滑油可以混用的場合。 螺桿壓縮機由于制造水平不斷提高， 技術日趨完善，兼有離心式壓縮機和往復式壓縮機的優點，相對離心壓縮機而言它無喘振、操作平穩，相對往復壓縮機而言它振動小、使用壽命長［4］。

圖1 無油螺桿壓縮機結構示意圖

氯甲烷介質有易燃易爆的特殊性，特別是作為有機硅和纖維素的甲基化劑時不能含油，但目前行業內多采用往復式活塞壓縮機，個別廠家出于降低檢修費用、提高運行穩定性的考慮，采用了噴油螺桿壓縮機，并在壓縮機出口設置兩級氣液分離器以去除壓縮氣體中的油霧，這種工藝有較大的局限性和安全風險：首先，采用兩級氣液分離器系統占地面積大、投資高；其次，常規的氣液分離器是采用重力分離+旋風分離+濾芯精濾的組合式分離器，再加上去除的油霧，導致壓縮機出口阻力增大，做功、能耗較高；最后，一旦氣液分離器的精濾濾芯到達使用壽命后期或者破損都會使氯甲烷中含油，導致產品污染嚴重且易形成爆炸混合物，這是工藝安全所不允許的。

2 原壓縮工藝

原壓縮工藝采用4 臺2DW-35/0.5-8 型活塞壓縮機，容積流量35Nm3/min，進口壓力0.05MPa，排氣壓力0.8MPa，軸功率190kW，配用電機功率250kW。根據裝置運行數年的狀況分析，總結出原有壓縮工藝存在的問題：

a. 檢修頻率高。根據活塞壓縮機的運行周期規律，每2 000～4 000h 需中修，拆解清洗氣閥，更換閥片、填料及活塞環等，每6 000～8 000h 需大修，更換所有氣閥、連桿螺栓等。 單臺機每年至少檢修兩次，實際運行中由于活塞機本身設計的缺陷，管道泄漏點多，軸瓦磨損、閥片損壞及填料刮油環損壞等現象更為嚴重，單臺設備年檢修費用在15～25 萬元人民幣。

b. 填料泄漏量不穩定。圖2 為活塞壓縮機密封結構型式，采用雙室結構，接筒設置帶墊片的整體金屬蓋板，并設有底部排凝、吹掃、填料漏氣回收及氮氣保護等接口；填料函設置充氮氣系統以保證氯甲烷氣外漏時的安全性，并配有漏氣收集接管；填料為帶不銹鋼卡緊彈簧的三六瓣平面填料，并設有氮氣保護和漏氣回收裝置。 這種結構雖然屬于活塞壓縮機中比較先進的填料密封結構，但隨著活塞桿的磨損，特別到壓縮機一個運行周期8 000h 的后期，填料密封泄漏量會以幾何比例增加，在填料泄漏隔離室排放口有大量的氯甲烷排出，不僅造成氯甲烷的浪費，也對后系統尾氣處理裝置的運行帶來安全風險和環保超標風險。

c. 壓縮機實際功率遠超軸功率。 活塞壓縮機運行后期時，由于軸瓦、滑道及十字頭等元件的磨損問題，加大了運行摩擦，造成電機的實際電流明顯上升，壓縮機實際功率就會超過軸功率。

d. 設備管道振動大。 由于往復運動，隨著活塞的前后移動，吸排氣閥不停地開啟、關閉，有規律性地重復沖擊，導致排氣壓力不穩定，出口緩沖罐進/出口管道振動較大，容易導致設備管道開裂和密封點泄漏。

e. 壓縮機活塞間隙比較小。 活塞壓縮機的氣閥為網狀閥，閥片開啟關閉余隙較小，壓縮機進口一旦有微量液滴，由于液滴不可壓縮，容易造成閥片損壞繼而氣缸被撞缸。

3 壓縮工藝改造方案及實施

結合原壓縮機運行經驗，該公司技術人員分析原往復式壓縮機的問題后， 從降低檢修率、安全環保提標和節能降耗的角度出發，結合壓縮機氣量小、排氣壓力高的特點，綜合考慮產品介質“絕對無油”的工藝要求，決定將往復式活塞壓縮機更換為無油工藝螺桿壓縮機。 無油工藝螺桿壓縮機不受入口帶液的影響，具有結構緊湊、排氣平穩、無易損件及三年免維護等優點［5］。

