(中海石油天野化工股份有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010070)

2005年，天野公司完成了油改氣聯(lián)產(chǎn)甲醇裝置的建設(shè)，為化肥裝置輸送天然氣的透平壓縮機(jī)K02101由德國(guó)阿特拉斯制造，流量 33 715 m3/h，轉(zhuǎn)速11 660 r/min(透平)。該壓縮機(jī)屬多軸系齒輪箱結(jié)構(gòu)形式，高速齒輪軸為懸臂轉(zhuǎn)子，經(jīng)4級(jí)葉輪壓縮，出口壓力7.9 MPa。其油箱上部裝有1臺(tái)油霧風(fēng)機(jī)，維持油箱負(fù)壓，確保輸油管線回油暢通，油系統(tǒng)構(gòu)成如圖1。

圖1 油系統(tǒng)構(gòu)成示意

1 油霧風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀況及出現(xiàn)的問(wèn)題

1.1 運(yùn)行狀況

油霧風(fēng)機(jī)的主要作用是確保輸油管線回油暢通，一旦出現(xiàn)故障，將發(fā)生如下情況。

(1)由于齒輪箱和油箱是相連通的，高速旋轉(zhuǎn)的齒輪產(chǎn)生的油煙及熱量，使油箱內(nèi)形成正壓，造成軸承回油管潤(rùn)滑油回到油箱的流速減小，增加了軸承油位，導(dǎo)致軸承油封漏油。

(2)軸承回油管線略高于油箱，造成回油慢，軸承油位升高。主電機(jī)軸承產(chǎn)生的熱量沒(méi)有迅速被帶走，導(dǎo)致軸承溫度高。

(3)梳齒狀油封在油位升高時(shí)，也會(huì)漏油。

一旦發(fā)生潤(rùn)滑油大量泄漏，可能出現(xiàn)著火或者損壞軸承等事故。所以在油霧風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行后，K02101壓縮機(jī)也將被迫停止運(yùn)行。

1.2 歷年出現(xiàn)過(guò)的問(wèn)題

2007年5月14日，電機(jī)抱軸，油霧風(fēng)機(jī)停止工作，K02101壓縮機(jī)緊急打閘停車(chē)。

2007年8月21日，操作人員誤操作，按下停止按鈕，發(fā)現(xiàn)后及時(shí)啟動(dòng)，潤(rùn)滑油少量泄漏，未影響K02101壓縮機(jī)的正常運(yùn)行。

2008年4月23日，油霧風(fēng)機(jī)斷電，潤(rùn)滑油大量泄漏，引發(fā)著火事故，K02101壓縮機(jī)緊停。

所以，為了避免因油霧風(fēng)機(jī)故障而造成K02101停止運(yùn)行，必須對(duì)其實(shí)施技術(shù)改造。

2 改造方案

針對(duì)單臺(tái)油霧風(fēng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)后造成油封漏油的情況，對(duì)原設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)。在K02101壓縮機(jī)正常運(yùn)行的狀況下，增加1臺(tái)可以抽出油箱中油煙氣和氮?dú)?，保證在原油霧風(fēng)機(jī)停運(yùn)后，仍能維持油箱負(fù)壓的設(shè)備。

經(jīng)過(guò)論證后，提出兩套方案，方案一是增加1臺(tái)油霧風(fēng)機(jī)；方案二是增加1臺(tái)真空(蒸汽)噴射器。對(duì)比后決定實(shí)施方案二。

蒸汽噴射器是完成能量轉(zhuǎn)換的一種裝置，由一定能量(壓力和流量)的工作流體，將熱能、壓力能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，經(jīng)過(guò)噴嘴射出形成高速射流；由于射流和空氣之間產(chǎn)生卷吸作用和紊動(dòng)擴(kuò)散作用，將吸入室的氣體帶走，使該處產(chǎn)生局部真空狀態(tài)。真空噴射器有如下特點(diǎn): 無(wú)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，工作不受潤(rùn)滑、振動(dòng)等條件限制；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定可靠，使用壽命長(zhǎng)，只要真空噴射器的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)選擇適當(dāng)，可以很好地抽出含有大量水蒸氣、粉塵，易燃、易爆及有腐蝕性的氣體；系統(tǒng)無(wú)油污染；工作壓力范圍較寬，可以根據(jù)需要產(chǎn)生不同的真空度。

真空噴射器動(dòng)力由0.98 MPa蒸汽提供，安裝空氣閥，調(diào)節(jié)吸入口壓力，穩(wěn)定油箱真空度在-0.6 kPa。

2.1 真空噴射器的設(shè)計(jì)條件

2.1.1工藝條件

動(dòng)力蒸汽壓力p0=(0.98+0.1) MPa =11.0 atm(A)(1 atm=101.325 kPa；下同)

