乙烯低温压缩机新技术的研究

乙烯低温压缩机新技术的研究
摘要：随着我国综合国力的不断提升，国内的先进科学技术水平也随之不断提升。

乙烯压缩机是乙烯装置中工作温度最低的压缩机，达到-115℃。

乙烯低温压
缩机低温材料的选择，影响机组的安全运行。

转子件常温开车、低温运行的特性，需要对转子件部件的过盈传递特殊分析。

压缩机出口隔板蜗室截面优化，提高机
组效率、降低运营成本。

乙烯低温铸造机壳结构的改进，减小铸造难度，缩短生
产周期，降低生产成本。

乙烯低温新技术研究提升了乙烯装置国产化水平，增强
国际竞争力。

关键词：乙烯低温；压缩机；新技术
引言
乙烯是世界上产量最大的化学产品之一，乙烯装置是石油化工产业的核心，
乙烯产品占石化产品的75%以上。

公司目前成套生产乙烯压缩机组10余套，从
起初的技术引进、消化吸收，到自主研发成套，积累的丰富的经验。

现以某项目
为对象，针对乙烯低温压缩机组结构、成本、材料、性能、开车、运行中出现的
问题，对压缩机的设计进行改进与优化。

1乙烯低温铸造机壳的新结构
低温压缩机一般工作在-50～-20℃，乙烯低温压缩机的工作温度更低，达到-115℃。

由于-115℃低温下焊接机壳焊缝处强度难以保证，考虑低温结霜等因素，乙烯压缩机均采用铸造不锈钢的结构。

铸造机壳体积庞大，轴承箱腔体结构复杂，铸造加工等成本较高，且铸壳一般都要根据工艺要求重新设计，给实际应用带来
很大困难。

通用-新比隆(GE-NuoVoPignone)公司压缩机采用一种M+B的结构，即MCL水平剖分的压缩机结构+BCL垂直剖分的端盖结构。

针对中压（40kg/cm2左右）压缩机，能够有效的降低BCL筒形压缩的锻造成本保证机组安全运行，又汲
取了MCL水平剖分结构压缩机易于安装检修、加工制造周期短的优势。

公司根据M+B结构所做的改进铸造机壳，也是采用MCL水平剖分结构，根据MCL水平焊
接机壳的经验，对复杂的轴承区结构进行了优化，降低了铸造难度，减少铸造缺
陷点。

原铸造不锈钢机壳因结构复杂，缺陷较多，国内厂家的铸造质量很难满足
设计要求，改进后的铸造机壳则完全弥补了这一缺陷，不但能节省成本，还缩短
了制造周期。

2低温压缩机的材料选用
2.1低温压缩机转子的材料选用
转子部件中与低温介质接触的零部件包括叶轮、隔套、轴套、螺钉和螺母等。

当设计温度低于－101℃，高于－183℃以上转子的上述零部件材料可以选用含镍
高的合金钢；当机组设计温度高于－101℃以上，叶轮、隔套、轴套和平衡盘材
料选用含镍的合金钢。

当机组的设计温度高于－50℃以上，主轴材料可以选用一
般的合金钢，但在主轴加工图样上应标明低温试验温度和冲击功值，并给出合适
的力学性能指标。

2.2低温压缩机定子的材料选用
压缩机定子部件是压缩机中最大的组部件，零件数量最多，使用材料种类繁多，但主要与低温介质接触的零部件包括机壳、隔板、螺柱、螺母和密封等。

（1）焊接机壳：低温压缩机的焊接机壳的材料一般分为两种，当设计温度在－40℃以上，板材选用16MnDR和锻件选用16MnD锻件。

当设计温度低于－40℃
以下且设计温度高于－70℃以上，板材选用09MnNiDR和锻件选用09MnNiD锻件。

板材的标准为《低温压力容器用低合金钢板》，锻件的使用标准为JB/T4727《低
温压力容器用碳素钢和低合金钢锻件》。

（2）隔板材料的选用：隔板材料比机
壳材料的温度限提高一级。

例如，乙烯机组机壳用ZG10Ni5（－115℃），隔板用25Cr2Ni3Mo（－75℃）锻件。

丙烯机组机壳用ZG10Ni3（－75℃），隔板用
16MnD钢锻件或板材，或铸钢ZG200-400/ZG230-450，或铸铁QT400－18。

设计
温度低于－115℃，隔板的材料可以选用奥氏体不锈钢板材或锻件。

2.3密封材料的选用
低温压缩机的轴端密封采用干气密封，而低温压缩机其余的密封一般均为防
锈铝，标准号为5083，该材料为板材，适用于低温机组，即机器进口气温低于－20℃的机组。

