氨制冷压缩机润滑油国产化研究及应用

王学聪

（中海石油宁波大榭石化有限公司，浙江宁波 315000）

1 概述

1.1 机组概况

某公司150 万吨/年连续重整装置再接触单元氨制冷压缩机（0211-C-203），是有油湿式螺杆式压缩机。氨冷系统的主要作用是利用液氨为制冷剂为再接触系统提供低温环境，重新建立气液平衡，使氢气和油得到有效分离，进一步回收轻烃，提高氢气纯度，其重要性和关键性不言而喻。

喷油式螺杆式压缩机性能高、无余隙容积、效率高，无吸、排气阀装置等易损件维修方便，是制冷压缩机中主要机种之一，应用广泛[1]。它使用的制冷剂为氨（R717），是目前广泛使用的天然制冷剂。氨的ODP（高臭氧消耗潜值）、GWP（高温室效应潜值）均为零，十分环保。

该压缩机属于德国进口设备。机组主要由螺杆压缩机、电机、润滑油系统、气路系统和控制系统等组成，该机组具体参数见表1。

表1 氨制冷压缩机机组参数

1.2 润滑油使用概况

冷冻机油是一种专门用于对制冷系统压缩机的运转部件进行润滑和密封的润滑油。它与制冷介质结合在一起，可在制冷压缩机中跨温度范围循环运行，可直接影响制冷系统的制冷效率[2]。

该机组在用润滑油采用的是进口冷冻机油GEA R-717 Oil1#（CPI1009-68）。是国外很多厂家专用的多元醇脂（POE）68 号冷冻机油。多元醇脂冷冻机油具有较低的倾点和挥发性，较好的氧化安定性和较长使用寿命[3]，可减少维护降低停机时间、减少日常补油量等，推荐用于氨制冷压缩机、工艺气体回转螺杆机和工艺气体往复机等。润滑油具体技术参数见表2。

表2 冷冻机油CPI 1009-68 技术参数

该润滑油自装置开工稳定使用6 年左右，使用期间性能指标基本达标，日常补油量基本忽略不计，使用寿命可达3 年以上，未发生过设备轴瓦、轴承磨损等故障情况，总体使用效果达标。但是在使用过程过程中仍存在以下问题和限制：①使用过程中长期存在油温偏高的问题，长期高于50 ℃，尤其是夏季高温时期可高达55 ℃左右（60 ℃联锁停机），需要采取外部淋水降温手段；②进口冷冻机油采购周期长，时间长达3 个月以上，事故应急能力较差；③进口冷冻机油需原厂采购，价格高、手续繁杂，且受限于人。

2 国产化研究

2.1 氨制冷机对润滑油的要求

首先研究氨制冷压缩机对润滑油的要求，该氨压机是有油湿式螺杆压缩机，输送介质为氨（R717），润滑油温度变化大（-2～90 ℃），长期与氨混合接触，且部分冷冻机油会与氨一起进入到冷却循环系统。因此对该润滑油有以下要求[4]：①倾点低，有优良的低温流动性，保证低温条件下润滑油不凝结，且少量进入系统中的润滑油容易再回到压缩机；②较高的黏度指数，保证油品运动黏度随温度变化小，从而保证设备在较宽的温度范围内得到更好的润滑和密封效果；③较低的酸值，与制冷剂化学稳定性好，不易与制冷剂（氨）介质反应生成沉淀等有害物质；④较高的闪点，确保在高温下润滑油挥发性小，减少润滑油损耗。

2.2 润滑油国产化对比

通过前期技术研究和后续技术交流、对比，选择了长城4521-1（68）冷冻机油进行对比试验。具体研究、对比如下。

2.2.1 组成对比

原先使用的冷冻机油GEA R-717 Oil1#（CPI 1009-68）是多元醇脂（POE）类润滑油，属于脂类合成油。酯类合成油是由有机酸与有机醇在催化剂作用下通过酯化反应脱水而获得的由酯基官能团组成的有机化合物。根据反应产物的酯基数目和位置，可分为双酯、多元醇酯、芳香羧酸酯和复酯。酯类合成油因其特殊的分子结构特点而具有优异的高低温性能、黏温性能、热氧化安定性、润滑性、低挥发性等优点，从而在众多领域得到了广泛应用[3]。

