（电气工程专业论文）加氢装置新氢压缩机组选型设计与电气控制.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t i th a sb e e nam o r ea n dm o r es e r i o u se n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o np r o b l e mf o rh u m a n b e i n g si nr e c e n ty e a r s a n di ti sa l lu n a v o i d a b l er e s p o n s i b i l i t yf o rp e o p l et oi n v e s t i g a t e h o w t 0 c h a n g ep e t r o l e u mf r o mb l a c kt ot h eg r e e n “瑚u r h y d r o t r e a t m e n tu n i tw i t h i t s l l i g hq u a l i t yp e t r o l e u mp r o d u c th a sd r a w nah i g ha t t e n t i o nt ot h er e s 仃u c t i | r eo fd o m e s t i c r e f i n e r yi n d u s t r y a st h ek e ye q u i p m e n to fh y d r o t r e a t m e n tu n i t , r e c i p r o c a t i n gm a k e u p h y d r o g e nc o m p r e s s o rw i t ht h eo p t i m i z e ds e l e c t i o n , a d v a n c e dd e s i g n , a n dr e l i a b l e o p e r a t i o np l a yt h es i g n i f i c a n t l yi m p o r t a n t r o l ef o rp r o f i ta sw e l ls a f ea n dr e l i a b l eo p e r a t i o n o fc o m p l e t eu n i t t h ed e e pa n dt h o r o u g hs t u d yo nr e c i p r o c a t i n gc o m p r e s s o r sa n di t s p a c k a g i n gw i l lb e n e f i td o m e s t i ce n g i n e e r i n gc o m p a n y a n dc o m p r e s s o rv e n d o rt oi m p r o v e t h ee n g i n e e r i n ga n dm a n u f a c t u r i n gc a p a b i l i t ya n dm i n i m i z et h ed i f f e r e n c ew i t ht h ew o r l d c l a s sc o m p a n i e s t h i se s s a yh a se x p a t i a t e dt h o r o u g h l yo nc o m p r e s s o rs i z i n ga n dc o n f i g u r a t i o n , m o t o r ss e l e c t i o na n de l e c t r i cc o n t r o l ，t h e o r e t i cc a l c u l a t i o nd a t aa n de n g i n e e r i n g e x p e r i e n c e , f o r c ea n a l y s i s a n dc o n f i g u r a t i o no p t i m i z a t i o n , k e yc o m p o n e n t ss t r u c t u r a l f e a t u r e sa n dm a t e r i a ls e l e c t i o n , a u x i l i a r ye q u i p m e n ts i z i n ga n dd e s i g n , p i p i n ga c o u s t i c a l s t u d ya n dv i b r a t i o nc o n t r o l ，a n du s ea n dm a i n t e n a n c eo f w o r n o u tp a r t s i ti sm e n t i o n e dt h a tm a t u r e dm o d e ls h o u l db et