小规模高压加氢装置压缩机选型

吴广宇，于波

（1.中石化洛阳工程有限公司，河南洛阳471003；2.沈阳鼓风机集团股份有限公司，辽宁沈阳110869）

小规模高压加氢装置压缩机选型

吴广宇1，于波2

（1.中石化洛阳工程有限公司，河南洛阳471003；2.沈阳鼓风机集团股份有限公司，辽宁沈阳110869）

介绍小规模高压加氢装置压缩机选型过程容易出现的问题，通过理论分析和实际计算，找出问题出现的原因，提出了相应的解决方案。

压缩机；反向角；旋转切向力；平衡段

1　加氢装置压缩机特点

循环氢压缩机用于维持反应系统循环氢循环，只需克服整个系统循环氢压降（系统压降一般不大于20bar），具有压比小、流量大的特点，一般选用离心式压缩机。新氢压缩机用于补充加氢反应过程中消耗的氢气，需将氢气从气源压力压缩升压至反应压力，具有压比大，流量相对较小的特点，一般选用往复压缩机。

图1　典型加氢装置流程示意图

但在小规模高压加氢装置中的循环氢压缩机，由于装置本身规模较小，操作压力高，循环氢压缩机流量小，宜选用往复压缩机作为循环氢压缩机。

2　选型过程中容易出现的问题

由于装置规模小，循环氢压缩机操作压力高，循环氢的状态流量小，且循环氢压缩机压比较小，选用往复压缩机做循环氢压缩机可能会存在以下问题：

2.1反向角过小

循环氢状态流量小，则压缩机的气缸直径较小，再加上压比较小，造成气缸在内死点时，由于活塞杆占活塞面积比例过大，进气压力在盖侧产生的指向轴侧的气体力大于排气压力在轴侧压缩产生的指向盖侧的气体力，即Fg-HE＞Fg-CE，见图2。导致气体力一直指向轴侧，进而导致反向角过小，甚至没有反向角。

以某厂35万吨/年柴油加氢精制-改质-临氢降凝装置中循环氢压缩机为例

循环氢压缩机为一开一备，单台操作参数如下：

进口流量：34 000 m3n/h

进口压力：10.0 MPa（A）

进口温度：50℃

出口压力：11.8 MPa（A）

入口状态流量：6.7 m3/min

如气缸采用双作用方案，压缩机主要参数见表1。

图2　气缸气体力示意图

表1　压缩机参数

活塞处于内死点时的气体力计算：

轴侧气体力

盖侧气体力

从以上结果可以看出，气体力一直指向曲轴侧。

根据机构的几何关系［1］，见图3，可以得出式（1）：

活塞位移

再根据位移、速度和加速度关系可得出式（2）：

往复惯性力

根据多变压缩原理

气体压力

式中r——曲柄半径，m

λ——曲柄半径/连杆中心距，m

α——曲柄旋转角度，弧度

ω——曲轴转速，r/min

m——往复质量，m

p——气体压力

V——气体容积

将压缩机参数值带入式（1）、（2）、（3），暂不考虑气阀弹簧力引起的进排气压力的变化和往复摩擦力，气体按理想气体考虑，计算可得压缩机的往复惯性力、气体力、综合活塞力图，如图4。

图3　曲轴连杆系统几何关系图

图4　受力图

从图4可以看出，气体力一直指向轴侧，根据计算结果可得，反向角约48°，反向角较小。API618-2007第6.6.4条对反向角的要求：有些已经被证实可靠的有槽衬套设计，反向角≥15°，但前提是证实可靠。

2.2旋转切向力不均匀度过大

由于综合活塞力的不均匀性，根据综合活塞力和旋转切向力的关系，计算可得旋转切向力的不均匀度比较大，进而导致压缩机飞轮矩增大。

往复压缩机旋转切向力与综合活塞力的关系见图5。

图5　切向力几何关系图

通过连杆，作用在曲柄销上的力pc可以分解为2个方向的分力：垂直于曲柄的切向力T和沿曲柄半径方向的径向力Rx。根据相应的三角关系可得：

pt——综合活塞力

将综合活塞力pt的计算值带入上式，可得压缩机的切向力图6。

图6　旋转切向力图

切向力图的正确性可以用热力学计算中所得功率来校核，按功率计算得到的平均切向力计算公式如下

从图6可以看出，切向力的分布很不均匀。

积分下限是α=0，上限是α=αi，Td为驱动力，T0为阻力（即旋转切向力）。

L0-i表示从0-αi曲轴所接受的功，如果此段时间内L最大，则该点的角速度最大，为ωmax，如果此段时间内L最小，则此点的角速度最小，为ωmin。

式中δ——旋转不均匀度，表示一转中的角速度变化大小

ωmax——转动中的最大角速度（rad/s）

ωmin——转动中的最小角速度（rad/s）

以刚性联轴器连接，轴功率150 kW以上，为减少对电网影响，一般取δ≤1/100。根据动能定理，曲轴在一转中的能量变化的最大值等于外力在这段时间内对曲轴所作的功，即

根据理论力学习惯，将转动惯量J写成习惯的飞轮矩形式

式中m——旋转刚体质量，kg

R、D——旋转刚体的回转半径、直径，m

G——旋转刚体重量，N

GD2——飞轮矩，Nm2

根据压缩机的切向力图，可以看出，由于切向力的不均匀度比较大，造成ΔL较大，进而导致压缩机飞轮矩增大，而压缩机制造厂固定机型所能提供的飞轮矩是一定的，多余的飞轮矩就需要由电机提供，如果所需飞轮矩过大，会使电机升档。

