柴卓，劉斌，徐建，胡波

(沈陽遠(yuǎn)大壓縮機(jī)有限公司，遼寧 沈陽 110027)

0 引言

烷烴、烯烴類氣體以及其化工產(chǎn)品在人們的生產(chǎn)生活中起到至關(guān)重要的作用，被廣泛用于家庭、工業(yè)及交通領(lǐng)域。例如，甲烷作為一種清潔能源，可用于發(fā)電、供暖、交通燃料等，也可用于制造合成氣和一些有機(jī)化合物；乙烯是一種重要的化工原料，廣泛用于制造塑料、合成纖維、合成橡膠，以及合成乙醇、乙醛等多種有機(jī)化合物；乙烷、丙烷、丁烷等在化工、冶金、電子、石油等工業(yè)部門也有廣泛的應(yīng)用。由于市場能源應(yīng)用的需求增多和在化工產(chǎn)品中的廣泛應(yīng)用，烴類氣體在市場上的流通量也在逐漸增加，其通常采用的運(yùn)輸方式有：壓縮成高壓氣體采用CNG 罐車運(yùn)輸、沖入高壓氣瓶車載運(yùn)輸、轉(zhuǎn)化為液態(tài)介質(zhì)槽車運(yùn)輸或船運(yùn)等。通過在實(shí)際生產(chǎn)中的操作對比，將烴類氣體轉(zhuǎn)化為液體進(jìn)行運(yùn)輸、儲存是最為高效和便捷的方式。在這些氣體的采集、儲存、制備、液化、運(yùn)輸?shù)壬a(chǎn)過程中壓縮機(jī)是必不可少的關(guān)鍵設(shè)備，而在BOG(boil off gas)工藝中，迷宮壓縮機(jī)以其特有的結(jié)構(gòu)形式、密封方法、材料性能在實(shí)際應(yīng)用上體現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢[1-3]。

1 壓縮機(jī)應(yīng)用環(huán)境

低溫液態(tài)烴類在系統(tǒng)中由于溫度或壓力變化，達(dá)到了氣液兩相介質(zhì)的臨界條件，部分液體轉(zhuǎn)化成氣體，這部分氣體就是BOG。BOG 的產(chǎn)生通常有以下幾種方式：第一，在液體儲罐中，雖然罐體外部進(jìn)行了保冷處理，但罐體與外界不可避免發(fā)生熱交換，溫度的升高造成部分液體轉(zhuǎn)化為氣體，這樣就會產(chǎn)生BOG；第二，在液體槽車卸車、裝船等操作過程中，槽車或儲罐內(nèi)由于壓力的變化都會產(chǎn)生BOG；第三，工廠制備的高壓液體在外售前需要將壓力降低到槽車能承受的低壓狀態(tài)，液體在高壓向低壓轉(zhuǎn)化的過程中也會產(chǎn)生BOG。由于BOG 發(fā)生在氣液轉(zhuǎn)化的臨界點(diǎn)，因此大部分BOG 的溫度都很低，例如甲烷BOG 的溫度是-162 ℃，乙烯BOG 的溫度是-103 ℃，乙烷BOG 的溫度是-88 ℃，丙烷BOG 的溫度是-42 ℃，丁烷BOG的溫度是-0.5 ℃。壓縮機(jī)在BOG 工藝中的作用就是抽取這些低溫氣體，對其進(jìn)行輸送，或者增壓再液化，液化后的介質(zhì)有利于工廠儲存和運(yùn)輸。因此所使用的壓縮機(jī)應(yīng)具有的基本特征就是能夠承受較低的溫度，并在低溫下具有所需的強(qiáng)度及韌性。

通常情況下，零件接觸低溫介質(zhì)后會發(fā)生冷脆現(xiàn)象，尤其非金屬零件會更加明顯。同時在BOG 壓縮機(jī)的初始運(yùn)行階段，往往會遇到常溫工況，這就要求壓縮機(jī)能保持良好的熱脹冷縮性能，滿足不同工況下氣體的溫度、壓力變化。因此在壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)形式、材料選擇、工藝處理上將帶來很大困難[4]，給壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)者、生產(chǎn)者、運(yùn)營者都會帶來更多的挑戰(zhàn)。

