6M50-305/314H型氢氮气压缩机扩缸取消平衡段改造

Cylinder Diameter Enlargement and Removing Balancing Stage Renovation of 6M50-305/314H Hydrogen Nitrogen Mixture Compressor

徐迅 Xun XU , 占峰 Feng ZHAN , 曹磊 Lei CAO , 李晓楠 Xiaonan LI

浙江晋巨化工有限公司浙江衢州 324004 Zhejiang Jinju Chemical Co., Ltd. Zhejiang Quzhou 324004

Author notes:

{ label (or @symbol) needed for fn[@id='fn1'] } 本文作者的联系方式：zhanfeng1989@126.com

摘要：

针对6M50-305/314H型氢氮气压缩机高压段填料密封和活塞环存在的问题，采取了扩缸及取消平衡段的改造措施。改造后，提产增效，单台压缩机年增效益79.6万元；减轻了扩缸改造对活塞力的影响，延长了活塞环及活塞杆的使用寿命，提升了设备的运转率，达到了高产、稳产、节能的目的。

关键词：

氢氮气压缩机; 平衡段; 扩缸; 改造;

Abstract：

In connection with problems of 6M50-305/314H hydrogen nitrogen mixture compressor such as packing seal and piston ring at high pressure section, transformation measures of cylinder diameter enlargement and removing balancing stage are taken. After the revamp, production and benefit are promoted, a single set of compressor increases benefit 796 000 yuan; the impact of cylinder diameter enlargement reform on piston force is reduced, the service life of piston ring and piston rod is prolonged, the operation rate of equipment is improved and the aims of high and stable production, and energy efficiency are achieved.

Keyword：

hydrogen nitrogen mixture compressor; balancing stage; cylinder diameter; enlargement renovation;

压缩机平衡段起源于前苏联的Г型和Л型压缩机，随着压缩机制造能力的不断提高，多列平衡式压缩机已成为主流。目前，国内压缩机制造工艺解决了高压段填料密封和活塞环的问题，其中扩缸及取消平衡段的改造有利于节能增产^[1]。

浙江晋巨化工有限公司(以下简称晋巨化工公司)现采用的6M50-305/314H型氢氮气压缩机为动力平衡的6列对称平衡M型6级压缩机，其一、二、三、四、五级气缸为双作用结构，六级气缸为盖侧单作用结构，各级气缸均独占1列。六级气缸的机身侧为平衡段，平衡段出口缓冲器接至六级套管式水冷器出口。当1列中有几个级时，一般设计为差级式气缸，平衡段作为补偿高低压级活塞面积差值所带力的不平衡而设计。压缩机带上平衡段就会增加泄漏量，且压缩机内的密封件包括活塞环、填料、气阀等都存在一定泄漏，平衡段的泄漏实质为活塞环泄漏。鉴于该6M50型氢氮气压缩机四、五、六级打气量有扩大的需求，结合六级平衡段问题，晋巨公司决定取消平衡段，对四、五、六段缸体进行扩缸改造，并增加五、六段尾杆。

1 尾杆对压缩机的影响

参照石家庄炼油厂加氢车间大加氢装置压缩机的改造案例，其采用PBL公司经典机型4D3+R，改造后的五、六段活塞两端均设有活塞杆。盖侧的活塞杆称为尾杆，即在循环端活塞杆上增加1节尾杆，外带尾杆填料，平衡了循环端的前后级差，增大了反向角，降低了活塞力，从而减小了活塞力对曲轴的影响。活塞受力面的比压为气缸排压，活塞力不会单纯变化，它与排压与活塞做功面积有关。尾杆的设计是为了缩小盖侧力与轴侧力的差，越是高压级，尾杆缩小盖侧力与轴侧力差的作用就越为明显。

2 改造前设备状况

改造前氢氮气压缩机参数见表 1，结构示意见图 1。

表 1

改造前氢氮气压缩机参数

项目	轴侧力/kN	盖侧力/kN	轴功率/kW
一级	338	344	782.8
二级	324	337	777.7
三级	303	339	774.3
四级	278	362	783.0
五级	215	437	795.5
六级	239	388	837.1

图 1

改造前氢氮气压缩机结构示意

由表 1可知，改造前总轴功率约为4 750 kW。

3 改造内容

对压缩机四、五、六级缸体进行扩缸，增加尾部支撑并取消平衡段，压缩机原基础传动部件、辅机及一、二、三级缸体保持不变，要求改造后的压缩机技术性能、安全性、可靠性保持不变。

具体改造内容：①四级缸内径由Ф 350 mm扩大至Ф 370 mm，五级缸的内径由Ф 230 mm扩大至Ф 260 mm并带尾部支撑，六级缸的内径由Ф 195 mm单作用改为Ф 190 mm双作用并带尾部支撑；②五、六级改造成贯穿活塞杆结构；③五、六级后增加填料组件及导向套、接筒部件；④六级增加1组进、出口气阀，取消六级平衡段；⑤四、五、六级气缸改为无油润滑设计，少油润滑操作。改造后氢氮气压缩机参数见表 2，结构示意见图 2。

表 2

改造后氢氮气压缩机参数

项目	轴侧力/kN	盖侧力/kN	轴功率/kW
一级	338	344	783
二级	324	337	778
三级	303	339	775
四级	284	362	854
五级	379	379	952
六级	207	207	666