動(dòng)力蒸汽溫度t0=180 ℃

吸入氣體壓力 320 mmHg(1 mmHg=0.133 3 kPa；下同)

排出氣體壓力p2=0.01 kgf/cm2=1.01 atm(1 kgf/cm2=9 806.65 kPa；下同)

油箱吸入的氣體總量Gm=20 kg/h，其中，氮?dú)饬縂A=14 kg/h、油氣量Gn=6 kg/h。

2.1.2環(huán)境條件

當(dāng)?shù)卮髿鈮毫?760 mmHg

2.1.3油箱需具備的條件

真空度p1=-0.6 atm

2.2 蒸汽噴射器級(jí)數(shù)的選擇

據(jù)表1選取蒸汽噴射器的級(jí)數(shù)。吸入壓力為320 mmHg，選取一級(jí)蒸汽噴射器。其工作參數(shù)的選擇如下：

表1 各級(jí)噴射器可達(dá)到的真空度范圍

據(jù)K=1.68、E=18.3，由圖2查得噴射系數(shù)μ=1.25，則工作蒸汽消耗量

圖2 噴射系數(shù)確定圖

2.3 噴射器各部分尺寸計(jì)算

2.3.1噴嘴尺寸

入口處直徑d1=5d=5×2=10 mm

出口處直徑d2=C×d=1.92×2=3.8 mm

據(jù)膨脹比E=18.3，由表2查得C=1.92。

表2 噴嘴的計(jì)算系數(shù)(C)

收縮角α1=60°

擴(kuò)張角α2=15°

喉部長(zhǎng)度l=1.2d=1.2×2=2.4 mm

收縮段長(zhǎng)度l1=(d1-d)/1.1548=(10-2)/1.1548=6.9 mm

擴(kuò)張段長(zhǎng)度l2=(d2-d)/0.2634=(3.8-2)/0.2634=6.8 mm

2.3.2擴(kuò)散管各部分尺寸

入口處直徑D1=1.5D=18.2mm

出口處直徑D2=1.8D=21.8mm

收縮角φ1=5°44′

擴(kuò)張角φ2=9°08′

喉部長(zhǎng)度L=3D=36.3 mm

收縮段長(zhǎng)度L1=5D=60.5 mm

擴(kuò)張段長(zhǎng)度L2=5D=60.5 mm

2.3.3噴嘴出口處到擴(kuò)張管入口處距離A的計(jì)算

噴射系數(shù)μ=1.25>0.5，則蒸汽自由噴射射流長(zhǎng)度lc的計(jì)算如下：

lc=[(0.37+μ)/4.4a]d2=15.5 mm(實(shí)驗(yàn)常數(shù)a取0.09)

蒸汽自由噴射射流在距噴嘴出口截面處lc處直徑dc為：

dc=1.55d2(1+μ) =13.3 mm

在lc=15.5 mm處擴(kuò)散管收縮部分直徑Dc為：

Dc=D+0.1[L1―(lc―A)]=16.6+0.1A

如果A=0 mm，則Dc=16.6 mm；而Dc=16.6>dc=13.3，則A=0 mm。即噴嘴出口和擴(kuò)散管入口在同一斷面。

2.3.4混合室尺寸

D=12.1 mm，據(jù)表3采用φ89×4 mm的管子作為混合室。

表3 擴(kuò)散管喉頸D和混合室直徑Do的關(guān)系

吸入口直徑De=4.6(Gm/p1)0.48=24.7 mm，則選用φ32×3.5 mm的管子作為吸入管。

高度H=De+10=32+10=42 mm

2.3.5蒸汽噴射器結(jié)構(gòu)圖(圖3、圖4)

圖3 噴嘴尺寸圖

圖4 噴嘴、擴(kuò)散管、混合室尺寸圖

3 施工措施

設(shè)計(jì)一套滿(mǎn)足油箱抽負(fù)壓的蒸汽噴射器，如圖5。在油霧風(fēng)機(jī)空氣過(guò)濾器處安裝三通，一個(gè)接口繼續(xù)接閥門(mén)和空氣濾芯；另一個(gè)接口連接蒸汽噴射器。這種改進(jìn)有如下好處。

三通為內(nèi)螺紋連接，不需要停K02101壓縮機(jī)焊接管線，可以在線連接蒸汽噴射器。

對(duì)原來(lái)油霧風(fēng)機(jī)的工作流程影響較小。關(guān)閉蒸汽噴射器抽氣入口閥門(mén)后，油箱氮?dú)?、煙氣仍可通過(guò)油霧風(fēng)機(jī)排放；并且，調(diào)整空氣進(jìn)量，也是按照原油霧風(fēng)機(jī)空氣濾芯處的閥門(mén)控制，并沒(méi)有改變?cè)O(shè)計(jì)流程及操作方式。

