一氧化碳压缩机改造成氢气压缩机实例分析
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摘 要：文章介绍了某公司一氧化碳压缩机改造成氢气压缩机的方案，包括改气缸直径的方案和增设自动无级余隙调节系统的方案，对于此项目增设低排量自动无级余隙调节系统的方案投入更低、生产周期更短、运行成本更低，为往复式压缩机改造提供了一种新的选择。
关键词：压缩机；改造；余隙调节
中图分类号：TH45 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）11-0082-02
由于科学技术的发展，科学技术展现出社会化的特点，企业与企业之间在信息、资讯、技术上的差别越来越小，因此，企业生存就取决于发展方向以及发展速度。现在是高效率的时代，没有高效率，企业就可能错过大好良机。某A公司工艺升级、产业转型，需要新增活塞往复式氢气压缩机，需求气量约为1400Nm3/h，未来需求气量随工艺特点可能在1000～1800Nm3/h之间变化，并且希望在4个月内开工生产，氢气压缩机设计参数见表1。
同时，A公司乙苯装置一氧化碳压缩机处于闲置状态，如果利用一氧化碳压缩机原有厂房，重新设计安装新压缩机，费用很高，预计生产、安装及调试周期需要8个月时间。如果能对一氧化碳压缩机进行简单的改造，并且能够完全适应氢气压缩机工况，则可以为A公司节省大笔的设备费用和大量的时间，带来巨大的经济效益。一氧化碳压缩机设计参数见表2。
1 改造方案
根据表1和表2的数据计算分析，一氧化碳压缩机是具备改造成氢气压缩机可能性的。其中可利旧使用的零部件为：基础件，包括机身、曲轴、连杆、十字头、飞轮部件等；稀油站；大部分电气、仪表及自控系统，其中工艺气就地压力表需少量改造；油、水管线部分；主机基础尺寸保持不变，局部位置少量调整。
关于改造部分，首先由于排气压力的不同，氢气压缩机仅需3级压缩即可达到所需压力，所以一氧化碳压缩机需要拆除四、五级气缸，同时更换新的配重用十字头部件和中体部件，用于平衡曲轴受力；又由于压缩机功率减小，需要更換适应现有功率的电动机，提高电机使用时的效率，降低运行成本；还需要拆除四、五级缓冲器、分离器、冷却器，将三级出口管线短接到总出口管线。
1.1 改气缸直径方案
由于排气量的不同，所以一氧化碳压缩机需要更换一、二、三级气缸部件，缩小气缸缸径，以适应变小的气量；由于缸径缩小，就需要更换活塞体部件、气阀部件；由于气缸对接口尺寸和位置的变化，需要同时更换进气缓冲器和排气缓冲器。气缸及缓冲器基础尺寸需按原一氧化碳压缩机组设计，气缸支承、缓冲器支架和地脚按照原基础尺寸设计。
1.2 增设自动无级余隙调节系统方案
根据氢气压缩机工艺参数核算，该机组可以保证在基础件及气缸不变的情况下进行增设自动无级余隙调节系统（简称余隙调节系统）的改造。经过计算，原机组满负荷100%气量时，可压缩2400Nm3/h氢气。在气缸盖侧安装普通余隙调节系统，可实现气量调节范围为60%～100%，即流量范围为1440～2400Nm3/h，并不能完全满足A公司流量范围为1000～1800Nm3/h的要求。A公司要求的实际负荷范围为41.6%～75%，利用专利《一种往复式压缩机低排量余隙调节系统》（专利号：201821270586.3）技术可以满足这一要求，即在压缩机气缸轴侧增加固定余隙降低整机25%的负荷，配合普通余隙调节系统，最大可实现气量调节范围35%～75%，本机按照40%～75%设计。通过对机组空间结构的分析，最终采用更换带固定余隙的一、二、三级后半活塞的方案进行改造。