h eh i g h e s tp r i o r i t yw h i l et h eu n i ts i z e t e n d st ol a r g e ra n dl a r g e rn o w a d a y s t h er e s p o n s ed e l a yo ft h es a f e t yv a l v es h o u l db e c o n s i d e r e dt oc h e c kt h em a x i m u ma l l o w a b l er o d1 0 a du n d e rs a f e t yv a l v ec o n d i t i o n t h e b a l a n c ea n t r u ms h o u l db ed i s p o s e ds u i t a b i l i t yf o ram i n i a t u r em a k eu pc o m p r e s s o r s e l e c t i o n t h o s e d e s i g n s h a v eb e e n p r o v e n t h e i ra d v a n t a g e si n t h ed o m e s t i c h y d r o t r e a t m e n tu n i t a tt h es a m et i m e ，i ta l s od e s c r i p tt h es e l e c t i o no ft h em o t o rs t a r t m e t h o da n dt h em a i nf u n c t i o no f t h ee x c i t e r a l lt h ec o n c l u s i o n sm e n t i o n e da r eu s e f u la n d i n s t r u c t i o n a lf o rt h es e l e c t i o no f t h ec o m p r e s s o rt r a i n s k e y w o r d s ：h y d r o t r e a t m e n tu n i tr e c i p r o c a t i n gc o m p r e s s o rs y n c h r o n o u sm o t o r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发 表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：豇易 日期：加占年，月占日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华 中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名乱勃 日胎“年，月占日 指导教师签名 日期知湃f j 月7 日 节二 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 石油经过炼制加工生产汽油、煤油、柴油等其它能源难以取代的液体运输燃料， 可生产出数以千百种的润滑油、石蜡、沥青、油焦等石油产品，并为三大合成材料 及主要有机原料等石化产品的生产提供化工原料。因此炼油工业在我们国民经济发 展中占据着重要的地位，是国民经济命脉和安全保障的重要支柱产业。 由于过去人类对合理利用石油缺乏足够的认识，因此在石油利用过程中排放的 污染物已经在急剧地破坏着地球的生态平衡和人类自身的生存环境c ，。石油消费带来 的环境污染问题越来越紧迫的摆在人类面前。如何将黑色的石油变成绿色的能源已 经成为人类义不容辞的责任。 针对石油利用中的大气污染问题，美国、欧盟及亚洲许多国家都在加紧制定越 来越严格的环保法规1 2 。首先是车用燃料油的质量标准开始迅速升级，其中一个重要 标志是燃料油中的硫含量在逐渐降低m 。 为了追赶国际化的步伐，我国在环境保护方面的法律法规也不断得到加强。第 一部车用无铅汽油标准的颁布实施就具有重要意义，它对国内炼化行业的发展产生 了深远的影响e 4 。促使炼化行业产业结构调整的压力不断加强，因此加氢装置在炼化 行业的重要地位就突显而出“，。 1 1 标准升级与产业结构调整 我国的现代汽车工业是建立在引进国外汽车品牌及相关制造技术基础上的，而且德 国、法国等欧洲车型因较早引进并占有国内汽车销售市场的主要份额，因此我国选择了 欧洲的排放法规体系，相应的燃料油标准也与欧洲的燃油规范相近，见表i - i 。 表l l 欧盟汽油规格标准( e n 2 2 8 ) 中的主要指标 项目e n 2 2 8 1 9 9 3e n 2 2 8 1 9 9 8e n 2 2 8 - 1 9 9 9e n 2 2 8 2 0 0 4 排放标准欧i欧i l欧i i i欧i v 辛烷值r 0 l n 9 59 59 59 5 辛烷值m o n 8 58 58 58 5 铅含餐m g l - 1 1 31 355 硫含鼍，ug g - 1 1 0 0 0 1 5 0 01 5 05 0 1 0 4 注( 1 ) ：1 9 9 5 年1 月1 日起，硫含量限制值为5 i tg ，g 注( 2 ) ：该指标于2 0 0 5 年i 月1 日起执行从2 0 0 9 年1 月1 日起，硫含量限制值为- - 1 0 g g 。 