此类问题在多级压缩的新氢压缩机的高压级，缸径小，压力很高的情况下也可能会出现，设计选型时应予以考虑。

3　解决方案

3.1轴侧工作，盖侧做平衡段

图7　盖侧做平衡段图

气缸轴侧工作，盖侧做平衡段，引入口气做平衡气。由于只是轴侧工作，气缸直径将增大，活塞杆直径占去活塞面积有一定程度减小，且盖侧引入口气做平衡气，整个气体力的反向情况大有改善，进而反向角增大，如图7。

仍以某厂循环氢压缩机为例，采用轴侧单作用方案，压缩机参数如表2。

表2　压缩机参数

将以上参数带入相应计算公式，计算可得压缩机的往复惯性力、气体力、综合活塞力图。

从图8可以看出，反向角约为100°，情况大有改善。

将旋转切向力计算数据和公式带入，可得旋转切向力图，如图9。

轴功率不变，故旋转切向力的平均值不变，仍为25.9 kN。

图8　盖侧做平衡段受力图

由图9可以看出，旋转切向力的不均匀情况也有很大改善。

图9　盖侧做平衡段旋转切向力图

图10　轴侧做平衡段图

需要注意的问题：

由于盖侧为平衡段，气体无法通过排气阀排出，如果循环氢中有可能存在液相，或压缩机采用少油润滑操作，需考虑盖侧排液问题。

另外由于入口气体在平衡段中反复进出，是否会引起温升需考虑。

3.2盖侧工作，轴侧做平衡段

气缸盖侧工作，轴侧做平衡段，引出口压力做平衡气。由于只是盖侧工作，气缸直径将增大，并且轴侧引出口压力做平衡气，气体力的反向也将有所改善，预计反向角增大，如图10。

需注意的问题：气缸填料部分无压力脉动，与往复机压力填料工作原理不符，容易产生泄漏，经与相关气阀公司咨询，10 MPa以上无脉动的填料，没有业绩。且循环氢中含有硫化氢，一旦泄漏，风险太大，此种方案不推荐采用。

3.3贯穿活塞杆

气缸仍采用双作用，活塞杆贯通气缸，由于活塞两侧工作面积相同，活塞杆影响不存在，反向角和旋转切向力的均匀性都应较好。但活塞杆长度增加，活塞杆的平直度和跳动值难以保证，同时增加了一套填料系统，容易产生泄漏，且成本增加。API618不推荐使用此种方案。

图11　贯串活塞杆图

3.4采用P型机

压缩机基础件仍采用2D型，只有一列工作，气缸采用双作用，剩余一列只设十字头滑道和平衡十字头以平衡往复惯性力，不设中体和气缸。由于只有一列工作，气缸直径增大，由活塞杆占活塞的面积比降减小，预计反向角将增大。若活塞质量和活塞杆质量较大，所需的平衡质量超出制造厂标准化机型的适用范围，平衡列需进行特殊设计。

4　注意事项

（1）在流量较小，压比较小，压缩机选型计算时，如只计算气体力，初选机型时，压缩机机型需要适当升档；

（2）循环氢压缩机的安全阀起跳工况，安全阀压力设定值设为1.1倍时，如电机功率增加过多，定压值可考虑适当降低；

（3）压缩机的选材，加氢装置循环氢中一般含有硫化氢，压缩机和辅机部分的选材要考虑硫化氢腐蚀；

（4）在加氢裂化、渣油加氢等高压加氢装置中，新氢压缩机如选用双三级压缩，也可能会出现反向角过小，旋转切向力的不均匀度过大的问题，选型时需加以重视。

5　结论

小规模高压加氢中，循环氢压缩机宜选用往复机。在小流量，小压比情况下，往复机的具体方案经计算，如果反向角经三方确认可行，且飞轮矩不导致电机过大升档，优先采用双作用方案。如经计算后，反向角过小，且飞轮矩导致电机升档较多，宜采用轴侧工作，盖侧做平衡段方案。轴侧做平衡段、贯通活塞杆、P型机方案除非制造厂有相当的使用业绩，且三方认可，一般不推荐使用。

［1］房子严，等.化工机器［M］.北京：中国石化出版社，1999.

［2］活塞式压缩机设计编写组.活塞式压缩机设计［M］.北京：机械工业出版社，1973.

Type Selection of Compressor for High Pressure and Small Scale Hydrogenization Unit

WU Guang-yu1，YU Bo2
（1.Luoyang Petrochemical Engineering Corporation/Sinopec，Luoyang 471003，China；2.Shenyang Blower Works Group Corporation，Shenyang 110869，China）

This paper has explained the problems which may occur during the type selection of compressor for high pressure and small scale hydrogenization unit.The reason was found by theoretical analysis and calculation.And the solution was provided.

compressor；rod reversal；rotating tangential force；balance section

TH457

B

1006-2971（2015）04-0046-05

吴广宇（1981-），男，工程师，现在中石化洛阳工程有限公司设备室从事动设备选型工作。E-mail：wugy.lpec@sinopec.com

2015-04-09