真空喷射器替代K02101压缩机油雾风机技改简介

(中海石油天野化工股份有限公司，内蒙古 呼和浩特 010070)

2005年，天野公司完成了油改气联产甲醇装置的建设，为化肥装置输送天然气的透平压缩机K02101由德国阿特拉斯制造，流量 33 715 m3/h，转速11 660 r/min(透平)。该压缩机属多轴系齿轮箱结构形式，高速齿轮轴为悬臂转子，经4级叶轮压缩，出口压力7.9 MPa。其油箱上部装有1台油雾风机，维持油箱负压，确保输油管线回油畅通，油系统构成如图1。

图1 油系统构成示意

1 油雾风机运行状况及出现的问题

1.1 运行状况

油雾风机的主要作用是确保输油管线回油畅通，一旦出现故障，将发生如下情况。

(1)由于齿轮箱和油箱是相连通的，高速旋转的齿轮产生的油烟及热量，使油箱内形成正压，造成轴承回油管润滑油回到油箱的流速减小，增加了轴承油位，导致轴承油封漏油。

(2)轴承回油管线略高于油箱，造成回油慢，轴承油位升高。主电机轴承产生的热量没有迅速被带走，导致轴承温度高。

(3)梳齿状油封在油位升高时，也会漏油。

一旦发生润滑油大量泄漏，可能出现着火或者损坏轴承等事故。所以在油雾风机停止运行后，K02101压缩机也将被迫停止运行。

1.2 历年出现过的问题

2007年5月14日，电机抱轴，油雾风机停止工作，K02101压缩机紧急打闸停车。

2007年8月21日，操作人员误操作，按下停止按钮，发现后及时启动，润滑油少量泄漏，未影响K02101压缩机的正常运行。

2008年4月23日，油雾风机断电，润滑油大量泄漏，引发着火事故，K02101压缩机紧停。

所以，为了避免因油雾风机故障而造成K02101停止运行，必须对其实施技术改造。

2 改造方案

针对单台油雾风机停止运转后造成油封漏油的情况，对原设计进行改进。在K02101压缩机正常运行的状况下，增加1台可以抽出油箱中油烟气和氮气，保证在原油雾风机停运后，仍能维持油箱负压的设备。

经过论证后，提出两套方案，方案一是增加1台油雾风机；方案二是增加1台真空(蒸汽)喷射器。对比后决定实施方案二。

蒸汽喷射器是完成能量转换的一种装置，由一定能量(压力和流量)的工作流体，将热能、压力能转换为动能，经过喷嘴射出形成高速射流；由于射流和空气之间产生卷吸作用和紊动扩散作用，将吸入室的气体带走，使该处产生局部真空状态。真空喷射器有如下特点: 无机械运动部件，工作不受润滑、振动等条件限制；结构简单，工作稳定可靠，使用寿命长，只要真空喷射器的结构、材质选择适当，可以很好地抽出含有大量水蒸气、粉尘，易燃、易爆及有腐蚀性的气体；系统无油污染；工作压力范围较宽，可以根据需要产生不同的真空度。

真空喷射器动力由0.98 MPa蒸汽提供，安装空气阀，调节吸入口压力，稳定油箱真空度在-0.6 kPa。

2.1 真空喷射器的设计条件

2.1.1工艺条件

动力蒸汽压力p0=(0.98+0.1) MPa =11.0 atm(A)(1 atm=101.325 kPa；下同)

动力蒸汽温度t0=180 ℃

吸入气体压力 320 mmHg(1 mmHg=0.133 3 kPa；下同)

排出气体压力p2=0.01 kgf/cm2=1.01 atm(1 kgf/cm2=9 806.65 kPa；下同)

油箱吸入的气体总量Gm=20 kg/h，其中，氮气量GA=14 kg/h、油气量Gn=6 kg/h。

2.1.2环境条件

当地大气压力 760 mmHg

2.1.3油箱需具备的条件

真空度p1=-0.6 atm

2.2 蒸汽喷射器级数的选择

据表1选取蒸汽喷射器的级数。吸入压力为320 mmHg，选取一级蒸汽喷射器。其工作参数的选择如下：

表1 各级喷射器可达到的真空度范围

据K=1.68、E=18.3，由图2查得喷射系数μ=1.25，则工作蒸汽消耗量

图2 喷射系数确定图

2.3 喷射器各部分尺寸计算

2.3.1喷嘴尺寸

入口处直径d1=5d=5×2=10 mm

出口处直径d2=C×d=1.92×2=3.8 mm

据膨胀比E=18.3，由表2查得C=1.92。

表2 喷嘴的计算系数(C)

收缩角α1=60°

扩张角α2=15°

喉部长度l=1.2d=1.2×2=2.4 mm

收缩段长度l1=(d1-d)/1.1548=(10-2)/1.1548=6.9 mm

扩张段长度l2=(d2-d)/0.2634=(3.8-2)/0.2634=6.8 mm

2.3.2扩散管各部分尺寸

入口处直径D1=1.5D=18.2mm

出口处直径D2=1.8D=21.8mm

收缩角φ1=5°44′

扩张角φ2=9°08′

喉部长度L=3D=36.3 mm

收缩段长度L1=5D=60.5 mm

扩张段长度L2=5D=60.5 mm

2.3.3喷嘴出口处到扩张管入口处距离A的计算

喷射系数μ=1.25>0.5，则蒸汽自由喷射射流长度lc的计算如下：

lc=[(0.37+μ)/4.4a]d2=15.5 mm(实验常数a取0.09)