华中科技大学硕士学位论文 从表1 1 可以清楚地看到，现行的欧汽油标准中已要求硫含量控制到5 0 1 1 g g 以下，而且继续向无硫燃料油的方向发展。我国是在1 9 9 9 年颁布了第一部车用无铅 汽油标准( g b l 7 9 3 0 1 9 9 9 ) 。此后先后三次对该标准进行了修改，其中两次都是针对 硫含量。最后一次修改的日期是2 0 0 4 年1 2 月0 2 日，要求自2 0 0 5 年0 7 年0 1 日起， 汽油中的硫含量不得大于5 0 0 1 1g g ，可以看出此规定与现行的欧盟标准还是有一定 差距的”，。 严格限制车用燃料油中的硫含量有两方面的原因：一是直接限制燃料使用过程 中的硫化物排放量，二是可使车载催化转换器中的三效催化剂免于硫中毒，因为优 质的催化转换器能够使尾气中污染物排放减少9 0 0 以上。因此燃料油脱硫技术已成 为提供清洁燃料的重要技术，是保证汽车发动机清洁排放的关键技术m 。 目前已公开报道的燃料油脱硫技术很多，主要分为加氢脱硫和非加氢脱硫。其 中加氢技术是目前炼油厂普遍采用的最适用的基本脱硫技术。 炼油行业中通常将常减压蒸馏称为原油的一次加工过程，而将以轻馏分改质与 重馏分和渣油的轻质化为主的加工过程称为原油的二次加工过程c ，。原油的二次加 工过程主要包括催化裂化、加氢裂化和延迟焦化三大工艺。原油二次加工过程的思 路就是重油轻质化n ，。重油轻质化基本原理是改变油品的分子量和氢碳比，而改变 分子量和氢碳比往往是同时进行的。改变油品的氢碳比有两条途径，一是脱碳，二 是加氢。 催化裂化和延迟焦化是热加工，属于脱碳过程。这两种工艺都是单一的大分子 断裂成小分子的过程，反应过程的实质决定了这两种工艺都没有脱硫脱氮脱杂质的 功能。 加氢裂化实质是加氢和催化裂化过程的有机结合，一方面能使重质油通过裂化 反应转化为汽油、煤油和柴油等轻质油品，另一方面又可防止象催化裂化那样生成 大量焦碳，而且还可以使原料中的硫、氮、氧化合物杂质通过加氢除去，使烯烃饱 和c 1 0 。因此，加氢裂化具有轻质油收率高、产品质量好的突出优点。因此只有加氢 工艺才能适应燃油标准日益严格的发展趋势n ，。 当今美国炼油业的加氢能力已达本国二次加工过程的7 0 以上，日本甚至超过 9 0 0 4 0 ，而我国炼油业的总加氢能力只有3 0 左右m ，。相比之下，我国的加氢装置处 2 华中科技大学硕士学位论文 理能力严重不足，清洁二次加工能力明显不够，如果不尽快改变这种现状，势必将 大大限制国内汽柴油质量的提高一1 2 。因此大力提高国内炼油业的总加氢能力己势在 必行，加快加氢装置的建设步伐在当今石化行业大发展的背景下显得尤为重要m ，。 新氢压缩机是加氢装置的关键设备，加氢装置的发展历程带动了新氢压缩机的开 发与进步，新氢压缩机的制造水平也支撑并制约了加氢装置的革新与发展。因此非常 有必要对加氢装置新氢压缩机组进行全面而系统的研究，分析总结机组设计制造领域 中的问题，为加快加氢装置建设进行技术上的准备，更好地服务于绿色能源战略n 耵。 1 2 新氢压缩机组发展现状与趋势 压缩机按工作原理可划分为容积式和速度式两大类。往复活塞式压缩机属于容 积式压缩机，它能够提供较大的压比，通常应用于中小流量场合，并且工作特性与 所输送介质的分子量无关离心式压缩机属于速度式压缩机，它将流体的速度能转 化为压力能，能够提供的压比数与介质的分子量密切相关，主要应用于大流量场合。 加氢装置中，广泛采用往复活塞式压缩机作为新氢压缩机( 又称补充氢压缩机) ， 主要原因是：氢气的分子量小，这样达到相同的出口压力时所需压缩机提供的能量 头就很大，如果选用离心机会导致压缩机的级数和缸数过多，既不现实，又不经济。 因此在加氢装置中，离心式压缩机无法取代往复活塞式压缩机作为新氢压缩机使用。 往复式压缩机则无论分子量大小，都可以达到较高的出口压力，但其结构复杂、易 损件多，会给运行维护带来困难。图1 1 为新氢压缩机组的布置图。 图i - 1 加氢装置新氢压缩机机组 华中科技大学硕士学位论文 国外加氢装置新氢压缩机不仅早已大型化( 最大活塞力1 2 5 吨) ，而且对压缩机 本体及其系统的研究已进入精细化发展阶段。国外已对压缩机易损件寿命进行了广 泛的调查研究，对新材料的开发进行了大量的投入，并将迅速发展的电子技术应用 于机组设计当中。增加了完善的检测与保护系统，同时对可能引起压缩机故障的外 部系统，如管道系统、压缩机的基础、地脚螺栓等进行了系统的分析研究，使得往 复压缩机的可靠性大大提高。 在国外处于领先制造水平的压缩机制造厂商主要有：美国d r e s s e r - r a n d 公 司、意大利n o v op i g n o n e 公司和日本的m i t s u i - t h o m a s s e n 公司。 