乙烯低温压缩机新技术的研究

祁志刚

（沈阳鼓风机集团股份有限公司，辽宁 沈阳 110869）

乙烯是世界上产量最大的化学产品之一，乙烯装置是石油化工产业的核心，乙烯产品占石化产品的75%以上。公司目前成套生产乙烯压缩机组10余套，从起初的技术引进、消化吸收，到自主研发成套，积累的丰富的经验。现以某项目为对象，针对乙烯低温压缩机组结构、成本、材料、性能、开车、运行中出现的问题，对压缩机的设计进行改进与优化。

1 乙烯低温铸造机壳的新结构

低温压缩机一般工作在-50～-20℃，乙烯低温压缩机的工作温度更低，达到-115℃。由于-115℃低温下焊接机壳焊缝处强度难以保证，考虑低温结霜等因素，乙烯压缩机均采用铸造不锈钢的结构。图1为原铸壳结构、图2为改进后铸壳结构。

图1 原铸壳结构

图2 改进后铸壳结构

图1的铸造机壳体积庞大，轴承箱腔体结构复杂，铸造加工等成本较高，且铸壳一般都要根据工艺要求重新设计，给实际应用带来很大困难。通用-新比隆(GE-NuoVo Pignone)公司压缩机采用一种M+B的结构，即MCL水平剖分的压缩机结构+BCL垂直剖分的端盖结构。针对中压（40kg/cm2左右）压缩机，能够有效的降低BCL筒形压缩的锻造成本保证机组安全运行，又汲取了MCL水平剖分结构压缩机易于安装检修、加工制造周期短的优势。图2是公司根据M+B结构所做的改进铸造机壳，也是采用MCL水平剖分结构，根据MCL水平焊接机壳的经验，对复杂的轴承区结构进行了优化，降低了铸造难度，减少铸造缺陷点。原铸造不锈钢机壳因结构复杂，缺陷较多，国内厂家的铸造质量很难满足设计要求，改进后的铸造机壳则完全弥补了这一缺陷，不但能节省成本，还缩短了制造周期。

2 低温材料的选用

低温压缩的材料选择，镍元素(Ni)是衡量材料低温性能最重要的指标。与乙烯介质完全接触的转子部件有叶轮、隔套、平衡盘、锁紧螺母及螺钉。叶轮、隔套、平衡盘、锁紧螺母等均采用Ni含量高的合金钢（低强度）或不锈钢（高强度），材料采购需对Ni含量严格控制，锁紧螺钉等参考GB/T 3098.6《紧固件机械性能不锈钢螺栓、螺钉和螺柱》，选用奥氏体不锈钢材料。与乙烯介质完全接触的定子部件有：机壳、隔板、密封。机壳采用图2所示18-9型铸造铬镍不锈钢结构，隔板材料与机壳相同。密封采用5083防锈铝板，执行GB/T 3190《变形铝及铝合金化学成分》。其余材料均选用一般的低温钢，所有材料需做低温冲击试验，执行NB/T47009《低温承压设备用低合金钢锻件》、GB3531《低温压力容器用低合金钢钢板》，不锈钢可免做冲击试验，但须满足材料的强度使用要求。

3 转子件低温运行的分析

常温压缩机转子部件中叶轮、隔套、平衡盘等与主轴采用热装过盈的配合方式。过盈量：叶轮＞平衡盘＞隔套，过盈值依据经验选取。或根据ANSYS有限元结构分析软件，计算转子件轴孔变形量，满足一定的接触要求即可。对于叶轮部件，在保证接触要求后，还可根据扭矩复核，传递扭矩＞所需扭矩×安全系数。或根据CAL47程序计算工程松动转速、绝对松动转速，且绝对松动转速＞工程松动转速＞最大连续转速×安全系数。低温压缩机在常温装配后，低温运行时转子冷缩，且叶轮、隔套、平衡盘等与介质直接接触的部件的冷缩量要大于主轴的冷缩量，实际运行时压缩机的过盈量要大于设计过盈量。乙烯开车运行也是常温开车，氮气置换，到压缩乙烯介质，介质切换过程中，压缩机转子的温度也在发生变化。如果保证开车状态的转子部件的过盈量，则低温运行时机组过盈量过大，远超出设计值，转子冷缩变形不均匀，容易引起转子部件弯曲变形，导致机组严重不平衡，带来机组联锁停车。

针对以上问题，低温乙烯压缩机组转子部件采取了低过盈带键配合的方式。键、键槽均采用圆形、半圆形的结构，避免结构形状的突然变化导致的应力集中，进而产生低温脆裂现象。降低转子部件的过盈，常温轻载开车时，键起主要传递扭矩作用，正常低温运行时，键和过盈共同保证传递扭矩。Ni基合金钢材料的转子在低温下性能变化大，叶轮、主轴选用该材料时须做冷冻试验，改善转子低温工作的应力状态。

4 隔板优化设计

常规的出口蜗室采用矩形截面，见图3，矩形蜗室常用于焊接机壳，由焊壳和隔板围成一个矩形或正方形的蜗室截面，结构简单，制造方便，常用于对性能考核不是很严格的机组中。铸造机壳铸造的优势是可以借助铸壳形成圆形出口截面，见图4。通过三维建模、ANSYS进行CFD模拟，从扩压器、蜗室截面流场分析矩形出口蜗室截面存在一个大的漩涡和一个小漩涡，蜗室截面流场紊乱，扩压器和蜗室的流线很不均匀。圆形截面蜗室的流场分布均匀，叶轮及扩压器内部流动较好。在设计工况，圆形截面蜗室相比矩形截面蜗室多变效率提高约1.1%，能头提高约0.5%，详细数据见表1。

图3 矩形出口蜗室截面

图4 圆形出口蜗室截面

表1 CFD分析结果

5 结语

目前国际上有新比隆公司（Nuovo Pignone）、德马格（Demag）公司、三菱重工（MHI）、埃利奥特（ELLIOTT）公司提供乙烯领域压缩机，国内有沈鼓（SBW）成套乙烯三机。

从天津石化百万吨乙烯装置裂解气压缩机组、镇海炼化百万吨乙烯装置丙烯压缩机组、抚顺石化百万吨乙烯装置用乙烯压缩机组，到武汉80万吨乙烯装置三机。乙烯低温压缩机新技术的研究：压缩机结构的改进，使设计制造周期缩短、大幅降低生产成本、提高压缩机效率、降低运行成本。优质低温材料的合理选用，机组转子低温运行的分析改进，能够保证机组长期安全稳定运行。新技术的储备，增强了我公司在乙烯市场的国际竞争力。