立式压缩机在多晶硅领域的应用

柴卓，刘斌，胡波，王国鹏

(沈阳远大压缩机有限公司，辽宁 沈阳 110027)

0 引言

在应对全球气候变暖的战略中，我国光伏发电产业占据着不可或缺的地位，因为全球至少80% 的太阳能组件和电池板是由我国制造商生产的。在这种大环境下，我国光伏、半导体等行业规模随之快速扩大，对多晶硅的需求也日益增加。多晶硅作为光伏电池的主要材料，根据纯度分为太阳能级(光伏级)和电子级(半导体级)。在高纯度多晶硅的生产工艺中，氢气的压力、硅纯度至关重要。设计及制造出符合多晶硅工艺要求的氢气压缩机，对多晶硅生产、光伏发电产业起着关键作用。本文阐述了立式压缩机在设计及应用过程中其技术特点的考虑与总结。

1 压缩机应用环境

目前国际上高纯多晶硅的制备方法主要采用改良西门子法(闭环式三氯氢硅还原法)，通过氯气(Cl2)和氢气(H2)合成氯化氢(HCl)，氯化氢(HCl)配比适当的冶金硅粉在对应温度下生成三氯氢硅(SiHCl3)。将分离精馏提纯后的三氯氢硅(SiHCl3) 引入还原炉中与氢气进行化学反应，通过化学气相沉积(CVD)反应可生成高纯度的多晶硅产品。多晶硅压缩机主要应用于“原料气装置”“冷氢化装置”“尾气回收装置”。所压缩的介质主要有氢气(H2)、氯化氢(HCl)、二氯氢硅(SiHCl2)、三氯氢硅(SiHCl3)、四氯化硅(SiCl4)等，其中H2为易燃易爆介质，而HCl、SiHCl2、SiHCl3、SiCl4介质与空气中的水分接触后会形成有毒且具有强腐蚀性的白雾状介质，对与工艺气接触的金属零件产生腐蚀性破坏。通常，在工艺介质中含有一定量的硅粉，硅粉可加速密封环、导向环的磨损，是设计多晶硅压缩机过程重点考虑的问题之一。多晶硅压缩机内部介质泄漏至曲轴箱，则会导致润滑油变质、酸化，进而造成运动机构腐蚀失效。因此，多晶硅压缩机在设计过程中应注意防止外界油、水等进入工作腔，更应防止工艺气体泄漏到周围设备环境中。

2 压缩机结构介绍

压缩机通过驱动机提供动力源，带动曲轴-连杆旋转，并通过连杆-十字头将曲轴的旋转运动转化为十字头-活塞的往复直线运动。活塞在气缸中形成一个体积可变化的封闭空间，通过活塞的往复运动使气缸内的封闭空间发生体积变化，进而实现气体增压，并在气阀的作用下形成单向流动的气体，将高压气体不断输送到下游设备。如果将十字头—活塞的往复运动布置在水平方向上，则为卧式压缩机，如果布置在垂直方向上则为立式压缩机。普通压缩机活塞上设置有导向环和活塞环，活塞杆上设有填料环。导向环的作用是使活塞尽量保持与气缸进行同心运动；活塞环、填料环是为了形成密封腔体，防止工艺气体的泄漏。为了提高气缸活塞的利用率，活塞的两侧都做成密封腔体，通常称为双作用气缸。靠近缸盖侧的腔体，通常不设置活塞杆，通过缸盖和活塞环形成密封腔体，称为盖侧工作腔；靠近曲轴侧的腔体，含有活塞杆，需要设置填料与活塞环形成密封腔体，称为轴侧工作腔[1]。

在气缸与机身之间设置有接筒(隔离室)和中体(十字头滑道)，接筒和中体都有较大的窗口，用于拆装填料和十字头。接筒中设有给填料通水、注油、充氮等接管。接筒与中体之间设有刮油器，阻止机身、中体内的润滑油进入到接筒[2]。