美国d l m s s e r m 埘d 公司是当今世界最大的压缩机制造厂，公司及其在世界 各地的附属公司和联营公司拥有十家生产厂和实验室它是由德莱赛工业公司和英 格索兰公司于1 9 8 7 年组建而成，1 9 9 3 年公司的年营业额已达1 2 亿美元以上。 n o v op i g n m 呃公司也是压缩机制造行业中的佼佼者。近日它为英国 m j n t s m a np e t r o c h e m i c a l s 公司制造了一台据称是当今世界上同类机型中最 大的往复式压缩机，该机型号为2 0 p k 2 ，设2 个机身2 0 个气缸，转速2 3 1 r p m ，功 率为3 3 0 0 0 k w ，由一台置于两机身之间的同步电机驱动，堪称一流。 国内从上世纪八十年代通过引进国外技术，才开始大规模的开发加氢装置用往 复压缩机。他们以沈阳气体压缩机股份有限公司为代表，主要包括上海压缩机有限 公司、无锡压缩机股份有限公司等企业。目前国内可生产最大活塞力为8 0 吨的往复 式压缩机。与国外的同类机型相比，主要存在机型小、可靠性低、易损件寿命短、 保护系统不完善等缺点，且活塞杆断裂事故时有发生，还发生过气缸端盖螺栓松动， 氢气外泄等严重事故。而且由于压缩机的无故障平均寿命短，造成机组停机频繁， 所以目前大型装置的新氢压缩机基本上选用进口设备 国内的压缩机制造龙头企业是沈阳气体压缩机股份有限公司。我国第一台大型 氢压机就是由该厂试制成功的。该厂从八十年代中期引进了德国b o r s l g 公司往复 式压缩机设计制造专有技术和瑞士a r e c o 公司无油密封元件专有技术。后来沈阳 气体压缩机股份有限公司陆续为镇海炼化提供了4 m 5 0 型新氢压缩机，为茂名石化 研发制造了4 m 8 0 大型氢压机，均开创了大型氢压机国产化的先例。 国内与新氢压缩机配套的大型防爆电机制造企业，通过自主开发和引进国外技 4 华中科技大学硕士学位论文 术，在制造水平上已可替代进口设备他们以南阳防爆集团有限公司、佳木斯电机 股份有限公司为代表。国外大型防爆电机的制造企业主要有a b b 公司、s i m e n s e 公司、g e 公司和e m 公司等。 近日，由南阳防爆集团有限公司为中国内蒙古神华集团研制了 t a w 8 8 0 0 - 2 0 3 2 5 0 增安型无刷励磁同步电动机，该电机与美国d i 也s s e r 凡蝌d 公 司生产的往复式压缩机配套，将在世界第一套达到工业化生产规模的煤炼油装置中 使用n ，该机容量为8 8 0 0 千瓦，是目前世界上最大容量的增安型防爆电机。它的研 制成功，标志着我国防爆电机的设计制造水平跃上了一个新的台阶。 现在国内在建的加氢裂化装置最大处理量已达3 6 0 万吨，年，而几年前只有1 5 0 万吨年c 埘可以预见在不久的将来，各炼化企业为了获得更好的经济效益，达到规 模经济的要求，一定会在装置的大型化上下工夫。同样道理，世界范围内对大吨位 往复式氢压机组的需求量也会进一步增大n n 。因此不断开发大吨位往复式氢压机及 其配套电机，完善并努力提高机组的运行可靠性，会越来越迫切地摆在每一位石油 建设者面前。 1 3 本文的研究内容与意义 本文在论述上将分为压缩机部分、驱动电机部分和辅机部分，最后进行全篇的 总结。在压缩机和驱动电机部分，将从参数选型和结构选型分别入手，分析关键参 数的选型原则、适用条件和应用范围，分析各参数间的关联与相互作用，比照美国 石油协会( a p i ) 标准，比照各国国际知名工程公司的项目规定及规范，参考生产中的 运行经验和教训，参考经证实的观点和理论，遵循客观性原则和系统性原则，提出 自己的理念和想法，提出推荐的选型方法和判定准则。在压缩机辅机方面，将从剖 析润滑油系统、管路系统和易损件三部分展开。论述气流脉动和管线振动的危害与 成因，提出观点和要点，总结解决的办法和途径。对于困扰压缩机的易损件问题， 将分析事故成因，提出选型经验和注意事项。在文章的结论部分，主要对文章的重 要结论进行了汇总，提炼了论文的精髓，对全文进行了全面的总结。 新氢压缩机组它是加氢装置的关键设备，其重要性主要体现在以下几方面： 第一，在工艺流程中不可替代。新氢机的作用是不断地补充反应所消耗掉的氢 华中科技大学硕士学位论文 气( 包括化学反应消耗的和溶解在油中的氢气) 以及泄漏损失的氢气如果没有了新氢 压缩机所提供的新氢，那么加氢装置也就失去了反应的物料来源和物质基础。 第二，装置的长周期稳定运行要求新氢机必须安全可靠。石化行业属于危险性 行业，要求的标准和规范较高，要求装置的不间断运行时间也较长，往往可达3 5 年。如果在生产过程中发生非计划停机，往往带来较大的经济损失。因此新氢压缩 机的运行可靠性直接影响到装置的长周期稳定操作，意义重大 第三，采购费占装置总投资额的比例大由于从国内制造水平和提高机组可靠 性的角度考虑，新氢压缩机往往选用进口设备，所以投资额较大。这就要求工程技 术人员一定要熟知专业知识，认真严谨，一丝不苟，为国家的经济建设把好关。表 1 2 是国内近期几套大型加氢装置新氢压缩机组的采购费用汇总。 