长城牌4521-1 冷冻机油是以特定结构半合成油为基础油，并加入高效无酸添加剂精制而成的专用于氨制冷系统的润滑油，基础油是加氢油和PAO 合成油。聚α－烯烃合成油是指由α－烯烃在催化剂作用下聚合并通过氢化而获得的较规则的长链烷烃油，其具有独特的化学组成结构和优异的使用性能。PAO 类基础油基本上是由一类独特的梳状结构的异构烷烃所组成，其直链烷烃骨架有利于良好的黏温特性，而多侧链的异构烷烃骨架和相对较短（不长于10 个碳数）的直链段有利于保持良好的低温流动性。匀称规整的化学组成结构，尤其是不含芳烃、环状烃以及不饱和键，十分有利于物理、化学稳定性等。这种匀称规整的、由多个长度适中的直链烷段组成多侧链（梳状）的异构烷烃，是一种非常符合现代润滑油基础油所要求的理想化学结构。因此，PAO 合成油的性能优越[5]。

GEA R-717 Oil1#和长城牌4521-1 冷冻机油均属于合成烃基润滑油，都是比矿物润滑油具有更优异的性能，非常适合用于制冷机组。

2.2.2 性能对比

对CPI 1009-68 和长城4521-1（68）冷冻机油进行性能对比评价，结果见表3。

表3 CPI 1009-68 和长城4521-1（68）性能评价对比

从表中结果来看：①长城4521-1（68）冷冻机油为半合成基础油，其黏温性能优于CPI 1009-68，使用中油膜强度和稳定性优于后者。且合成冷冻机油由于其优良的热稳定性而被常用于以R717 为制冷剂系统中[6]；②长城4521-1（68）闪点更高，高温下的油挥发性较小；③二者低温性能和抗腐蚀性相当。

综上所述，长城4521-1（68）冷冻机油综合性能略优于CPI 1009-68，是可以替代使用的。

2.2.3 制冷性能试验

长城4521-1（68）冷冻机油采用特定组成的基础油，并辅以高效抗氧抗腐蚀剂、防锈剂、抗泡剂等多种添加剂精制而成。并采用特殊的无酸添加剂体系，可防止脂肪酸铵盐的生成，尤其适用于以氨为制冷介质的冷冻系统。根据GB/T 5773—2016《容积式制冷剂压缩机性能试验方法》[7]，对制冷量、轴功率、能效比进行考察，测量+5/40 ℃、-15/30 ℃、-15/35 ℃工况下的制冷量、轴功率和能效比，要求对内容比进行调节以保证轴功率最小。制冷性能试验所用设备信息见表4，性能对比试验结果见表5。

表4 制冷性能试验设备信息

表5 性能对比试验结果

从制冷对比实验结果来看，二者制冷量接近，能效比几乎一致，综合评价结果两者油性能接近，试验后的油品性能指标检测结果也相当，可以替代使用。

3 国产化应用

3.1 国产化应用实施

长城4521-1（68）冷冻机油经过组成对比、性能评价对比和制冷性能试验对比，得出完全可以替代进口冷冻机油CPI 1009-68。而且长城4521-1（68）冷冻机油在国内有过多次同类型机组成功替代使用业绩。例如，中国石化齐鲁石化橡胶厂氨冷螺杆机使用长城4521-1（68）冷冻机油替代进口福斯68 号冷冻机油，使用换油周期长达3～4 年。中国石化上海高桥分公司炼油一部氨制冷压缩机使用长城4521-1（68）冷冻机油替代进口Frick 3 冷冻机油。因此，决定采用国产长城4521-1（68）冷冻机油替代进口冷冻机油，并于2021年4 月全部替换使用。

3.2 使用效果评价

该压缩机于2021 年5 月开机使用至今，使用性能良好。具体效果如下：①润滑油温度大幅下降，目前稳定在45 ℃左右，比使用CPI 1009-68 冷冻机油油温下降将近10 ℃左右，解决了机组油温长期偏高问题，充分保障了机组安全平稳长周期运行；②润滑油温度下降，也促使氨制冷压缩机排气温度和排气压力下降，解决了该压缩机高负荷运行瓶颈；③润滑油使用至今，已稳定运行2 年左右，定期采样分析各项性能指标数据均正常，具体结果见表6；④使用过程中润滑油添加量基本忽略不计，后路系统底部排油基本不见油；⑤价格优势明显，该压缩机检修一次性润滑油加入量为510 kg（600 L）左右，其中CPI 1009-68 为150 元/kg，4521-1（68）为45 元/kg，因此单次检修节约更换润滑油费用约5.36 万元左右。

表6 长城4521-1（68）分析数据

4 结束语

该氨制冷压缩机润滑油国产化研究成果的应用成功，打破了国外垄断，是真正力行设备设施国产化，也是公司内部首次实现进口润滑油国产化。该国产化润滑油采购周期短，可以随用随到，提升了装置应急能力，且价格优势明显，极大地减少了采购工作量。该冷冻机油性能优越，解决了重整氨制冷压缩机油温长期偏高问题，解决了该压缩机运行瓶颈，彻底消除了设备运行隐患。