干式螺杆压缩机在芳烃干气压缩中的研究与应用

刘剑锋

（中国石化天津分公司，天津300271）

1 引言

无油工艺螺杆压缩机由于同时具备容积式与回转式压缩机的特点[1]，可靠、耐脏、维护方便、适应性强，因此被广泛的应用于矿山、化工、动力、冶金、建筑、机械、制冷等工业部门[-2]。根据工艺要求，无油工艺螺杆压缩机分为湿式压缩机和干式压缩机，干式螺杆压缩机运行过程中无需向腔内喷液冷却，并采用可靠的密封系统将工艺气和润滑油系统完全隔离开来，适用于工艺气不能被污染的场合，可确保压缩过程中工艺气体的绝对纯净。

干式螺杆压缩机转速较高，对轴承和轴封要求较高。同时，干式压缩机在壳体上设水夹层以降低压缩气体温度。根据压缩介质的不同，干式压缩机单级压比可以达到2～3.5，通过两级或多级串联可以达到6以上。目前主要应用的压缩场合主要有氯乙烯（VCM）、丁二烯（DMF法） 等。

2 芳烃干气压缩的工艺介绍

目前，拥有芳烃生产全套工艺技术的专利商为美国UOP和法国IFP两家，国内企业中除镇海炼化与大连福佳大化采用IFP工艺外，其余厂家均采用UOP工艺。UOP工艺芳烃联合装置通常包括催化重整、芳烃抽提、二甲苯分离、歧化及烷基转移、吸附分离和二甲苯异构化等装置。其中，歧化工艺气体装置与异构化工艺脱庚烷装置将产生部分干气，这部分气体中主要组分为乙烷和甲烷，可增压输送至乙烯裂解单元，这样比将干气并入燃料气系统产生更高的经济效益。

图1示出LG22/0.25-1.0芳烃干式螺杆压缩机工艺气系统流程。来自歧化异构化装置的尾气经入口过滤器进入干式螺杆压缩机压缩至1.0 MPa（G）后，冷却至40℃送至乙烯裂解单元。

为控制设备噪声，干式螺杆压缩机出入口均安装消声器；为稳定入口压力，在冷却器出口和螺杆压缩机入口之间设有循环回流调节阀。

（1） 气体特点

芳烃干气来自歧化和异构化装置的尾气。尾气中主要以乙烷、丙烷为主，同时含有一定量的氢气和碳4组分，详细的组分如下表1所示。

图1 L G 22/0.25-1.0芳烃干气压缩机流程图

表1 芳烃干气组成

根据上表，芳烃干气的平均分子量约为35.5，气体的绝热指数约为1.16。该气体物理性质可推断，气体的泄漏声速较低，表明无油干式压缩机的内泄漏量较小，因此在压缩过程中能够保证较高的容积效率。同时，由于绝热指数低，意味着气体压缩过程中较不易发热。这些性质决定了芳烃干气压缩可以在较高的压比范围内实现干式压缩，而不至于排气温度过高导致压缩机转子咬合。

（2） 工况特点

歧化、异构化装置所泄放的尾气带有一定的压力，需经压缩机提压后进入乙烯裂解单元。压缩机的具体操作工况如表2所示。

根据表2所示，压缩机的进排气压比为3.14，进排气压差为0.75 MPa（G）。相应的吸气量在螺杆压缩机的适用范围内。

表2 操作工况

3 芳烃干气螺杆压缩机的关键技术

LG22/0.25-1.0芳烃干气螺杆压缩机的主要机型参数如表3所示。

表3 机型参数

3.1 内容积比的设计

内容积比是螺杆压缩机的重要参数。理想情况下，螺杆压缩机内容积比的设置应保证内压力与排气压力一致，当内外压力不相等时将造成额外的功率损耗。在干式螺杆压缩机中，额外的功耗将全部施加于工艺气体中，造成压缩机的排气温度升高。合适的内容积比取决于气体物性、操作条件、压缩机转速、排气孔结构和转子型线等参数，因此不同的气体和工况下，相对应的内容积比不尽相同。根据本项目，考察不同内容积比下的轴功率和排气温度，结果如下图2所示。

图2 不同内容积比下的轴功率和排气温度

根据图2所示，芳烃干气压缩机的内容积比在2.5时，压缩过程的轴功率最低，排气温度也最小，是最佳的内容积比。

3.2 齿顶速度的设计

螺杆压缩机存在最佳的齿顶速度，在此速度下运行，压缩机的效率最高。最佳齿顶速度取决于气体物性、工况参数、相对间隙值和转子型线[3]。通常情况下，干式螺杆压缩机的最佳齿顶速度高于喷液螺杆压缩机。根据芳烃干气压缩机的运行工况，考察不同齿顶速度下的容积效率和排气温度如下图3所示。