表l 也部分加氢装置新氢压缩机组的采购费用汇总 装置名称机型 价格( 万美元) 制造商 某炼化企业一1 5 0 万屯，年加氢裂化装置1 4 ”b d c 五 3 2 0 ( 2 套，尤电机)口蹦美国) 某炼化企业二1 5 0 万吨，年加氢裂化装置4 h m 7 1 8 8 0 套)n p ( 意大利) 某炼化企业三3 6 0 万吨，年加氨裂化装置 6 h h e - v l - 31 1 9 0 ( 3 套)d - r ( 美国) 某炼化企业四 3 0 0 万吨，年渣油加氢装置 4 h h b v l - 46 4 7 ( 3 套，无电机)d - r ( 美国) 国内某炼油企业于2 0 0 1 年从德国某公司引进两台小型新氢压缩机，花费8 0 万 美元。由于该机压缩级数选型过少，活塞杆填料函的配置也存在问题m ，使得排气 温度严重超标，新氢气体从压缩机密封处大量泄露，机器几乎无法使用。 另有南方某炼油企业，在新氢压缩机电机试运阶段，电气控制装置失灵，致使 2 8 0 0 k w 的同步电机无法正常停车，失控运行达2 0 余分钟，幸未出现进一步的险情， 否则将危及到电机的安全，延误项目进度。 从上面的例子可以看出，作为加氢装置关键设备的新氢压缩机组的设计选型与 电气控制，是整个生产环节中的重要一环，也是最基础的工作。这项工作做不好， 将会产生严重的后果1 1 9 1 。机组的非计划停工会导致装置正常生产的中断，往往是给 国家和企业带来较大的经济损失，所以非常有必要对新氢压缩机组的设计选型和电 气控制进行深入的探讨，对在选型和控制过程中的出现的问题进行归类和总结。明 6 华中科技大学硕士学位论文 确重要环节、重要参数，总结生产实践过程中的宝贵经验，借鉴国外知名企业的设 计思路和指导准则，强调理论计算与实践经验的结合，以运行实践作为评定主观认 知的唯一标准，优化选型方案，完善控制方法，为国家的经济建设助力。 总之，对压缩机的配置方案、参数选择，结构选型、电机选型、电气控制、易 损件、辅助管道系统脉动振动分析进行思考和总结，对提高机组的运行可靠性，提 高装置运行经济性，加快发展绿色能源战略都具有重大的现实意义。 华中科技大学硕士学位论文 2 新氢压缩机参数选择 现代的压缩机按介质物性可分为工艺气压缩机和空气压缩机两大类。工艺气压 缩较空气压缩制造更为困难，这是因为工艺气处理上需注意避免泄漏、不必要的冷 凝、相变及闪蒸。不同的工艺气体，其性能参数不同，直接影响到压缩机的制造及 设计，因此工艺气压缩机通常比标准化设计的压缩机投资额大。加氢装置中的新氢 压缩机由于操作介质是氢气，属于工艺气压缩机的范畴。 压缩机按结构形式又可分为离心式( 包括轴流式) 、往复式和螺杆式。其中往复 式可细分为往复活塞式和往复 隔膜式两类，螺杆式可分为有油 和无油两种。往复活塞式压缩机 属于容积式压缩机，它能够提供 较大的压比，通常应用于中小流量 量场合，并且工作特性与所输送衰 出 介质的分子量无关。离心式压缩占 机属于速度式压缩机，它将流体 的速度能转化为压力能，能够提 供的压比数与介质的分子量密 切相关，主要应用于大流量场 合。图2 - 1 为各类压缩机的应用 范围划分。 ol o o5 0 0l o o o5 0 0 01 0 0 0 0 5 0 0 0 0 0 0 0 流量( d 哪 图2 - i 压缩机虑用范围划分 2 1 新氢压缩机的特点 新氢压缩机在工艺流程中不断地补充在反应过种中所消耗的氢气( 包括化学反 应消耗的和溶解在油中的氢气) 以及泄漏损失的氢气。它的设计参数通常为中小流量 ( 2 0 ，0 0 0 5 0 ，0 0 0 m 3 n h ) ，大压力比( 一般为8 2 0 ) ，属于往复式压缩机的应用范围。 因压缩介质为纯度9 6 - 9 9 的纯氢，且压缩比较大，通常新氢压缩机采用往复活塞式 华中科技大学硕士学位论文 压缩机，由增安型无刷励磁同步电动机驱动 在国际上，新氢压缩机的设计制造都是遵循美国石油协会a p l 6 1 8 m ，的标准及规 范。国内新氢压缩机所配电机执行的标准是g b 5 0 0 5 8 及g b 3 8 3 6 ，而g b 标准实际 上是等同采用国际电工协会( i e c ) 的标准。国外提供的驱动电机则根据设备提供者所 依照的标准，分别为按i e c 标准( 欧洲、日本等地区) 和按美国国家电气协会n e c 标 准两大类。 往复压缩机的一个优势在于其可用于无油润滑，即无油注入气缸。如果隔距件 足够长，并且充以惰性气体，则油气将不会进入气缸。如果气缸设计时隔距件不够 长，则往复部件产生的油气就可能会进入填料环，污染工艺介质。所以，对低油及 无油要求的气体介质，无油润滑往复式压缩机是较经济的选择。 中低压加氢装置为防止过量压缩机用润滑油污染反应催化剂，通常按无油润滑设计 和操作。有时为了提供设备的可靠性，延长易损件的使用寿命，也注入少量的润滑油。 但当反应压力过高，无油润滑设计和操作无法实现时，则按少油润滑设计操作。 根据装置所需的新氢量，在选择新氢压缩机时，通常有三种方案可供选择，即 2 x 6 0 的，3 x 5 0 ，2 x 1 0 0 ，三种方案的一般性对比见表2 1 。 表2 - 1 新氢压缩机的配置方案比较 方案 方案( 一)方案( 二)方案( 三) 项目 2 6 0 3 5 0 2 1 0 0 l 操作方式j e 常时2 台同时操作，一正常时，两台并联操作，正常时。