3转子件低温运行的分析
常温压缩机转子部件中叶轮、隔套、平衡盘等与主轴采用热装过盈的配合方式。

过盈量：叶轮＞平衡盘＞隔套，过盈值依据经验选龋或根据ANSYS有限元结
构分析软件，计算转子件轴孔变形量，满足一定的接触要求即可。

对于叶轮部件，在保证接触要求后，还可根据扭矩复核，传递扭矩＞所需扭矩×安全系数。

或根
据CAL47程序计算工程松动转速、绝对松动转速，且绝对松动转速＞工程松动转
速＞最大连续转速×安全系数。

低温压缩机在常温装配后，低温运行时转子冷缩，且叶轮、隔套、平衡盘等与介质直接接触的部件的冷缩量要大于主轴的冷缩量，
实际运行时压缩机的过盈量要大于设计过盈量。

乙烯开车运行也是常温开车，氮
气置换，到压缩乙烯介质，介质切换过程中，压缩机转子的温度也在发生变化。

如果保证开车状态的转子部件的过盈量，则低温运行时机组过盈量过大，远超出
设计值，转子冷缩变形不均匀，容易引起转子部件弯曲变形，导致机组严重不平衡，带来机组联锁停车。

针对以上问题，低温乙烯压缩机组转子部件采取了低过
盈带键配合的方式。

键、键槽均采用圆形、半圆形的结构，避免结构形状的突然
变化导致的应力集中，进而产生低温脆裂现象。

降低转子部件的过盈，常温轻载
开车时，键起主要传递扭矩作用，正常低温运行时，键和过盈共同保证传递扭矩。

Ni基合金钢材料的转子在低温下性能变化大，叶轮、主轴选用该材料时须做冷冻
试验，改善转子低温工作的应力状态。

4隔板优化设计
常规的出口蜗室采用矩形截面，矩形蜗室常用于焊接机壳，由焊壳和隔板围
成一个矩形或正方形的蜗室截面，结构简单，制造方便，常用于对性能考核不是
很严格的机组中。

铸造机壳铸造的优势是可以借助铸壳形成圆形出口截面。

通过
三维建模、ANSYS进行CFD模拟，从扩压器、蜗室截面流场分析矩形出口蜗室截
面存在一个大的漩涡和一个小漩涡，蜗室截面流场紊乱，扩压器和蜗室的流线很
不均匀。

圆形截面蜗室的流场分布均匀，叶轮及扩压器内部流动较好。

结语
在石油化工中，无论是制造合成氨、合成橡胶、乙烯等，还是气体液化等工业，以及科学研究、精密机床加工、食品工业的空气调节，都需要大量的冷源。

冷源是通过制冷装置得到的。

采用的制冷工质有氟里昂、氨、丙烯、乙烯等。

制
冷的基本原理是：利用压缩机将气体压缩，经冷水吸收其热量，使之变为液体，
再膨胀至低压，液体经蒸发吸热作用以达到制冷的目的。

因此，压缩机是制冷装
置的主要设备。

制冷压缩机中的氨冷冻压缩机，丙烯压缩机，乙烯压缩机是我集
团生产主要低温压缩机。

目前，只有氨冷冻压缩机我们在国内市场上有很高的占
有率，其他两种压缩机还主要依赖于进口，所以，还需要继续努力，从材料上及
结构等方面进一步优化，使低温压缩机设计制造水平更上一层楼。

乙烯低温压缩
机新技术的研究：压缩机结构的改进，使设计制造周期缩短、大幅降低生产成本、提高压缩机效率、降低运行成本。

优质低温材料的合理选用，机组转子低温运行
的分析改进，能够保证机组长期安全稳定运行。

新技术的储备，增强了我公司在
乙烯市场的国际竞争力。

参考文献
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