图3 不同齿顶速度的容积效率和排气温度

根据芳烃干气的工况和选用的压缩机，计算的最佳齿顶速度为65 m/s。理论上为保证压缩的效率，设计的齿顶速度应在最佳齿顶速度，但与空气压缩机设计理念不同，工艺螺杆压缩机更关注可靠性。因此实际的齿顶速度还受轴承、轴封和同步齿轮的限制。虽然在最佳的齿顶速度下芳烃干气压缩机可获得较高的经济性，但也带来了存在的风险，如机器振动和噪声增大。因此芳烃干气压缩机设计的齿顶速度在44 m/s，能够同时兼顾可靠性和安全性。

3.3 静态啮合间隙的设计

无油螺杆压缩机的阴阳转子之间并不接触，存在啮合间隙，相对间隙的大小影响螺杆压缩机的效率，更确切地说，影响螺杆压缩机的效率取决于“热态”间隙[4]。阴阳转子在环境温度下进行啮合时，所形成的“冷态”间隙，并非实际运行时的间隙值，当运行温度与啮合时的环境温度不同时，螺杆压缩机的转子发生热胀冷缩的形变，使转子的实际啮合间隙值发生改变，此时的间隙值即为“热态”间隙。芳烃干气压缩机在额定工况运行时，不同的冷态间隙所对应的排气温度及热态间隙值如图4所示。

根据图4所示，一方面，当冷态间隙越大压缩机的内泄漏越严重，效率越低，干式压缩机的排气温度越高；另一方面，当冷态间隙越大时，转子间的热态间隙越大，转子越不容易咬合，运行的安全性越高。因此实际的冷态间隙值应兼顾这两方面，即要保证较高效率，又要防止转子咬合。芳烃干气压缩机适宜的冷态啮合间隙值应为0.3～0.4 mm。

图4 不同冷态间隙下的热态间隙和排气温度

3.4 壳体结构的设计

芳烃干气压缩机在额定工况下的排气温度大于100℃，为防止压缩机的壳体产生过度变形，因此需要设置相应的水夹层，并且采用更加稳定的结构。为此选用的干式螺杆压缩机为两段式带水夹层结构，同时干式螺杆压缩机的噪声较高，优化排气通道和壳体的结构能够起到良好的降噪作用[5]。总体外形结构如图5所示。

图5 干式螺杆压缩机结构外观图

芳烃干气螺杆压缩机水夹层结构可有效防止壳体受热变形，同时两段式也降低了对中装配的难度，结构的优化提高了设备的平稳运行能力，根据运转情况测量的最大振动值远小于设计要求值。

4 现场应用情况

我公司选用芳烃干气无油干式螺杆压缩机为国内某厂家的LG22/0.25-1.0型号压缩机。该设备顺利通过了空气试车和工艺气试车，并以2013年10月份正式投入使用，经过一个多月的压缩机运转，各项性能平稳。

芳烃干气压缩机的顺利运行减少了尾气的排放，为裂解单元提供了宝贵的原料，产生较好的经济效益。由于采用了干式压缩机技术，流程简单，运行稳定，减少了现场操作人员的巡检和检修工作量，具有良好的可靠性和经济性。

5 结语

工艺螺杆压缩机与化工生产工艺结合紧密。无油干式螺杆压缩机经过关键技术的分析与研究，在芳烃干气压缩工艺中具备良好的适应性，并在实际运行中获得成功。因此，在相同的工艺中可进行适当的推广，以实现节能减排的效果。

[1] Glen B，Peter A，Russ C，Dry Screw Compressors in Process Gas Applications Including Maintenance Considerations[J].Proceedings of the Twenty-first Turbo Machinery Symposium，1992：3-19

[2]邢子文.螺杆压缩机——理论、设计及应用[M].北京：机械工业出版社，2000.

[3] 阿莫索夫.螺杆压缩机手册[M].北京：机械工业出版社，1985.

[4] 林德.螺杆压缩机[M].北京：机械工业出版社，1986.

[5] Herrin D W，Tao Z，Graybill A J，et al.Improving Screw Compressor Housing Design Using Simulation[J].Sound and Vibration，2011，45（8）：15-17.