合成氣凈化裝置燃料氣壓縮機潤滑方式探討

何 凱 楊 莉 姚德群

（中國寰球工程有限公司北京分公司）

在大型煤炭間接液化項目合成氣凈化裝置中， 常選用往復活塞式壓縮機將燃料氣進行壓縮，然后為下游工業爐燒嘴提供燃料。 往復活塞式壓縮機氣缸潤滑方式主要包括無油潤滑和有油潤滑［1］。 其中無油潤滑壓縮機通常采用聚四氟乙烯（PTFE）、聚酰亞胺（PI）等自潤滑材料作為活塞環的填充材料，壓縮機工作過程中，無需往氣缸中注入潤滑油，因此可以保證壓縮氣體不被潤滑油霧污染， 有效提高下游設備工作的可靠性，但是無油潤滑壓縮機往往造價高昂，而且正常運行10 000h 后需要更換機頭［2］。 有油潤滑壓縮機需要在氣缸上開注油口并配置注油機，壓縮機工作過程中不斷注入潤滑油，雖然可以大幅減少易損件和氣缸的磨損， 延長壓縮機的使用壽命，但是注入潤滑油的油霧可能會污染被壓縮氣體，因此往往需要在壓縮機出口增加油霧分離器。 工業爐燒嘴對燃料氣純度有較高的要求，過量油霧的混入可能導致燒嘴意外燒壞，導致下游工業爐無法正常運行，造成整個凈化裝置停產。 因此，燃料氣壓縮機潤滑方式的選擇很大程度上會影響合成氣凈化裝置的正常運行。 筆者以某大型煤炭間接液化項目合成氣凈化裝置中的燃料氣壓縮機為例，分析燃料氣壓縮機潤滑方式的選擇對壓縮機運行的影響及其應對策略。

1 燃料氣壓縮機運行工況下的介質特性

化裝置中燃料氣壓縮機在不同運行工況下的參數，表2 為不同工況下的氣體組分。 從表2 中的數據可知， 被壓縮介質中CO 和H2為主要成分，根據化學原理可知CO 和H2在高溫狀態下可發生可逆反應生成C 和H2O， 化學反應方程式為CO+H2?C+H2O。

表1 燃料氣壓縮機在不同運行工況下的參數

表2 不同工況下的燃料氣組分 %

雖然燃料氣壓縮機排氣溫度達不到CO 和H2快速充分反應所需的溫度 （250～260℃），但是在90℃以上會有極少量碳焦粒產生，燃料氣壓縮機理論排氣溫度87.47℃， 考慮到實際運行過程中溫度的波動，排氣溫度在某個特定時段極有可能在90℃以上，因此會有極少量碳焦粒析出。

碳焦粒是一種固體顆粒，若長時間沉積在氣缸套與活塞環之間，會增大氣缸套與活塞環的表面粗糙度， 進而加速活塞環和氣缸套之間的磨損，縮短壓縮機氣缸和易損件活塞環的使用壽命［3］。

2 不同潤滑方式可能導致的后果分析

無論采用無油潤滑還是有油潤滑，壓縮機氣缸內都會有極少量碳焦粒沉積，碳焦粒在不同潤滑方式下產生的影響不盡相同。

2.1 無油潤滑

無油潤滑采用的是自潤滑活塞環，雖然造價高昂［4］，但是對下游設備影響最小。 然而，無油潤滑磨損系數K受氣缸表面粗糙度影響很大， 兩者的關系曲線如圖1 所示［5］。

圖1 無油潤滑磨損系數與氣缸表面粗糙度的關系

一般氣缸的表面粗糙度在0.4～0.8μm 之間，然而碳焦粒的存在會將氣缸和活塞環的表面粗糙度提高到1.0～1.6μm 甚至更高，也可能將無油潤滑的磨損系數提高30%以上，加快活塞環和氣缸套的磨損（圖2），從而大幅降低壓縮機的使用壽命［6］。

2.2 有油潤滑

有油潤滑是在壓縮機運行過程中通過注油口由注油器注入潤滑油，這種潤滑方式下磨損系數K 受氣缸表面粗糙度的影響相對較小，兩者的關系曲線如圖3 所示。

圖2 壓縮機氣缸套及活塞環的磨損情況

圖3 有油潤滑磨損系數與氣缸表面粗糙度的關系

雖然碳焦粒的存在提高了氣缸和活塞環的表面粗糙度， 但是對磨損系數的影響不是很大，因此對氣缸套和活塞環的磨損影響有限［4］。但是，采用有油潤滑必然會產生油霧并混入燃料氣中，盡管要經過油霧分離器的分離，但仍然會有部分油霧進入下游工業爐燒嘴。 不同工業爐燒嘴廠家對燃料氣純度要求不盡相同，若混入燃料氣的油霧超過廠家給定的上限值，則會燒壞燒嘴，造成整個裝置停產。