图 2

改造后氢氮气压缩机结构示意

由表 2可知，改造后总轴功率为4 808 kW。

4 改造效果

4.1 计算公式

根据各段轴功率的变化并结合压缩机气缸泄漏的影响因素，在双作用的气缸中，除气阀外，活塞环的泄漏量最大，其量取决于两端的压差Δp。

图 1

$ \Delta p = {p_{\rm d}} - {p_{\rm s}} $

式中：p_d——排气压力，MPa；

p_s——进气压力，MPa。

图 2

$ \Delta p = {p_{\rm d}} - {p_{\rm s}} $

图 3

$ \Delta p = {p_{\rm d}} - {p_{\rm s}} $

4.2 改造前后效果对比

4.2.1 改造后

若改造后的四级进气和排气压力分别为1.62 MPa和4.50 MPa，根据式(2)和式(3)，可得出改造后四级活塞环和填料的泄漏量分别为0.738%和0.083%。由表 2可知，活塞环四级轴功率为854 kW，则活塞环的泄漏功耗=854×0.738%=6.303(kW)，填料的泄漏功耗=854×0.083%=0.709(kW)。同理，可计算出改造后各级活塞环及填料的泄漏情况，结果如表 3所示。

表 3

改造后各级活塞环及填料泄漏情况

项目	一级	二级	三级	四级	五级	六级
活塞环泄漏量/%	0.375	0.517	0.623	0.738	0.852	0.855
填料泄漏量/%	0.014	0.043	0.064	0.083	0.103	0.113
各级泄漏总量/%	0.389	0.560	0.687	0.821	0.955	0.968
活塞环泄漏功耗/kW	2.936	4.022	4.828	6.303	8.111	5.694
填料泄漏功耗/kW	0.110	0.335	0.496	0.709	0.981	0.752

由表 3可知，改造后一至六级活塞环泄漏总功耗为31.894 kW，填料泄漏总功耗为3.383 kW。

已知改造后压缩机进、出口压力无明显变化，根据扩缸后缸体内径变化以及改造前一段进口压力在12 kPa时的打气量为305 m³/min(标态)，在实际气缸进、出口工艺气体同温、同压且各级气缸余隙不变的条件下，可得出改造后的打气量约为340 m³/min(标态)。去除各段泄漏后，改造后的打气量为340×(1-一级泄漏总量)×(1-二级泄漏总量)×(1-三级泄漏总量)×(1-四级泄漏总量)×(1-五级泄漏总量)×(1-六级泄漏总量)=325.38 m³/min(标态)。

4.2.2 改造前

根据表 1参数以及式(2)和式(3)，可计算出改造前各级活塞环及填料泄漏情况，结果如表 4所示。

表 4

改造前各级活塞环及填料泄漏情况

项目	一级	二级	三级	四级	五级	六级
活塞环泄漏量/%	0.375	0.517	0.623	0.733	0.855	0.854
填料泄漏量/%	0.014	0.043	0.064	0.082	0.103	0.113
各级泄漏总量/%	0.389	0.560	0.687	0.815	0.958	0.967
活塞环泄漏功耗/kW	2.936	4.022	4.822	5.737	6.805	7.145
填料泄漏功耗/kW	0.109	0.334	0.496	0.643	0.819	0.944

由表 4可知：改造前一至六级活塞环泄漏总功耗为31.467 kW，填料泄漏总功耗为3.345 kW。

同理，根据表 4改造前运行功率最低时去除各段泄漏后的实际打气量为291.89 m³/min(标态)，泄漏量约为13.11 m³/min(标态)。晋巨化工公司6M50机六级平衡段并非级间平衡段，故改造前六级泄漏总量理论上不会比改造后的双作用六级缸大。

4.2.3 改造前后对比

(1) 改造后，单位时间泄漏所消耗的轴功率较改造前增加：31.894+3.383-31.467-3.345=0.465(kW)。

(2) 改造前，运行功率最低时的打气量为291.89 m³/min(标态)，折合17 513.4 m³/h(标态)，按吨氨消耗半水煤气3 300 m³(标态)计，折算成氨生产能力为5.307 t/h，则单机吨氨电耗为895.04 kW·h。改造后，运行功率最低时打气量为325.38 m³/min(标态)，折合19 522.8 m³/h(标态)；受一、二、三级气缸未进行扩缸改造的限制，总体打气量下降5%，即309.11 m³/min(标态)，折合18 546.6 m³/h(标态)，折氨生产能力为5.620 t/h，则单机吨氨电耗为855.52 kW·h。

5 结语

(1) 改造后，单机吨氨电耗下降39.52 kW·h。按年运行时间8 000 h、压缩机运行率89.6%、电费0.5元/(kW·h)计，则单台压缩机改造后全年估算可产生的效益约为79.6万元。

(2) 改造后，消除了压缩机六级平衡段所带来泄漏量的无用功耗，在设备扩缸改造的同时降低了吨氨工艺气泄漏功耗。

(3) 因活塞力得到改善，故延长了各运动部件的使用周期，同时减轻了压缩机的振动，使压缩机运行更加平稳，提升了设备的运转率，达到了高产、稳产、节能的目的。

ckwx 参考文献

范建军.合成氨压缩机中的平衡段[J].海峡科学, 2011(3):28-30.