一台操作，一台 台故障后，装置降量操作一台故障时，另一台投入 备用 2 备用率无备用一台备用5 0 一台备用1 0 0 3 驱动电机功率需求按总量6 0 ， 功率需求按总量5 0 ，功率需求按总量1 0 0 ， 容量中等容量最小容量最大 4 操作可靠性取决于机器质量，但由于有备用机组，故障后可迅有备用机组。故障后，可 无备用，故障装置降量速切换，保证装置处理鼍迅速切换，保证处理晕。 5 占地面积最小 最大大 在目前装置不断大型化的趋势下，新氢压缩机组在配置选型时应综合考虑机型 吨位和备用率两方面的因素。同样的操作参数，选择2 x1 0 0 的配置方案所选机型 9 华中科技大学硕士学位论文 会大于3x 5 0 配置方案。机型的选择上应适当考虑最大允许综合活塞力以8 0 吨为 限。因为最大允许综合活塞力为8 0 吨是成熟机型，大于此值会增加设备的投资且降 低设备的可靠性。如2 x1 0 0 的配置方案机型活塞力大于8 0 吨力，易考虑选用3 5 0 配置方案。2 x 6 0 负荷的配置方案投资少、经济性好，但必须以提供单机的可 靠性为前提，否则在一台机器故障时，装置需降量操作 恒速电机驱动的氢压机流量控制通常由吸气阀卸荷、余隙腔、余隙腔和卸荷器 的组合和旁路调节控制组成m 。通过入口卸荷可使第一级为二列布置的机器实现0 、 2 5 、5 0 、7 5 、1 0 0 的排量控制，对第一级为一列布置的机器可实现o 、5 0 、 1 0 0 的排量控制。入口卸荷调节简单可靠，多用于机组的启停卸荷，此方式对卸荷 的顺序有一定要求，应用时需注意。余隙腔可由气动或手动两种方案选择，一般可 减少1 0 - - 2 0 排气量，具体视一级气缸的压力比而定。设置固定式或可变式余隙腔时 如果不是每级都设置，会引起级问压比的变化，需进行受力核算。此种调节方式可 节省功耗，提高运行经济性。但安装精度要求高，可靠性稍差，故障时会引起流量 的变化并影响入口温度，选用时应权衡。新氢压缩机一般可由余隙腔与卸荷器配合 使用以达到最大的工艺控制的灵活性，减少内旁路引起的功率损失。为了使操作中 当运行余隙腔调节及入口卸荷调节时，压缩机级压缩比能保持在设计值，新氢压缩 机还需设置旁路调节控制系统。旁路调节分为逐级返回和大返回两种，目前应用较 广，但会产生旁路的功率损失。 目前贺尔碧格推出一种h y d r o c o m 无级气量调节系统，该系统可实现压缩机流 量2 0 1 0 0 的无级调节。零负荷用于压缩机的启停机。该系统投用后，可由加氢 装置反应压力自动控制压缩机负荷，省去了其它流量调节方法，简化了操作，减少 了劳动强度，减少了功率消耗。但单一次性投资较大，必要时可进行经济性比较( 一 般以2 3 年为回收年限) 1 0 1 0 2 2 结构形式选择 往复式压缩机工作时的受力可分为两大类：外力和内力。其中外力是指基础、 支撑件以及驱动机与压缩机之间的作用，它主要涉及压缩机的工作平衡性和均衡性， 这与压缩过程中惯性力和惯性力矩的平衡、驱动力矩和阻力矩的均衡相关。而内力 1 0 华中科技大学硕士学位论文 是指压缩机在压缩过程中其内构件间的相互作用，主要涉及压缩机的工艺及结构参 数，与内构件的强度设计等相关。 大型往复式压缩机从结构形式上可分为对称平衡型( 对动型) 和对置型两大类， 它们的曲轴布置形式不同，详见图2 2 所谓对称平衡型压缩机，就是气缸为水平布置，且布置在曲轴的两侧，相邻的 两相对列曲柄错角为1 8 0 。常用的有两列对称平衡型和四列对称平衡型。四列以上 的对称平衡型压缩机又可分为m 型与h 型，h 型电机设置在两个机身之间，其优点 是列间距较大，便于操作检修。机身和曲轴的结构和制造较简单。缺点是列数只能4 、 8 、1 2 列配置，所以变型不如m 型方便，两机身的安装找正较困难n ，。 图2 - 2 压缩机曲轴布置形式 两列对称平衡型压缩机，一阶二阶往复惯性力、旋转惯性力均可以平衡，旋转 惯性力矩也可以用平衡质量加以平衡。同时由于气缸布置在曲轴的两侧，列间距可 以设计的较小，所以一阶二阶往复惯性力矩不大，对机器的影响也就很小。四列对 称平衡型压缩机，可以使两列对动曲拐之间错开合适的角度，以达到不仅惯性力平 衡，而且惯性力矩可以平衡。 由于在设计中要减小列间距值，以此来降低惯性力矩，所以对称平衡型压缩机 的支撑轴承常布置在对动曲拐的两侧。这一点不同与对置型压缩机，对置型压缩机 支撑轴承布置在单曲拐的两侧，而由此增加的惯性力矩值可通过奇数列的曲拐布置 形式进行弥补。 对称平衡型压缩机的结构难点在于切向力的均匀性较差，需要配备较大的飞轮， 以减少速度的不均匀性。此类机型国内较有代表性的是沈阳气体压缩机厂的2 d 系列 和4 m 系列压缩机。其中4 m 8 0 型两对动曲拐之间夹角为9 0 度，这样可以减少切向 华中科技大学硕士学位论文 力的波动，提高负荷的均衡性 所谓对置型压缩机，就是气缸为水平布置，并布置在曲轴的两侧，相邻的两相 对列曲柄错角为不等于1 8 0 。对置型压缩机的气缸布置与对动型相似，区别在于相 对列的活塞运动不对称它包括几种形式：曲轴两侧相对的气缸中心线在一直线上； 两对置列的连杆置于同一曲拐上；各列有单独的曲拐和运动机构，拥有奇数列曲拐， 并曲拐错角在3 6 0 度内均匀分配，但这种形式曲轴制造较困难n ” 加氢装置常用的为最后一种类型。