3 燃料氣壓縮機潤滑方式的選用原則

無論是無油潤滑還是有油潤滑都存在著局限性，故燃料氣壓縮機在選擇潤滑方式時需要視情況而定，不可一概而論。 工程實踐中保證裝置的正常可靠運行是首要目標，在保證裝置正常可靠運行的前提下應著重考慮降低設備成本投入，實現經濟、社會效益最大化［7］。

基于上述原則可制定出燃料氣壓縮機潤滑方式選擇的基本原則， 即無論選用何種潤滑方式，首要前提是不影響下游工業爐燒嘴的正常運行，在此基礎上應盡可能降低燃料氣壓縮機成本投入。 具體選用原則如下：

a. 壓縮機廠家選用有油潤滑的方式，若經壓縮機到分離器分離后的燃料氣純度可以滿足工業爐廠商對燃料氣純度的要求，則建議優先選用有油潤滑，以降低設備成本。

b. 如經過計算， 燃料氣壓縮機排氣溫度較低，遠低于CO 和H2反應產生結焦的溫度90℃［8］，且不會產生一氧化碳結焦降低壓縮機使用壽命的問題，為提高整個裝置的安全可靠性，則建議選用無油潤滑。

上述兩種情況在工程實踐中較為常見，相對容易確定壓縮機的潤滑方式。 但是，部分情況下壓縮機廠家無法確認經壓縮機到分離器分離后的燃料氣純度， 即無法計算出經過分離器后有多少油霧仍然殘留在燃料氣中， 同時壓縮機的排氣溫度十分接近或者超過一氧化碳的結焦溫度， 在這種情況下單獨選取無油潤滑或者單獨選取有油潤滑的方式都不是最佳選擇， 故可按照下述方法配置潤滑方式： 建議壓縮機按照無油潤滑設計，同時在氣缸上預留注油口，配置注油機， 以便設備運行時視具體情況靈活調整潤滑方式。

4 工程應用

某大型煤炭間接液化項目合成氣凈化裝置燃料氣壓縮機工藝數據見表1。 該項目選用的是德國諾曼艾索公司生產的TZL300 型往復活塞式壓縮機，外形布置如圖4 所示。

圖4 某合成氣凈化裝置燃料氣壓縮機

此設備排氣溫度87.47℃，非常接近一氧化碳結焦溫度，并且壓縮機廠商無法準確計算出經壓縮機到油霧分離器分離后的燃料氣純度，因此無法提前確定選用無油潤滑還是有油潤滑。 最終該壓縮機按照無油潤滑設計，同時配置如下氣缸和填料注油設備：

a. 機械注油器（單點單注），電機驅動；

b. 4 個備用柱塞；

c. 油箱儲油量保證30h 正常運行流量；

d. 油箱帶可視玻璃視窗；

e. 帶恒溫油加熱器；

f. 油箱低液位報警系統；

g. 潤滑油流量0%～200%手動調節裝置。

由于無法提前確定注入的潤滑油流量與經分離器分離后混入燃料氣的油霧流量之間的定量關系， 因此配備潤滑油流量0%～200%手動調節裝置，以便實現潤滑油流量靈活調節，從0%開始緩慢增加潤滑油注入量， 同時嚴密監測下游設備配置儀表顯示數據，保證設備的正常運行。

該裝置開車成功后燃料氣壓縮機投入使用，采用的是無油潤滑，使用期間發現活塞環磨損比預期要快，并且氣缸套也有細微磨損，雖然設備能正常使用， 但是有可能無法達到預期使用壽命。 設備運行一年后為延長燃料氣壓縮機的使用壽命，嘗試注入少量潤滑油，磨損情況得到改善，目前該設備仍正常運行。

由此可見，在初期無法確定壓縮機潤滑方式的情況下，采用無油潤滑設計同時選裝潤滑油注入設備是一種行之有效的方法。

5 結束語

燃料氣壓縮機選擇無油潤滑與有油潤滑各有優缺點，在進行具體設備的潤滑方式選擇時應針對不同的操作工況做出合理的選擇。 常規工況下按照優先保證裝置的正常運行，綜合考慮降低設備的成本投入即可。 在特殊工況下若單獨選用無油潤滑或有油潤滑都不是最佳選擇，此時可按照無油潤滑設計同時配置有油潤滑設備，為設備正常運行靈活變換潤滑方式提供操作彈性空間。