在方案設計初期，充分考慮到設備減量化的要求，用1 臺無油螺桿壓縮機替換原有的4 臺壓縮機， 無油螺桿壓縮機的吸氣量128.76Nm3/min，吸氣壓力/溫度0.05MPa/40℃， 排氣壓力/溫度0.75MPa/39℃（均與原有壓縮工況保持一致）。 單臺無油螺桿壓縮機的設計與制造按照標準API 619 執行，采用變頻調節，能夠實現大范圍（30%～100%）的節能調節，該壓縮機采用串聯式干氣密封（圖3），它屬于非接觸動密封，密封端面上均勻分布一系列淺槽，高速旋轉下槽內產生動壓效應使構成密封面的動、靜環之間不接觸，還能產生高壓密封氣隔離介質氣，此種密封型式可確保機組介質氣泄漏量幾乎為零，并且能阻止潤滑油進入介質氣中。

圖2 活塞壓縮機密封型式簡圖

圖3 組合串聯式干氣密封結構示意圖

無油工藝螺桿壓縮機方案經安裝、調試和開機成功后連入系統，并對機組進行滿負荷運行測試：進氣壓力50kPa、出口壓力0.7MPa 時，冷凝量18.08t/h，壓縮機電流50.0A（額定電流60.9A）,壓縮機一級泄漏氣（小于7.5Nm3/h）滿足設計要求，運行穩定， 各儀表參數均在設計指標要求范圍內。

4 改造后參數對比

無油工藝螺桿壓縮機在氯甲烷工況的成功應用，解決了活塞式壓縮機填料泄漏量不穩定的問題——活塞壓縮機采用填料密封，填料本身存在一定的泄漏量， 且會隨著設備運行時間增長，填料的磨損加大，氯甲烷的泄漏量也隨之逐漸增加；無油工藝螺桿壓縮機采用干氣密封，介質氣泄漏量小且恒定。 裝置改造后，尾氣排放全部達標，節約了原系統尾氣處理的費用，系統的安全性和環保排放達到設計目標。 另外，采用無油工藝螺桿壓縮機滿足了氯甲烷排氣中絕對無油的設計條件，保證了產品無污染、質量穩定達標。

無油工藝螺桿壓縮機與活塞壓縮機的工藝參數對比見表1。

5 改造經驗

本次改造是無油工藝螺桿壓縮機在氯甲烷工況中的首次應用， 加之氯甲烷的沸點低易汽化、高壓下易冷凝、有腐蝕性及工藝含油量要求高等特點，針對原工藝的改造總結了以下經驗：

a. 針對裝置氯甲烷中帶有微量硫酸的特殊性，無油工藝螺桿壓縮機的主機殼體采用1Cr13，轉子采用2Cr13 整體鍛造，可有效防護系統運行中介質的腐蝕；

b. 根據裝置防止泄漏要求高的特點，壓縮機密封采用迷宮密封+串聯式干氣密封的組合模式，串聯式干氣密封主要用來隔離工藝氣與潤滑油系統，其中的一級密封氣采用壓縮機出口的高溫高壓氯甲烷氣體，以減少出口排氣中其他氣體的含量；

c. 螺桿壓縮機噴液介質選用本裝置生產的氯甲烷，介質混用性強，有足夠的壓差和過熱度保證噴入壓縮機的氯甲烷能夠有效起到冷卻作用，同時不會腐蝕壓縮機內的轉子和機殼；

表1 無油工藝螺桿壓縮機與活塞壓縮機的工藝參數對比

d. 干氣密封中的各級密封氣和隔離氣均配有恒溫電伴熱帶，防止管道輸送過程中密封氣冷凝導致的干氣密封無法脫開、啟動時產生磨損等問題；

e. 為了保障壓縮機的穩定長周期運行，所有壓縮機的密封氣泄漏量、泄漏壓力、排氣壓力及油壓等聯鎖停機儀表均采用三選二的設置，當一個信號同時有3 個點達到2 個以上的停機條件時停機保護啟動， 既能有效保證壓縮機安全，又可避免壓縮機因個別儀表出現誤差導致的誤停機；

f. 壓縮機噴液控制采用獨立控制系統（PLC和DCS 均可控制），防止壓縮機超溫，保證開機和運行的穩定，噴液閥門采用電磁切斷閥和氣動調節閥雙重保護，減少了停機狀況下內漏和誤操作的可能性。

6 結束語

氯甲烷工況采用1 臺無油工藝螺桿壓縮機替換4 臺活塞壓縮機的改造非常成功， 螺桿機機組的安全穩定性、環保排放、節能運行和檢修成本都優于活塞機機組。 此次改造過程中的工藝設計、結構選型、控制方式和聯鎖保護的優化經驗，可為其他相似工況借鑒， 同時也為無油工藝螺桿壓縮機在其他易汽化介質中的應用積累了寶貴的經驗。