这种机型一阶往复惯性力、旋转惯性力可以 平衡，旋转惯性力矩也可以用平衡质量加以平衡。而二阶往复惯性力和一阶二阶往 复惯性力矩不能平衡美国d r e s s e r - r a n d 公司设计制造的3 h h e - v l - 3 型压缩机 就为此类三列气缸，三级压缩，曲柄错角0 = = 1 2 0 0 。此种机型机身与曲轴的刚性比 对称平衡型好。惯性力的平衡较差，但切向力的均匀性较好，支撑轴承布置在单曲 拐的两侧，轴承的数目较多，机身和曲轴的制造精度相应地要求较高。 2 3 机体等级确定 对称平衡型和对置式压缩机的机体一般由机身和中体组成。根据给定的操作参 数、气体特性、气阀损失和各种工况就可以确定气缸尺寸、各级压力比、活塞平均 速度( 转速与行程) ，计算活塞杆的综合负荷和气体负荷，选择制造厂的标准机体等 级( 尺寸) 。 按a p l 6 1 8 的要求，机体等级( 尺寸) 的选择应遵循下列规定： 1 ) 活塞杆的综合负荷是气体负荷、惯性力和往复摩擦力的代数和。气体负荷是 由作用于活塞两侧的气压差产生的力。而惯性力是由往复运动物体的质量加速度产 生的力。对于运动部件( 活塞、活塞杆、十字头组件、连杆、曲轴和轴承) ，压缩机在 任一规定的工况运行时，其活塞杆的综合负荷不应超过制造厂提出的活塞杆最大许 用综合负荷。对静止部件( 机身、中体、间隔室、气缸、缸盖和连接螺栓) ，压缩机在 任一规定的工况运行时，其活塞杆的气体负荷不应超过制造厂提出的活塞杆最大许 用气体负荷。 2 ) 活塞杆的综合负荷和气体负荷应按每级排气安全阀的设定压力和每一工况 规定的最低进口压力计算。 1 2 华中科技大学硕士学位论文 3 ) 综合活塞力是设计中的重要数据。由于在内、外止点时合成气体力的方向往 往与惯性力方向相反因此，在内、外止点时，综合活塞力往往小于最大气体力。 在正常工作时，活塞受综合活塞力的作用。若压缩机满负荷突然在止点位置停车， 此时惯性力、往复摩擦力为零，活塞杆受力最大，故以止点位置的最大气体力作为 零件强度设计的依据为了合理利用材料的强度，希望惯性力的最大值不要超过最 大气体力，否则需以最大惯性力来计算零件强度。例如机器在空负荷运行时，运动 零件只承受惯性力和往复摩擦力的作用。 4 1 通常要求活塞杆负荷不超过机身设计的连续操作负荷的9 0 。当使用变频调 速或单独改变机器转速时，必须进行瞬时扭转分析，以避免在某个转速下活塞杆负 荷过大而损坏。 5 ) 由于要考虑安全阀起跳时的延迟效应，通常要求安全阀工况下的活塞杆负荷 不超过许用值的9 0 。 根据确定的气缸尺寸及各级压力比和转速就可以计算出各级的综合活塞力( 包 括拉力及压力) 及所需功率，据此可以选择标准的机架尺寸。 表2 - 2 美国d r 公司h h e 型的标准机架数据 机架型号 v bv cv ev gv kv lv m 额定功率k w 5 6 m v 2 3 5 08 4 0 0 1 9 01 0 6 0 0 8 2 0 1 7 0 s 5 2 2 03 4 1 5 7 7 5 55 4 7 0 - - 1 3 6 8 08 0 0 0 2 4 0 0 0 转速m a xr m i n 6 0 05 1 45 1 44 0 04 0 04 0 03 2 7 行程m m 2 4 5 3 0 52 9 7 0 0 52 9 7 3 0 53 5 6 3 8 l3 5 6 3 引4 0 63 5 6 3 8 1 4 0 63 9 4 曲柄拐数 i - - 6i - 6 1 , 6l 82 82 82 8 表2 - 3 意大利n u o v op i g n o n e 公司h 型机架的数据 机架型号 h ah bh dh eh fh g 额定功率k w 8 0 0 1 6 0 01 2 5 0 0 7 5 02 3 0 0 - 9 4 4 0 3 8 0 0 1 9 0 0 04 5 0 m 之2 5 0 07 0 0 0 3 5 0 0 0 转速m a xr m i n 1 2 0 08 0 07 0 06 0 04 8 0 4 3 0 行程m m 1 8 02 l o 2 3 02 4 m 一2 8 02 4 0 3 3 03 2 m 4 2 0 3 6 4 5 0 曲柄拐数 2 - 42 一62 82 一l o2 1 02 - - l o 华中科技大学硕士学位论文 表2 - 2 、表2 3 分别为美国d r 公司和意大利n u o v op i g n o n e 公司的标准机架数 据，而我国习惯以活塞力作为机架系列的分类标准，有l ，2 ，3 ，5 ，5 5 ，8 ，1 2 ， 1 6 ，2 2 ，3 2 ，4 5 吨十个等级由于制造厂设计和制造的标准化，按实际计算值选择 机架尺寸时，应有足够的余量，一般认为有1 0 2 0 即可。 2 4 重要参数选择 对压缩终了温度有特别限制的气体压缩机，为了保证压缩机安全和长周期运行， 就要优先按温度的限制来选择所需的级数。对新氢机出口温度的限制，主要是考虑 到氢气的滑移性。因为氢气和空气相比具有较大的滑移系数，在压缩过程中，易通 过活塞环泄漏，造成温度的升高，并降低了容积效率。