无油工艺螺杆压缩机在氯甲烷工况的应用

周 强 李 刚 孙立冬 连小松

（宁波巨化化工科技有限公司）

氯甲烷（CH3Cl），又称一氯甲烷、甲基氯或氯代甲烷，为无色、可燃且有毒的气体，是有机合成中重要的甲基化剂，主要用于有机硅、纤维素、农药及橡胶等生产领域。 在氯甲烷生产工艺中，无论是气相法还是液相法，都需要将反应生成的氯甲烷气体经过压缩机压缩冷凝成液态再进行输送［1，2］，氯甲烷气体压缩工艺作为生产过程中的核心工艺，压缩机的安全、稳定、环保和节能运行是整个生产装置运行水平的风向标。 从20 世纪90年代至今，由于压缩机生产技术水平和投资成本的限制，再加上介质易燃易爆、禁油禁水的特性，基本上以往复式活塞压缩机为主。 某公司原有装置中的活塞压缩机存在运行缺陷， 经市场调研、与相关专业厂家技术交流后，用无油工艺螺杆压缩机替换活塞压缩机，并在改造投运后进行相应的工艺改造，使生产装置达到安全稳定、环保排放和节能运行的目标。

1 压缩机选型状况

往复式活塞压缩机是靠活塞在气缸内做往复运动，使容积缩小而提高气体压力，由多个活塞、活塞环、气阀部件、曲轴、轴瓦、十字头及滑道等部件组成，这是最早的压缩机型式，适用于中小气量和各种压力的工作条件，尤其适用于高压和超高压压缩，具有排气不均匀、气流有脉动、占地面积大、 维修工作量大及运行周期短等缺点，但因其工艺成熟、投资较低成为机械工业中量大面广的产品之一［3］。

20 世纪50 年代， 无油螺杆压缩机首次在工业上应用，60 年代开发出喷油螺杆压缩机，到70年代两者都得到了较快的发展。 两种螺杆压缩机结构的主要区别是：无油螺杆压缩机（图1）通过同步齿轮啮合，使得阴阳转子可以保持适当间隙而不产生接触摩擦和发热， 适用于高转速工况，通常在机壳上设置冷却夹套，由机壳通入冷却介质冷却，也可从吸入端向转子腔注入相当于吸入气体容量1%左右的冷却液体对不纯物进行洗涤；喷油螺杆压缩机无同步齿轮，由阳转子旋齿啮合带动阴转子螺杆旋转，由于转子之间相互摩擦，因而需要喷入油或者其他液体对螺杆进行冷却，且在压缩机出口进行气液分离，气体出口高压侧配有径向推力组合轴承、平衡活塞和调节气量的滑阀（可调节40%～100%的压缩负荷）。 相对于无油螺杆压缩机， 喷油螺杆压缩机的转速较低，没有加工精度要求高的同步齿轮，结构简单，可与电动机直联，适用于气体压差较大，排气温度不高，介质与润滑油可以混用的场合。 螺杆压缩机由于制造水平不断提高， 技术日趋完善，兼有离心式压缩机和往复式压缩机的优点，相对离心压缩机而言它无喘振、操作平稳，相对往复压缩机而言它振动小、使用寿命长［4］。

图1 无油螺杆压缩机结构示意图

氯甲烷介质有易燃易爆的特殊性，特别是作为有机硅和纤维素的甲基化剂时不能含油，但目前行业内多采用往复式活塞压缩机，个别厂家出于降低检修费用、提高运行稳定性的考虑，采用了喷油螺杆压缩机，并在压缩机出口设置两级气液分离器以去除压缩气体中的油雾，这种工艺有较大的局限性和安全风险：首先，采用两级气液分离器系统占地面积大、投资高；其次，常规的气液分离器是采用重力分离+旋风分离+滤芯精滤的组合式分离器，再加上去除的油雾，导致压缩机出口阻力增大，做功、能耗较高；最后，一旦气液分离器的精滤滤芯到达使用寿命后期或者破损都会使氯甲烷中含油，导致产品污染严重且易形成爆炸混合物，这是工艺安全所不允许的。

2 原压缩工艺

原压缩工艺采用4 台2DW-35/0.5-8 型活塞压缩机，容积流量35Nm3/min，进口压力0.05MPa，排气压力0.8MPa，轴功率190kW，配用电机功率250kW。根据装置运行数年的状况分析，总结出原有压缩工艺存在的问题：

a. 检修频率高。根据活塞压缩机的运行周期规律，每2 000～4 000h 需中修，拆解清洗气阀，更换阀片、填料及活塞环等，每6 000～8 000h 需大修，更换所有气阀、连杆螺栓等。 单台机每年至少检修两次，实际运行中由于活塞机本身设计的缺陷，管道泄漏点多，轴瓦磨损、阀片损坏及填料刮油环损坏等现象更为严重，单台设备年检修费用在15～25 万元人民币。

b. 填料泄漏量不稳定。图2 为活塞压缩机密封结构型式，采用双室结构，接筒设置带垫片的整体金属盖板，并设有底部排凝、吹扫、填料漏气回收及氮气保护等接口；填料函设置充氮气系统以保证氯甲烷气外漏时的安全性，并配有漏气收集接管；填料为带不锈钢卡紧弹簧的三六瓣平面填料，并设有氮气保护和漏气回收装置。 这种结构虽然属于活塞压缩机中比较先进的填料密封结构，但随着活塞杆的磨损，特别到压缩机一个运行周期8 000h 的后期，填料密封泄漏量会以几何比例增加，在填料泄漏隔离室排放口有大量的氯甲烷排出，不仅造成氯甲烷的浪费，也对后系统尾气处理装置的运行带来安全风险和环保超标风险。

