Бессмазочные, среднескоростные поршневые компрессоры на установке производства водорода

Аннотация

В 2007 году компания Air Liquide приняла решение приобрести и установить модульные, бессмазочные, среднескоростные компрессоры для производства водорода и подачи природного газа на установке производства водорода, обслуживающей нефтеперерабатывающий завод в Южной Америке. Компрессоры успешно работают уже более двух лет. Это статья с рассмотрением конкретного случая будет включать описание выбора компрессора и сведения об истории эксплуатации.

1. Введение

С начала 1990-х годов регламентирование выбросов во всем мире привело к увеличению спроса на водород. Это связано с тем, что водород требуется для многих процессов десульфурации. Промышленные газовые компании построили ряд установок производства водорода по всему миру для удовлетворения потребностей нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленностей.

Большинство используемых на этих установках поршневых компрессоров являются смазываемыми, длинноходными и низкоскоростными. Это связано со сложившимися предпочтениями и представлением, что эти компрессоры являются самыми надежными среди доступных. Следует отметить, что на этих объектах успешно применялись и другие типы поршневых компрессоров. К ним относятся вертикальные компрессоры, а также горизонтальные короткоходные среднескоростные компрессоры.

Несмотря на то что смазываемые компрессоры наиболее распространены на этих объектах, бывают случаи, когда конструкция установки производства водорода или ее компонентов не допускает уноса масла в газовый поток. В таких случаях необходимо принять решение, использовать ли смазываемый компрессор с каплеуловительной системой на стороне нагнетания (для удаления масла) или бессмазочный компрессор (с сухим ходом).

При выборе между смазываемым или бессмазочным компрессором необходимо, среди прочего, учитывать влияние масла на линии нагнетания компрессора, начальную стоимость и стоимость срока службы оборудования, а также частоту требуемого обслуживания. Обычно первоначальная стоимость бессмазочных компрессоров выше из-за более высокой стоимости материалов изнашиваемых деталей. Бессмазочные компрессоры обычно требуют более частого технического обслуживания по сравнению со смазываемыми компрессорами.

В 2007 году компания Air Liquide приняла решение приобрести модульные, бессмазочные, горизонтальные, уравновешенные, короткоходные, среднескоростные поршневые компрессоры для подачи природного газа и производства водорода на новой установке производства водорода, которую компания строила в городе Кампана в Аргентине.

Установка производства водорода была запущена в ноябре 2009 года. В этой статье описываются выбранные компрессоры, дается краткий обзор их конструктивных характеристик и кратко излагается история их эксплуатации.

2. Air Liquide Campana

• 2.1. Установка производства водорода

Air Liquide построила новую установку производства водорода (технология парового риформинга метана) в городе Кампана, провинция Буэнос-Айрес, в Аргентине. Установка подает водород и пар на нефтеперерабатывающий завод Esso Petrolera Argentina для использования в производстве бензина.

До этого проекта Air Liquide обычно закупала вертикальные, низкоскоростные компрессоры для объектов такого типа. Решение о покупке короткоходных, среднескоростных компрессоров для проекта в г. Кампана основывалось на стоимости доставки, компактности размеров и капитальной стоимости. Наличие запасных частей и рекомендации для аналогичных случаев применения также повлияли на решение о покупке среднескоростных поршневых компрессоров.

Решение о применении бессмазочных компрессоров как для подачи природного газа, так и для производства водорода было основано на различных требованиях. В первую очередь применение бессмазочных компрессоров для подачи природного газа было необходимо для предотвращения загрязнения маслом технологического процесса и производственного оборудования Air Liquide. Компрессоры для сжатия водорода должны были быть бессмазочными согласно требованиям заказчиков Air Liquide.