表2 _ 4 是常用工艺气体出口 温度限制范围。 表2 - 4 常用工艺气体出口温度限制范围 序号气体温度限制范嗣限制原因 l 氢气 1 3 5 提高可靠性 2 石油气 9 6 一l l o 防止聚合结焦 3乙烯 9 0 - - , 1 0 0 防止聚合 4 乙炔 9 0 防止爆炸 5稀乙炔 1 2 0 防止爆炸 6 氯气 1 7 2b a r 材料 灰铸铁球墨铸铁铸钢锻钢 h t 2 0 _ 4 0 q t 4 5 - 5 z g 3 5 #3 5 # 常用牌号 h t 2 5 - 4 7 q t 6 0 - 2 z g 4 5 #4 5 # a 2 7 8a 3 9 5a 2 1 6a 6 6 8 a p l 6 1 8 中2 1 1 6 规定，如果压缩机的任一气缸要长时间部分卸荷或完全无负荷 工作，买卖双方应采取措施防止在气缸发生液击和热故障( 例如，可采取周期性的短 时加载) 。 新氢压缩机的气缸要求水平布置，进、排气阀的位置应为上进下出。这种布置 方式有利于压缩机在工作状态下顺利地排液，以免在气缸中产生液击，损坏气缸。 对于压缩机卸荷操作和采用平衡腔的气缸形式，应避免液击和热故障。特别是当采 用平衡腔的结构形式时，应加以注意。 平衡腔的结构常用于小型的压缩机上，由于工艺流量较小，选用隔膜式压缩机 又较困难时采用。通常有两种方案：第一，工作腔在盖侧，平衡腔位于轴侧，采用 排气压力平衡。第二，工作腔在轴侧，平衡腔位于盖侧，采用进气压力平衡。这两 种方案涉及的问题都是要确保达到a p l 6 1 8 标准要求的反向角大于1 5 。的要求。由于 机型较小，活塞杆的截面积占气缸截面积的比例较大，所以在盖侧平衡腔只有采用 进气压力作为平衡气，在轴侧平衡腔只有采用排气压力作为平衡气，这样反向角才 有可能得到保证。 应当注意：在盖侧平衡方案中，平衡口位于气缸上方，而原来的排气口被封闭。 2 4 华中科技大学硕士学位论文 在轴侧平衡方案中，平衡口位于气缸下方，而原来的进气口被封闭依据以上气缸 设计的原则，由于在盖侧方案中位于下方的排气口被封闭，积液无法排出气缸，可 能会产生液击，损坏气缸。而且气缸中积累的热量还会影响到气体的进气温度。但 在轴侧方案中位于下方的排气口畅通，就不会产生液击。 因此以排气压力为平衡气的方案优于以进气压力为平衡气的方案。清江石油公 司煤油加氢装置的新氢压缩机在选型时就遇到了此类问题。外商第一次的报价为： 平衡腔位于盖侧，采用进气压力平衡方案。该案不符合a p i 相关标准的设计思路， 存在隐患。后与外商反复磋商更改方案为平衡腔位于轴侧，采用排气压力平衡。从 后来运行实践证明，以排气压力为平衡气的方案运行是可靠的，此案对此类机型的 选择具有很大的借鉴意义 3 ) h 2 s 气体对材料选取的影响 a p l 6 1 8 中2 1 1 6 规定：暴露在h 2 s 气体中的所有材料根据n a c em r o1 7 5 规 定的要求选材。适用n a c e 要求的部件至少应包括：所有承压部件( 气缸、缸盖、 余隙腔、阀盏) ，气缸内的全部部件( 活塞、活塞杆、气阀、卸荷阀、紧固件) ，间 隔室内的全部部件( 填料函、填料、紧固件) ，其它除机身紧固件以外的外部紧固件。 适用n a c e 要求的外部紧固件应包括：气缸外部承压部件的紧圃螺栓( 例如阀盖、 卸荷阀、缸盖、余隙腔、管线) ，联结气缸与间隔室的紧固螺栓，联结间隔室间的紧 固螺栓，联结间隔室与中体的紧固螺栓，联结中体与机身的紧固螺栓，以及联结间 隔室与其盖板的紧固螺栓。 n a c em r o1 7 5 9 7 中1 3 1 1 条款规定，当酸性气体的全压大于0 4 m p a ( 6 5 p s i a ) 或h 2 s 的分压大于0 0 0 0 3 m p a ( 0 0 5 p s i a ) 时，选材时应考虑抗硫化应力开裂的材料。 当酸性气体的全压小于0 4 m p a ( 6 5 p s i a ) 或h 2 s 的分压小于0 0 0 0 3 m p a ( 0 0 5 p s i a ) 时，选 材无须执行n a c em r o1 7 5 9 7 。 n a c em r o1 7 5 9 7 第三部分关于铁基材料中规定： ( 1 ) 碳钢和低合金钢 最大洛氏硬度不超过2 2 的碳钢和低合金钢当满足如下要求时可以应用于酸性环 境。 成分中的n i 含量小于1 。 华中科技大学硕士学位论文 冷加工后应永久变形大于5 的材料应进行去应力措施。 不能采用免机加工钢。 采用了回火、淬火、退火等热处理措施。 ( 2 ) 铸铁 灰口铁、白口铁、奥氏体铸铁不能用于承压部件的制造，如果用户同意， 它们可以用于内构件的制造。 如果a p i 允许，允许采用可锻铸铁a s t m a 3 9 5 。 ( 3 ) 奥氏体不锈钢 铸造或锻造的奥氏体不锈钢当退火后最大硬度不超过h r c 2 2 ，且可避免采用冷 态环境以增强其机械性能时，参照标准中的型号，可以应用于酸性环境。有些奥氏 体不锈钢，当满足要求后许用硬度可达h r c 3 5 ，详见该标准。 ( 4 ) 铁素体不锈钢 铁素体不锈钢当退火后最大硬度不超过h r c 2 2 ，满足第五部分的要求，参照标 准中的型号，可