c. 压缩机实际功率远超轴功率。 活塞压缩机运行后期时，由于轴瓦、滑道及十字头等元件的磨损问题，加大了运行摩擦，造成电机的实际电流明显上升，压缩机实际功率就会超过轴功率。

d. 设备管道振动大。 由于往复运动，随着活塞的前后移动，吸排气阀不停地开启、关闭，有规律性地重复冲击，导致排气压力不稳定，出口缓冲罐进/出口管道振动较大，容易导致设备管道开裂和密封点泄漏。

e. 压缩机活塞间隙比较小。 活塞压缩机的气阀为网状阀，阀片开启关闭余隙较小，压缩机进口一旦有微量液滴，由于液滴不可压缩，容易造成阀片损坏继而气缸被撞缸。

3 压缩工艺改造方案及实施

结合原压缩机运行经验，该公司技术人员分析原往复式压缩机的问题后， 从降低检修率、安全环保提标和节能降耗的角度出发，结合压缩机气量小、排气压力高的特点，综合考虑产品介质“绝对无油”的工艺要求，决定将往复式活塞压缩机更换为无油工艺螺杆压缩机。 无油工艺螺杆压缩机不受入口带液的影响，具有结构紧凑、排气平稳、无易损件及三年免维护等优点［5］。

在方案设计初期，充分考虑到设备减量化的要求，用1 台无油螺杆压缩机替换原有的4 台压缩机， 无油螺杆压缩机的吸气量128.76Nm3/min，吸气压力/温度0.05MPa/40℃， 排气压力/温度0.75MPa/39℃（均与原有压缩工况保持一致）。 单台无油螺杆压缩机的设计与制造按照标准API 619 执行，采用变频调节，能够实现大范围（30%～100%）的节能调节，该压缩机采用串联式干气密封（图3），它属于非接触动密封，密封端面上均匀分布一系列浅槽，高速旋转下槽内产生动压效应使构成密封面的动、静环之间不接触，还能产生高压密封气隔离介质气，此种密封型式可确保机组介质气泄漏量几乎为零，并且能阻止润滑油进入介质气中。

图2 活塞压缩机密封型式简图

图3 组合串联式干气密封结构示意图

无油工艺螺杆压缩机方案经安装、调试和开机成功后连入系统，并对机组进行满负荷运行测试：进气压力50kPa、出口压力0.7MPa 时，冷凝量18.08t/h，压缩机电流50.0A（额定电流60.9A）,压缩机一级泄漏气（小于7.5Nm3/h）满足设计要求，运行稳定， 各仪表参数均在设计指标要求范围内。

4 改造后参数对比

无油工艺螺杆压缩机在氯甲烷工况的成功应用，解决了活塞式压缩机填料泄漏量不稳定的问题——活塞压缩机采用填料密封，填料本身存在一定的泄漏量， 且会随着设备运行时间增长，填料的磨损加大，氯甲烷的泄漏量也随之逐渐增加；无油工艺螺杆压缩机采用干气密封，介质气泄漏量小且恒定。 装置改造后，尾气排放全部达标，节约了原系统尾气处理的费用，系统的安全性和环保排放达到设计目标。 另外，采用无油工艺螺杆压缩机满足了氯甲烷排气中绝对无油的设计条件，保证了产品无污染、质量稳定达标。

无油工艺螺杆压缩机与活塞压缩机的工艺参数对比见表1。

5 改造经验

本次改造是无油工艺螺杆压缩机在氯甲烷工况中的首次应用， 加之氯甲烷的沸点低易汽化、高压下易冷凝、有腐蚀性及工艺含油量要求高等特点，针对原工艺的改造总结了以下经验：

a. 针对装置氯甲烷中带有微量硫酸的特殊性，无油工艺螺杆压缩机的主机壳体采用1Cr13，转子采用2Cr13 整体锻造，可有效防护系统运行中介质的腐蚀；

b. 根据装置防止泄漏要求高的特点，压缩机密封采用迷宫密封+串联式干气密封的组合模式，串联式干气密封主要用来隔离工艺气与润滑油系统，其中的一级密封气采用压缩机出口的高温高压氯甲烷气体，以减少出口排气中其他气体的含量；

c. 螺杆压缩机喷液介质选用本装置生产的氯甲烷，介质混用性强，有足够的压差和过热度保证喷入压缩机的氯甲烷能够有效起到冷却作用，同时不会腐蚀压缩机内的转子和机壳；

表1 无油工艺螺杆压缩机与活塞压缩机的工艺参数对比

d. 干气密封中的各级密封气和隔离气均配有恒温电伴热带，防止管道输送过程中密封气冷凝导致的干气密封无法脱开、启动时产生磨损等问题；

e. 为了保障压缩机的稳定长周期运行，所有压缩机的密封气泄漏量、泄漏压力、排气压力及油压等联锁停机仪表均采用三选二的设置，当一个信号同时有3 个点达到2 个以上的停机条件时停机保护启动， 既能有效保证压缩机安全，又可避免压缩机因个别仪表出现误差导致的误停机；

f. 压缩机喷液控制采用独立控制系统（PLC和DCS 均可控制），防止压缩机超温，保证开机和运行的稳定，喷液阀门采用电磁切断阀和气动调节阀双重保护，减少了停机状况下内漏和误操作的可能性。

6 结束语

氯甲烷工况采用1 台无油工艺螺杆压缩机替换4 台活塞压缩机的改造非常成功， 螺杆机机组的安全稳定性、环保排放、节能运行和检修成本都优于活塞机机组。 此次改造过程中的工艺设计、结构选型、控制方式和联锁保护的优化经验，可为其他相似工况借鉴， 同时也为无油工艺螺杆压缩机在其他易汽化介质中的应用积累了宝贵的经验。