圖5 增設(shè)蒸汽噴射器后系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

與原空氣濾芯連接處的三通采用螺紋連接的方式。減少焊渣、鐵銹等雜質(zhì)進(jìn)入原油霧風(fēng)機(jī)葉輪及管線，保證潤(rùn)滑油和油霧風(fēng)機(jī)的使用安全。

充分利用原油霧風(fēng)機(jī)入口濾芯，節(jié)省了制作油氣濾芯的費(fèi)用。在油箱上部有一較大圓筒形設(shè)備，內(nèi)部安裝16組油氣濾芯，起到分離油和氣體的作用。如果將蒸汽噴射器入口管線直接與油箱頂部相連，抽走煙氣和氮?dú)獾耐瑫r(shí)，還會(huì)帶走大量的油滴，造成環(huán)境污染和潤(rùn)滑油的浪費(fèi)。而將蒸汽噴射器入口管線接到油氣分離器之后，則能夠保證潤(rùn)滑油與氣體的分離。

串接蒸汽噴射器后，對(duì)新安裝的管線進(jìn)行蒸汽吹掃，清理拉瓦爾噴嘴三次，除去焊渣、鐵屑等雜物。第四次投用后，關(guān)閉蒸汽噴射器抽氣入口閥門(mén)，負(fù)壓表長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定指示在-0.6 kPa。與K02101壓縮機(jī)正常運(yùn)行時(shí)要求的負(fù)壓值一致，蒸汽噴射器可以投入使用。

4 效果評(píng)價(jià)

4.1 運(yùn)行情況

停止油霧風(fēng)機(jī)，投用蒸汽噴射器后，油箱負(fù)壓表仍顯示-0.6 kPa，表明蒸汽噴射器完全可以代替油霧風(fēng)機(jī)，起到維持潤(rùn)滑油管回油順暢的作用。

增設(shè)蒸汽噴射器后，可以實(shí)現(xiàn)油霧風(fēng)機(jī)和噴射器的在線切換；在一臺(tái)抽負(fù)壓設(shè)備出現(xiàn)故障后，另一臺(tái)可以正常運(yùn)行，確保K02101壓縮機(jī)的正常運(yùn)行。

蒸汽噴射器運(yùn)行穩(wěn)定，不受電源和人員操作的影響，而且0.98 MPa動(dòng)力蒸汽管網(wǎng)較為穩(wěn)定，所以油箱負(fù)壓也比較平穩(wěn)，避免了中控人員的誤操作和斷電隱患。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益

(1)直接節(jié)省費(fèi)用。增加一臺(tái)油霧風(fēng)機(jī)需11.5萬(wàn)元，而采用蒸汽噴射器支出2萬(wàn)元，節(jié)省11.5-2=9.5萬(wàn)元。運(yùn)行費(fèi)用方面，油霧風(fēng)機(jī)為2.2 kW·h/h×0.51元/kW·h=1.122元/h；蒸汽噴射器為0.016 t/h×58元/t=0.928元/h。

(2)間接節(jié)省費(fèi)用。以2008年4月23日K02101油霧風(fēng)機(jī)斷電后，因潤(rùn)滑油大量泄漏引發(fā)著火的停車(chē)事故為例，尿素裝置停車(chē)12 h，以每小時(shí)產(chǎn)尿素73 t，噸尿2 400元計(jì)，共損失為12 h×73 t/h×2 400元/t=288萬(wàn)元。如因著火造成事故擴(kuò)大和派生事故發(fā)生，損失將更大。

5 結(jié)束語(yǔ)

在油箱上增設(shè)蒸汽噴射器來(lái)維持油箱負(fù)壓的技術(shù)改造的實(shí)踐表明，蒸汽噴射器可以廣泛應(yīng)用于需要在負(fù)壓情況下運(yùn)行的設(shè)備中。而提高流體壓力不直接消耗機(jī)械能是噴射器的基本特點(diǎn)，更簡(jiǎn)單可靠。此外，蒸汽噴射器系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，制造也不復(fù)雜，可以應(yīng)用到其他類(lèi)似的設(shè)備上。

實(shí)現(xiàn)裝置長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行是生產(chǎn)企業(yè)追求的目標(biāo)，隨著對(duì)壓縮機(jī)運(yùn)行狀況的不斷研究和摸索，必然會(huì)將各種隱患和問(wèn)題一一予以處理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)K02101壓縮機(jī)的安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)周期運(yùn)行。

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