2 迷宮壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)介紹

迷宮壓縮機(jī)屬于立式壓縮機(jī)，各列十字頭、活塞、氣缸等零件均在壓縮機(jī)曲軸-連桿正上方?；钊跉飧字写怪蓖鶑?fù)運(yùn)動，上部與缸蓋一起形成蓋側(cè)工作腔，下部與填料、缸底一起形成軸側(cè)工作腔。為活塞垂直往復(fù)運(yùn)動提供保證的是導(dǎo)向軸承部件，它與十字頭滑道兩點(diǎn)一線控制整個活塞運(yùn)行的垂直度，整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示?；钊c氣缸之間通過活塞裙套上的迷宮槽進(jìn)行軸、蓋側(cè)工作腔的氣體隔離，軸側(cè)用填料密封沿活塞桿發(fā)生的氣體泄漏，填料環(huán)與活塞桿之間的密封也采用迷宮槽密封形式，因此整個密封腔無接觸式摩擦。迷宮槽密封原理如圖2 所示，高壓氣體在狹小間隙下有極少部分通過各個節(jié)流點(diǎn)向低壓側(cè)流動，此時氣體的壓力能轉(zhuǎn)化為動能，當(dāng)氣體通過節(jié)流點(diǎn)后，由于容積的突然擴(kuò)大，氣體速度急速下降，氣體的動能轉(zhuǎn)化為熱能及渦流能。經(jīng)過連續(xù)均布的節(jié)流和齒槽漩渦室的重復(fù)作用，泄漏氣體的壓力逐漸降低到低壓側(cè)工作腔的壓力，無法繼續(xù)流動，阻止了兩個工作腔氣體的相互泄漏。

圖1 迷宮機(jī)結(jié)構(gòu)原理

圖2 節(jié)流密封原理

由此可見活塞與氣缸之間的節(jié)流間隙，是整個迷宮壓縮機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)，而在低溫或高溫壓縮機(jī)中由于溫度變化范圍較大，這個間隙的控制成為低溫BOG壓縮機(jī)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

3 迷宮壓縮機(jī)在BOG 中的優(yōu)勢

通過對比迷宮壓縮機(jī)與臥式活塞環(huán)壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、BOG 迷宮壓縮機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)以及迷宮機(jī)對變工況的適應(yīng)能力來分析迷宮壓縮機(jī)在BOG 工藝中的優(yōu)勢。

3.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對比

迷宮壓縮機(jī)采用迷宮環(huán)槽對氣體進(jìn)行節(jié)流密封，這樣活塞與氣缸、填料之間無接觸，活塞上不需要設(shè)置活塞環(huán)；活塞的運(yùn)動軌跡采用氣缸下部的導(dǎo)向軸承進(jìn)行控制，因此在氣缸內(nèi)部也不需設(shè)置支承環(huán)。而在臥式活塞環(huán)壓縮機(jī)中，活塞環(huán)是關(guān)鍵密封元件，支承環(huán)是保證活塞與氣缸同心的重要元素，并且兩種零件均為非金屬材質(zhì)。下面通過對比活塞環(huán)和支承環(huán)的有無，可以清楚地體現(xiàn)迷宮壓縮機(jī)在BOG 工藝中的一些優(yōu)點(diǎn)：(1)臥式機(jī)中的活塞環(huán)、支承環(huán)通常為非金屬零件，適應(yīng)的溫度范圍較窄，容易出現(xiàn)冷脆現(xiàn)象，選材比較困難。而迷宮機(jī)工作腔全部采用金屬材質(zhì)，不存在此問題。(2)迷宮機(jī)壓縮的氣體不會受到摩擦粉末帶來的污染，介質(zhì)的純凈度得到保證。BOG 氣體屬于閃蒸氣，其雜質(zhì)很少，屬于清潔介質(zhì)，經(jīng)過壓縮后仍能保持原有的純度不降低。(3) 迷宮機(jī)活塞與氣缸不接觸，不會像臥式活塞環(huán)壓縮機(jī)那樣產(chǎn)生摩擦熱，BOG介質(zhì)溫度較低，工作中不會帶來附加溫升。同時由于壓縮機(jī)的摩擦功減少，整體功耗下降。(4)迷宮機(jī)沒有活塞環(huán)、支承環(huán)，在設(shè)計(jì)和操作上，具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便，后期維護(hù)成本低，檢維修周期長等優(yōu)點(diǎn)。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

迷宮壓縮機(jī)在應(yīng)對低溫BOG 介質(zhì)工況下，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用特有的一些材料、工藝可以使其優(yōu)勢更加明顯、適應(yīng)能力更強(qiáng)。

3.2.1 材料的選擇

對于低溫BOG 壓縮機(jī)材質(zhì)的選擇應(yīng)至少考慮以下四個方面的重要因素：(1)具有所需的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度；由于壓縮機(jī)需要將氣體加壓至一定壓力，因此這是一個基本要求，合格的強(qiáng)度是所有壓縮機(jī)承壓零件都應(yīng)具有的特征。(2) 在低溫狀態(tài)下具有要求的抗沖擊韌性；一般金屬零件在常溫下具有很好的強(qiáng)度，但在低溫環(huán)境下會發(fā)生冷脆現(xiàn)象，因此能夠在低溫工況下保持良好的韌性是低溫BOG 壓縮機(jī)零件所需的重要特性。(3)在低溫狀態(tài)下具有較小的冷縮變形特征；由于零件的加工制造、裝配調(diào)試是在常溫環(huán)境下操作的，但在實(shí)際的工作中零件會發(fā)生冷縮現(xiàn)象，這樣會影響相互配合零件的間隙，因此低溫狀態(tài)下保持較小的冷縮變形量也是一個關(guān)鍵指標(biāo)。(4) 在高溫工況下應(yīng)不會發(fā)生較大的膨脹。低溫BOG 壓縮機(jī)有時也會存在常溫或高溫工況，這就要求零件在高溫狀態(tài)下仍能保持合理的間隙，這就要求零件具有較低的熱膨脹系數(shù)。

3.2.2 深冷處理

由于氣缸、活塞、活塞桿、氣閥、填料等零件在工作中直接接觸低溫氣體，并且承受一定的氣體壓力，因此零件的強(qiáng)度、耐低溫性能、防冷脆性能、組織穩(wěn)定性都至關(guān)重要。往往需要通過深冷處理，來提高上述零件的材質(zhì)性能。深冷工藝采用的處理方法主要有液體法和氣體法兩種。液體法是將工件直接放入液氮中，處理溫度為-150 ℃，缺點(diǎn)是熱沖擊較大；氣體法是通過液氮的氣化潛熱和低溫氮?dú)馕鼰嶂评?，處理溫度可達(dá)到-196 ℃，處理效果更好。零件經(jīng)過深冷處理可以有以下幾方面的改善：(1) 深冷處理通過降低材料的溫度，使其慢慢處于低溫狀態(tài)，這樣可以改善材料晶體結(jié)構(gòu)，使晶粒得到更加充分的細(xì)化，從而使材料的組織結(jié)構(gòu)更加均勻緊密。(2) 由于材料在加工制造過程中受到力和熱的作用，因此在零件內(nèi)部不可避免的存在殘余熱應(yīng)力。通過深冷工藝可以有效消除殘余熱應(yīng)力，使材料更加穩(wěn)定。(3)深冷處理可以更好地排除零件內(nèi)部的氣、水、油等物質(zhì)，從而防止材料受到腐蝕和污染，改善材料表面的質(zhì)量，增加其耐磨性。(4)深冷處理可以使常規(guī)熱處理后存在的殘余奧氏體進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為能使材料變硬、增強(qiáng)的馬氏體，從而改善零件性能。

3.2.3 完全密閉無泄漏

BOG 工藝中的壓縮機(jī)做成完全密閉無泄漏形式有以下三種好處：(1) BOG 氣體是一種化工產(chǎn)品，更是一種商品，壓縮機(jī)在增壓環(huán)節(jié)中能夠保證其完全密閉無泄漏，無疑避免了一定的經(jīng)濟(jì)損失。(2) BOG 氣體通常為烷烴類介質(zhì)，屬于易燃易爆物質(zhì)，能控制其不向外界擴(kuò)散，可以避免危險(xiǎn)事故的發(fā)生。(3) BOG屬于純凈氣體，采用完全密閉壓縮結(jié)構(gòu)，可以省略氮?dú)獗Ｗo(hù)措施，保證了氣體的純度，也減少了工廠氮?dú)夂牧俊?/p>

基于以上優(yōu)點(diǎn)，BOG 迷宮壓縮機(jī)通常采用整體密閉無泄漏結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有以下特征：(1)采用整體承壓的一體鑄造成型機(jī)身。機(jī)身體積較大，承壓能力差，通過采用有限元軟件分析優(yōu)化設(shè)置合理的加強(qiáng)筋，增加機(jī)身整體強(qiáng)度。(2)在機(jī)身軸伸端用機(jī)械密封對機(jī)身內(nèi)的氣體進(jìn)行密封。機(jī)械密封可有效阻止氣體沿曲軸發(fā)生泄漏。(3)采用耐工藝氣體腐蝕的潤滑油。工藝氣體進(jìn)入機(jī)身后，很容易與潤滑油發(fā)生反應(yīng)而破壞潤滑油的黏度、閃點(diǎn)等性能，因此必須使用耐工藝氣體腐蝕的潤滑油。

3.2.4 設(shè)置導(dǎo)冷裝置

低溫氣體位于上部的缸體中，但冷能通過金屬向四周及與之相鄰的金屬零件進(jìn)行傳遞。為了防止冷能傳遞到下部的潤滑區(qū)，需要在兩個區(qū)域之間設(shè)置隔冷裝置，保證機(jī)體下部不受到低溫的影響。這個低溫的影響區(qū)域能傳遞多遠(yuǎn)，在哪個位置設(shè)置合理的隔冷裝置，需要根據(jù)氣缸內(nèi)氣體的具體溫度、氣缸的結(jié)構(gòu)形式、材料的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行模擬分析。在選擇合理的隔冷位置后，通常采用乙二醇冷卻液或潤滑油進(jìn)行導(dǎo)冷。

3.3 應(yīng)對高溫工況的優(yōu)勢

BOG 工藝具有一個特點(diǎn)，在壓縮機(jī)開始工作前，低溫儲罐與壓縮機(jī)之間的管道中往往存在高溫氣體，由于管道較長，高溫氣體被壓縮機(jī)抽走需要一定時間，因此導(dǎo)走高溫氣體的這段運(yùn)行時間，屬于機(jī)組的高溫工況。這個工況對于壓縮機(jī)的難點(diǎn)在于，它與低溫工況溫度相差過大，普通臥式活塞環(huán)壓縮機(jī)無法直接處理該工況。為了解決此問題，通常需要采取以下額外的措施：第一種方法是將這部分氣體排放到火炬系統(tǒng)，壓縮機(jī)在導(dǎo)走高溫氣體的過程中產(chǎn)生的壓力比很小，即排氣溫度不會升高太高，因此等到壓縮機(jī)入口的氣體溫度逐漸降低以后方可加壓輸送到下游工藝系統(tǒng)，但是這種方式會產(chǎn)生較大的浪費(fèi)；第二種方法是采用預(yù)冷法，向壓縮機(jī)上游管道、容器中通入低溫介質(zhì)，將原有高溫氣體的溫度綜合下來，降低到可以運(yùn)行的溫度，但這種處理方法需要儲備預(yù)冷介質(zhì)、設(shè)置預(yù)冷管道、閥門等設(shè)施，重要的是預(yù)冷過程需要較長的時間，在操作上帶來很多不便。

而BOG 迷宮壓縮機(jī)氣缸、活塞均采用了線性膨脹系數(shù)小的耐低溫材質(zhì)，在應(yīng)對高溫工況時仍舊可以正常操作，避免了上述臥式活塞環(huán)壓縮機(jī)的弊端。

4 結(jié)語

根據(jù)以上對迷宮壓縮機(jī)的介紹，并結(jié)合BOG 工藝特點(diǎn)，不難看出迷宮壓縮機(jī)在處理低溫BOG 的轉(zhuǎn)運(yùn)、儲存、卸料、裝載等工藝流程中，具有自己獨(dú)特的優(yōu)勢，尤其在應(yīng)對超低溫及溫度變化的復(fù)雜工況時，迷宮機(jī)采用特殊材料配合節(jié)流密封結(jié)構(gòu)原理，實(shí)現(xiàn)對該核心問題的徹底解決。迷宮壓縮機(jī)作為一種特殊的往復(fù)活塞式壓縮機(jī)，憑借自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)具有超強(qiáng)的適應(yīng)能力，在處理復(fù)雜介質(zhì)、高低溫工況等問題中發(fā)揮了明顯的功效，在石油、化工、天然氣等工業(yè)領(lǐng)域具有不可或缺的地位。