采用增设余隙调节系统方案（见图1和图2），则本机气缸体、缓冲器、气阀及活塞等大部分零部件可以利旧使用，仅需更换气缸缸盖、后半活塞体部件和增设余隙调节系统，其中每套余隙调节系统包括：3套执行机构、1套管线系统、1套电缆系统，由于A公司厂内原有的液压系统可以用来驱动执行机构，且具备DCS控制系统，所以余隙调节系统不需要额外配套电液控制系统，所以这个方案的设备改造费用比“改气缸直径方案”还要更低。
（1）方案对比。由于活塞式压缩机为定制的定量设备，主机本身不具备无级气量调节功能，按改气缸直径方案改造后，氢气压缩机可通过打开三回一阀门的方式进行无级气量调节，可实现气量1000～1800Nm3/h之间调节。回路调节的缺点是无法省功，回流量越大，电能浪费越多。若氢气压缩机设计为额定负荷1800Nm3/h，但是长期在1400Nm3/h负荷运行，如表3中方案一和方案二所示，按电价0.6元/度、年运行时间8000小时计算和“年电费=功率×电价×年运行时间”计算，方案一比方案二多使用17.5万元/年的电费。方案二也存在当流量较大时，需要同时开两台压缩机才能满足气量需求的问题。
对比表3中的方案一和方案三，因为气缸缸径相差不大，压缩机轴功率几乎相等，可以忽略不计，可以明显看出方案三优于方案一。
对比表3中的方案二和方案三，压缩机轴功率差值为3.1kW，是因为气缸缸径相差较大，压缩机活塞的摩擦功相差较多，所以如果气量始终处于1400Nm3/h工况时，改造缸径方案更节能，采用余隙调节方案耗能会增加2%，但是在实际生产过程中，气量恒定几乎是不能的，所以采用方案三，对实际生产的意义更大，自动无级气量调节的功能可以最大限度的节约电能，更符合A公司的要求，所以方案三也优于方案二。
（2）余隙调节系统其它特点。余隙调节系统方案，由于不需要更换气缸部件和压力容器，改造内容较少，现场安装施工费用最低；生产周期也仅需3个月，考虑电机需要4个月的生产周期，总体可以控制在4-5个月完成全部安装调试工作，基本满足A公司要求；原有压缩机备件、易损件可以利旧使用，不需要更换，这是它的优点；对比改缸径方案，缸径减小后，易损件价格会比余隙调节方案降低一些，余隙调节的密封圈属于新增的易损件，这是它的缺点。
余隙调节系统由于是低速运动的系统，所以可以直接采用DCS作为主控系统进行控制，会根据确认的主控变量对压缩机排量进行自动控制或通过PID调节回路手动给定压缩机排量，余隙调节系统可自动跟踪并稳定此值并自动调节级间压力。
必要时可以对压缩机及其管路系统进行声学脉动振动计算，应严格按照API618中的第三种近似方法进行，并符合API618附录M中M2至M8的步骤，对各气缸、各缓冲器、级间冷却器、级间分离器、工艺气管线和包括从压缩机入口上游第一个大容器始至压缩机出口下游第一个大容器止在内的所有的主支管线和旁路管线。声学脉动计算应包括满负荷工况和各种部分负荷工况、各种气体条件以及单机运行、双机并联工况。
同时要注意对要利旧的零部件进行检查，并准备一些常用易损备件，为顺利开工保驾护航。
2 结语
压缩机改造项目可以为企业节约大量的设备成本和时间成本，但是也由于改造项目存在一定的风险，改造前应进行充分细致的技术交流和技术分析，选择成熟方案，降低改造风险。自动无级余隙调节系统具有改造容易、性价比高、安全可靠的特点，为往复式压缩机改造提供了一种新的选择。
参考文献
[1] 郁永章，姜培正，孙嗣莹主编.压缩机工程手册[M].中国石化出版社，2011.
[2] 赖通荣，游碧龙.炼油装置往复式压缩机余隙容积自动无级调节及节能改造[J].石油化工设备技术，2010，31（06）：41-43+25.
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