蒸汽自由喷射射流在距喷嘴出口截面处lc处直径dc为：

dc=1.55d2(1+μ) =13.3 mm

在lc=15.5 mm处扩散管收缩部分直径Dc为：

Dc=D+0.1[L1―(lc―A)]=16.6+0.1A

如果A=0 mm，则Dc=16.6 mm；而Dc=16.6>dc=13.3，则A=0 mm。即喷嘴出口和扩散管入口在同一断面。

2.3.4混合室尺寸

D=12.1 mm，据表3采用φ89×4 mm的管子作为混合室。

表3 扩散管喉颈D和混合室直径Do的关系

吸入口直径De=4.6(Gm/p1)0.48=24.7 mm，则选用φ32×3.5 mm的管子作为吸入管。

高度H=De+10=32+10=42 mm

2.3.5蒸汽喷射器结构图(图3、图4)

图3 喷嘴尺寸图

图4 喷嘴、扩散管、混合室尺寸图

3 施工措施

设计一套满足油箱抽负压的蒸汽喷射器，如图5。在油雾风机空气过滤器处安装三通，一个接口继续接阀门和空气滤芯；另一个接口连接蒸汽喷射器。这种改进有如下好处。

三通为内螺纹连接，不需要停K02101压缩机焊接管线，可以在线连接蒸汽喷射器。

对原来油雾风机的工作流程影响较小。关闭蒸汽喷射器抽气入口阀门后，油箱氮气、烟气仍可通过油雾风机排放；并且，调整空气进量，也是按照原油雾风机空气滤芯处的阀门控制，并没有改变原设计流程及操作方式。

图5 增设蒸汽喷射器后系统简图

与原空气滤芯连接处的三通采用螺纹连接的方式。减少焊渣、铁锈等杂质进入原油雾风机叶轮及管线，保证润滑油和油雾风机的使用安全。

充分利用原油雾风机入口滤芯，节省了制作油气滤芯的费用。在油箱上部有一较大圆筒形设备，内部安装16组油气滤芯，起到分离油和气体的作用。如果将蒸汽喷射器入口管线直接与油箱顶部相连，抽走烟气和氮气的同时，还会带走大量的油滴，造成环境污染和润滑油的浪费。而将蒸汽喷射器入口管线接到油气分离器之后，则能够保证润滑油与气体的分离。

串接蒸汽喷射器后，对新安装的管线进行蒸汽吹扫，清理拉瓦尔喷嘴三次，除去焊渣、铁屑等杂物。第四次投用后，关闭蒸汽喷射器抽气入口阀门，负压表长时间稳定指示在-0.6 kPa。与K02101压缩机正常运行时要求的负压值一致，蒸汽喷射器可以投入使用。

4 效果评价

4.1 运行情况

停止油雾风机，投用蒸汽喷射器后，油箱负压表仍显示-0.6 kPa，表明蒸汽喷射器完全可以代替油雾风机，起到维持润滑油管回油顺畅的作用。

增设蒸汽喷射器后，可以实现油雾风机和喷射器的在线切换；在一台抽负压设备出现故障后，另一台可以正常运行，确保K02101压缩机的正常运行。

蒸汽喷射器运行稳定，不受电源和人员操作的影响，而且0.98 MPa动力蒸汽管网较为稳定，所以油箱负压也比较平稳，避免了中控人员的误操作和断电隐患。

4.2 经济效益

(1)直接节省费用。增加一台油雾风机需11.5万元，而采用蒸汽喷射器支出2万元，节省11.5-2=9.5万元。运行费用方面，油雾风机为2.2 kW·h/h×0.51元/kW·h=1.122元/h；蒸汽喷射器为0.016 t/h×58元/t=0.928元/h。

(2)间接节省费用。以2008年4月23日K02101油雾风机断电后，因润滑油大量泄漏引发着火的停车事故为例，尿素装置停车12 h，以每小时产尿素73 t，吨尿2 400元计，共损失为12 h×73 t/h×2 400元/t=288万元。如因着火造成事故扩大和派生事故发生，损失将更大。

5 结束语

在油箱上增设蒸汽喷射器来维持油箱负压的技术改造的实践表明，蒸汽喷射器可以广泛应用于需要在负压情况下运行的设备中。而提高流体压力不直接消耗机械能是喷射器的基本特点，更简单可靠。此外，蒸汽喷射器系统比较简单，制造也不复杂，可以应用到其他类似的设备上。

实现装置长周期稳定运行是生产企业追求的目标，随着对压缩机运行状况的不断研究和摸索，必然会将各种隐患和问题一一予以处理，进而实现K02101压缩机的安全、稳定、长周期运行。

参考文献:

[1][苏]索科洛夫，津格尔著；黄秋云译.喷射器[M].北京:科学出版社，1977.

[2]薛才利.蒸汽喷射器的简易计算[J]. 石油化工设备简讯(现化工设备与管道)，1976，13(3).

[3]陆宏圻著. 射流泵技术的理论及应用[M]. 北京: 水利电力出版社，1989.

[4]真空设计手册编写组编. 真空设计手册[M]. 北京: 国防工业出版社，1979.

[5]季建刚，王如竹，黎立新.蒸汽喷射压缩器特性计算与分析[J].船舶工程，2006，28(5)，46～49.

[6]陆鑫盛，周洪编著. 气动自动化系统的优化设计[M]. 上海:上海科学技术文献出版社，2000.

[7]韦红旗.气体喷射压缩器变工况特性的理论研究[J].流体机械，2004，33(5):20～24.

[8]王欲知主编. 真空技术[M]. 成都:四川科学技术出版社，1985.

[9]成大先主编.机械设计手册(第三版)[M]. 北京:化学工业出版社，2000.

[10]徐成海主编.真空工程技术[M].北京:化学工业出版社，2006.