• 2.2. Требования к Компрессору

  • 2.2.1. Подача природного газа

    Давление всасывания (бар абс.)	11
    Давление нагнетания (бар абс.)	41
    Относительная плотность газа	0.5727
    Требуемая производительность (Нм3/ч)	6800

    Табл. 1 Требования к сжатию подаваемого газа

  • 2.2.2. Производство водорода

    Давление всасывания (бар абс.)	28
    Давление нагнетания (бар абс.)	54
    Относительная плотность газа	0.0741
    Требуемая производительность (Нм3/ч)	15400

    Табл. 2 Требования к сжатию водорода

3. Выбор компрессоров

Компания Air Liquide приобрела для каждого назначения два бессмазочных, неохлаждаемых, короткоходных, среднескоростных поршневых компрессора, приводимых в движение электродвигателем и работающих со 100% мощностью (как правило, Air Liquide приобретает для своих установок производства водорода либо две установки, работающих со 100% мощностью, либо три установки, работающих с 50% мощностью).

Ниже приводится краткое описание выбора компрессоров и сведения о расчетных характеристиках каждого из них.

• 3.1. Подача природного газа

  Бессмазочный, короткоходный, среднескоростной, двухступенчатый, двухрядный компрессор, приводимый в движение асинхронным электродвигателем с короткозамкнутым ротором с мощностью 500 кВт и частотой вращения 750 об/мин.

  Данные цилиндра	Ступень 1	Ступень 2
  Диаметр зеркала цилиндра, мм	358.78	244.48
  МДРД цилиндра, бар изб.	56.2	87.6

  Расчет характеристик компрессора

  Ступень	1	2
  Расчетный расход, Нм3/ч	6876	6860
  Относительная плотность газа	0.5727	0.5726
  Коэффициент удельной теплоемкости (N)	cc	1.2864
  Давление всасывания (бар абс.)	11	21.72
  Температура всасывания (C)	37.1	40
  Давление нагнетания (бар абс.)	22.15	41
  Температура нагнетания (C)	96	96

• 3.2. Производство водорода

  Бессмазочный, короткоходный, среднескоростной, двухступенчатый, двухрядный компрессор, приводимый в движение асинхронным электродвигателем с короткозамкнутым ротором с мощностью 500 кВт и частотой вращения 750 об/мин.

  Данные цилиндра	Ряд 1	Ряд 2
  Диаметр зеркала цилиндра, мм	244.48	244.48
  МДРД цилиндра, бар изб.	87.6	87.6

  Ступень	1
  Расчетный расход, Нм3/ч	15503
  Относительная плотность газа	0.0741
  Коэффициент удельной теплоемкости (N)	1.4047
  Давление всасывания (бар абс.)	28
  Температура всасывания (C)	45
  Давление нагнетания (бар абс.)	54
  Температура нагнетания (C)	119

4. Проектные характеристики компрессора

Как отмечалось ранее, модели станин компрессоров одинаковы для обоих функциональных назначений. Следующий обзор относится как к компрессорам подачи природного газа, так и к компрессорам производства водорода, если не указано иное.

• 4.1. Станины компрессора

  • Модель — JGT/2
  • Ход компрессора (мм) — 114,3
  • Диаметр поршневого штока (мм) — 50,8
  • Номинальная частота вращения (об/мин) — 1500
  • Рабочая частота вращения (об/мин) — 744
  • Средняя скорость поршня (м/с) — 2,8
  • Номинальная нагрузка на шток при растяжении (кН) — 165
  • (средние значения расчетной нагрузки на шток при растяжении составили 119 кН и 103 кН соответственно)
  • Отсеки направляющей крейцкопфа API 618, тип C

• 4.2. Корпусы цилиндров

  • Материал — высокопрочный чугун ASTM A395
  • Неохлаждаемый
  • Безгильзовый — упрочнение методом ионного азотирования до твердости приблизительно 57 единиц по шкале C Роквелла.
  • Шероховатость поверхности — 0,15 микрометра
   

• 4.3. Поршни с шатунами

  • Материал поршня — серый чугун ASTM A48, класс 30 (2 шт.)
  • Материал поршневого штока — низколегированная углеродистая сталь с покрытием из карбида вольфрама
  • