甲烷化循环气压缩机的优化改造研究

甲烷化循环气压缩机的优化改造研究

白建平

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摘要：目前在国内，煤制气制造甲烷的工艺技术主要被国外的工艺技术所垄断。其中，英国纽威工艺包和丹麦托普索工艺包的应用最为成熟。丹麦托普索工艺在整体能源消耗和运行稳定性方面具有明显的优势。作为该工艺的核心设备，甲烷化循环气压缩机基本上被国外机组制造商所垄断。尽管进口设备的运行性能相对优越，但由于供应商自身的利益和其他因素，他们并没有进行最优设计。目前，在国内已经运行的项目（包括新建的大型炼化一体化新项目）中，进口机组主要采用进口供应商的原始设计方案，这导致机组成本和运行维护成本都较高。本研究详细探讨了机组原始设计中存在的问题，并为这些问题提出了一系列的优化和改进建议。这次的优化和改进不仅推动了国内甲烷化核心设备的技术进步，还为降低进口机组在国内的运营和维护成本作为参考和借鉴。

关键词：煤化工设备；循环气压缩机；干气密封；成本控制

0引言

随着我国炼化一体化进程的加速，煤制气制甲烷的技术也得到了迅速的发展。甲烷化循环气压缩机是甲烷化工艺的关键设备，由于工艺气体的特殊成分，目前大多数设备都是进口的。在机组中，干气密封部件是设备的一个重要组成部分，它对机组的安全稳定运行和密封性能起着至关重要的作用。

1甲烷化循环机组简介

在1600万吨的炼化一体化项目中，甲烷化装置单元被设计为两个相似的系列。这两个系列主要是通过低温甲醇清洗得到的双系列合格净化气，其温度为716366Nm³/h(H/C=3.0)。经过精细的脱硫过程（总硫≤6μL/m³），在甲烷化催化剂的催化下，这些净化气会转化为甲烷。经过一系列的反应，如换热、冷凝、分离和洗涤，最终可以获得高热值的富甲烷气（CH4≥95.5%）。每年，这些富甲烷气的产量可以达到15亿Nm3。合格的富甲烷气可以被输送到燃料气管网和IGCC燃气轮机。此外，废热锅炉还可以回收甲烷化反应热，并将其副产的高压过热蒸汽送入管网。甲烷化反应产生的工艺包括凝液经蒸汽气体处理后送出甲烷化反应热，再将副产的高压过热蒸汽送入管网，年产量为15亿Nm³。在甲烷化反应产生的工艺中，凝液通过蒸汽气体处理后送出界区，30%～110%的弹性装置，富甲烷气年产量为15亿Nm³。

2循环气压缩机干气密封介绍

循环气压缩机K-4003是一种由乙烯、氢、氮、碳氢气体和少量粉体等密封的工艺气介质组成的、由电动机驱动的单级恒速离心式压缩机。

循环气压缩机干气密封是一种主密封气和二级密封气构成的，它起到了对过程气体的隔离密封工艺气的作用，在两个密封均能正常工作时，几乎不会有渗漏。此外，干气密封还具有一道油封，用于将干气密封与润滑油隔离开来。

干气密封是利用动、静环间的气膜来实现的非接触密封。在动、静环围绕转轴高速转动时，密封气体被抽吸到动环的密封槽根部。由于其形状的作用，密封气体在沟槽内受到挤压，由于抽吸作用，两环被泵送效应推离，从而产生了间隙。干气密封以其运行稳定，无污染，结构简单可靠等优点而得到了广泛的应用。

3循环气压缩机存在问题的优化改造研究

根据循环空气压缩机干气密封的故障和具体状况，提出了一种科学、有效的处理办法和预防措施，防止再出现类似的事故，从而实现理想的密封效果。

3.1解决办法

①生产车间在机组运行期间，要确保干气密封气体一级密封的气体流速（FIT-4003-101），比之前报告的13.1 m³/h要高得多。

②为减少因氮压缩机运行波动引起的气体流量波动，对氮气压缩机进行了改造。

③在干气密封系统中增设高压氮气钢瓶站，以确保界区内因乙烯或高压氮的压力发生变化，及时补充。

3.2防治措施

①严格按照规章制度进行日常操作，特别注意启动和停止的操作规范。在干气密封投入使用过程中，要随时保持密封气体的压力大于外部的压力，防止气体中的其他介质混入。

②对密封气体的状况进行了严密的检查，以保证干气密封气体为气态。在更换密封气体的过程中，要对其进行严格的监控，确保其温度在正常范围内，尤其是在长期没有投入使用的情况下，要确保流程和工艺参数都符合要求，方能投入使用。

③要做好维修保养工作。在装配和维修工作中，要严格遵循相应的维修步骤，对安装过程中的各个环节都要进行仔细的检查，完工后再进行验收，尽量尽早地发现和解决问题，以免在使用后对零件产生损坏。

4进口机组设计存在问题的优化考虑

甲烷化循环气压缩机是一种多轴单级离心压缩机，它采取了电机、齿轮箱、压缩机的布置方式，为了节省空间，齿轮箱与压缩机都采用了整撬式的结构，使得整个装置更为紧凑。针对双套干气密封，提出了以下几个问题：①齿轮箱传动端干气密封性能很差，而轴向力均衡的辅助作用可由其他零件来完成。②齿轮箱传动侧的轴封结构对整机的密封性能有很大的影响，增大了整机的渗漏概率。③齿轮箱传动面的设计增大了设备的运行费用，增大了设备的维护费用。④齿轮箱传动面的结构导致了整个高速转子的长度，在高转速下变形增大。

齿轮箱主动端的干气密封撤销理由：由于压缩机仅有一个蜗壳单叶轮，因此仅需在蜗壳与齿轮箱的一侧安装一台机组轴封，既能密封蜗壳中的介质，又能隔绝齿轮侧的油污，而齿轮箱的另一面没有压缩介质，因此没有泄露的危险，也就不需要设置干气密封。这种辅助功能可以对平衡盘进行改造，在其上加上平衡盘与止推轴承接触面，从而提高其轴向平衡力。齿轮箱传动侧的轴封结构对整机的密封性能有很大的影响，同时也增大了泄漏的危险。去掉这个干气密封，高速齿轮传动端只有静态密封，密封泄漏的可能性几乎为零，杜绝了泄漏现象。

齿轮箱传动面的设计加大了机组的运营费用，增大了机组的维修工作量；干气密封在操作过程中会不断地消耗气态介质。针对齿轮箱传动面结构导致转子总长度偏长的问题，提出相应的解决方案：在齿轮箱主动端取消干气密封，使高速端转子自然缩短，提高其工作稳定性。

结论：对齿轮箱传动端的轴封结构进行了改造，使动密封变为静密封，从而改善了整体的密封性能，减少了机组的总体造价，降低了整机的操作和维修费用，提高了工作的稳定性。

5循环气压缩机改造主要部件介绍

此次优化的关键部分为齿轮箱的传动端气封，它是一种机械轴封形式，将开槽密封技术用于干燥气体密封中的一种轴端密封，是一种无接触式密封，转动环的密封面经过研磨和抛光处理，并且在其上加工有特定功能的液体动压槽。在操作装置中应用十分广泛，且成本较高。干气密封是指在动环转动时，将密封气体抽吸到动压槽中，使其具有外径朝向中心、径向流向密封堰流的方法。在密封堰体中，由于密封堰体的限制，气体在密闭堰面内发生收缩，气压上升。在这种推力的作用下，密封表面被推离，气流在两个端面上形成了一个3微米厚的气膜。气体的静乐力、弹簧力、气膜的返力，构成一个平衡的状态。动、静环的密封表面是通过气膜来达到对内部介质进行密封的。

6结束语

总之，通过对甲烷化循环气压缩机干气密封优化改造问题进行详细分析，可以看出该装置在密封系统设计、工艺操作和设备维修等方面均有不足之处。为了保证循环气压缩机的平稳运行，应采取积极、有效的预防措施。同时，在平时的操作使用和维护工作中，对设备的操作和维修进行相应的记录。

参考文献：

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