无论是卧式压缩机还是立式压缩机，其组成结构都是相同的，不同的是对十字头—活塞的往复运动布置方向有所区别，这一点在下文中进行详细介绍和对比。

3 立式机的优势

3.1 活塞与气缸保持良好的同心度

由于立式机的活塞进行垂直往复运动，其重力在水平方向上的分力几乎为零，其他力对活塞产生的水平分力也可以忽略或抵消，所以活塞在运动过程中可以与气缸保持更好的同心度。

活塞上设置了起导向作用的导向环(又名支承环)，是保证活塞往复运动的关键元件之一，可以防止活塞运动过程中偏离缸体中心。导向环的性能与自身材料性质、结构特点及工作环境关系密切。对卧式压缩机，为了克服重力对活塞运行造成的影响，通过设置导向环将活塞托起至接近气缸中心线位置。同时为了降低导向环的磨损速率，延长其使用寿命，要根据活塞重量计算导向环承受的压力，活塞重量越大，相应的导向环的宽度越大、数量越多[3]。而立式压缩机无论活塞大小、重量多少，都不需要设置较宽的导向环。对于大缸径的压缩机，导向环的宽度甚至可以减少至卧式机导向环的1/8～1/10。由于导向环属于易损件，机组后期运行需要定期更换，因此立式机可以为用户节省很多后期维护成本。同时，过多的导向环在活塞高频往复运行过程中产生的热量，对密封环、导向环的使用效果也会产生不利的影响。而在立式多晶硅压缩机中，由于导向环数量及宽度的减少，不仅可以节省维护成本，避免附加热量产生，还可以大量减少导向环磨损产生的杂质，这样为下游工艺提纯氢气减轻了很多负担。

卧式机的活塞长度会受到导向环环宽度的影响，通常为满足导向环比压需要通过加长活塞来布置足够的导向环，这样使得运动零件的质量及往复惯性力增加，机组综合活塞力增加，影响了机组的受力状态、使用寿命。并且，由于活塞长度的增加，气缸的长度也会相应加长，重量也会随之增大[4]。这样对设备的原材料成本、运输吊装、安装维护等都带来不利影响。在多晶硅压缩机上这一特点尤为突出，因为多晶硅工艺气体中含有特殊介质，对铝制活塞腐蚀严重，因此多晶硅工艺的活塞材质一般不采用铝合金，而采用铸铁、锻钢、铜合金等材料，其制成的活塞一般重量较大，会带来上述问题。然而采用卧式压缩机，其活塞最好的材质为铝合金，虽然满足强度要求，又可以减轻重量，但在多晶硅工艺中对铝的禁用，导致这一矛盾几乎无法解决。但采用立式结构的多晶硅压缩机，可以很大程度上减小活塞的重量，使这一问题迎刃而解。

随着运行时间的增加，卧式机导向环受压一侧的厚度逐渐减小，活塞逐渐向下倾斜。一旦活塞接触气缸，金属零件之间直接接触势必造成活塞、缸套或缸体损坏等问题，发生较严重的机械事故。为了解决此问题，通常在活塞杆上方加装活塞杆下沉监测装置来测量活塞偏离中心的距离。当偏离的距离过大可能会引发事故时，监控系统将提醒维护人员停机检修立式机通过在多个运行周期的验证下，导向环磨损率小，保证了活塞与气缸良好的同心度。上述的这些监控设备的采购成本、维护、操作等生产成本在立式机上均是不需要考虑的。

在活塞杆下沉监测装置报警之前的运行阶段，由于活塞体中心逐渐下沉，而十字头高度未发生变化，导致活塞杆缸盖侧的向下倾斜度逐渐增加，活塞杆与填料盒密封面的垂直度将发生变化。这种状态对于填料环与活塞杆、填料盒的密封性能也会产生不良的影响。对多晶硅压缩机，硅粉向低压侧渗漏的现象也会加剧，最终势必影响填料密封环的使用寿命、缩短检修周期，并造成介质泄漏等问题。

综合以上分析，多晶硅生产工艺中采用立式压缩机可以避免卧式机带来的诸多不利因素。立式机的这一优点从多方面给机组运行带来明显的有利条件，为机组稳定、长期运行提供了良好的保证。

立式压缩机的优点可以总结为以下五项：

(1)保证填料环的良好密封状态、阻止硅粉渗漏；

(2)无需设置活塞杆偏离监控设备；

(3)避免活塞与缸体直接接触造成的机械事故；

(4)活塞质量减小，机组受力得到改善，延长使用寿命；

(5)导向环数量少、宽度小，减少大量摩擦热的累计，减少采购、运行、维修成本。

3.2 减轻硅粉的破坏作用

多晶硅工艺中压缩的气体含有一定量的硅粉，硅粉增大了活塞环、导向环与气缸，填料环与活塞杆之间的摩擦系数，加剧了活塞环、导向环、填料环的磨损。在这种不可避免的工况下，立式压缩机在延长密封环、导向环的寿命方面明显优于卧式压缩机，主要原因通过两种机型结构分别进行讨论分析：

(1) 对卧式机，当硅粉随气流进入气缸以后，在重力作用下分布在缸体底部的硅粉逐渐增多，由于硅粉属于超细粉末，很容易进入到环与金属零件的间隙中。活塞环与气缸底部接触的位置在硅粉的作用下其摩擦系数加大，该位置的磨损概率、磨损速率大大增加，容易造成活塞环、导向环偏磨现象。导向环在重力及粉末的双重作用下，缸体底部的磨损状态加剧、寿命缩短。

(2)对立式机，气缸中的粉末同样受到重力的影响，根据其结构，可分别从活塞与气缸形成的上、下两个工作腔讨论：对上部工作腔，密封环四周与硅粉接触是均匀的，硅粉不会出现因重力作用集中分布到某一区域的现象，环的每个位置摩擦情况大致相同，每个点的摩擦系数也不会过大，产生的磨损速率会明显低于卧式机的情况；对下部工作腔，由于硅粉在重力作用下向缸体底部下落，因此活塞环、导向环接触硅粉的情况明显减弱，磨损情况也相对减轻。

立式气缸中硅粉随重力向下沉降，相当于气体杂质的自重分离，也有利于对下游气体的提纯。

3.3 整体刚性强，结构紧凑

卧式机由于各列气缸、接筒、中体分成两组向机身两侧布置，如果将接筒、中体、机身设计成一个零件，则零件尺寸较大。在加工上需要的工作台、机床设备相应增加，乃至加工车间也会受到影响。零件产成后，其起吊、安装、运输等都会带来很多不便。实际生产中只有小型压缩机可以将中体、机身设计成一个整体，大部分卧式机机身与中体都是分开的。而立式压缩机由于所有运动部件都在同一侧，可实现将各列接筒、中体(十字头滑道)与机身整合到一起，制作成一个零件。即使是大中型机组，整合到一起后的零件尺寸也不会很大，在加工制造上都是可以实现。这样相对于卧式机，不仅零件的尺寸大幅度缩小，整体零件在加工上其形位公差会得到很好保证，更会大大减少像卧式机那样因多组零件组装造成的累计误差，有利于保证十字头、连杆运行过程中与曲轴轴线的垂直度。而且整体零件的刚度相对于分体组装的形式要好很多。

立式压缩机的相邻列气缸也可以做成一体的，最多可以做到三缸一体，这样可以简化整机大型零件数量。以六列的大中型压缩机为例，除运动部件外，仅有两个缸体和一个机身组件，总共3 个零件；而如果同样的机型采用了卧式压缩机，即使中体和隔离室做成一体的，也至少有6 个气缸、6 个中体、1 个机身，共13 个零件。对比立式压缩机，从加工制造、运输吊装、安装施工等各方面都会增加很大的工作量。

3.4 占地面积小

立式压缩机将卧式机分布到机组两侧的气缸、接筒、中体，全部收拢在一个竖直的方向上，气缸接筒置于中体机身的上方，其整体占地尺寸减小。虽然其缓冲器不能像卧式机那样放置在气缸上方，但在机身周围布置立式缓冲器即可，立式缓冲器的占地面积也很小，而且可以预留很多检维修通道，方便巡检与维护。

多晶硅项目通常体量较大，一个生产线采用的压缩机通常在10 台以上，因此可节省的占地面积是很有利用价值的。

4 结语

根据以上对立式压缩机结构的详细介绍，并结合多晶硅生产过程中的特点、难点，不难看出立式压缩机相对卧式机在处理多晶硅生产工艺上具有自己独特的优势。面对目前国内、国际市场对多晶硅产品的广泛需求，相信立式压缩机在此行业中会得到越来越多的认可与青睐。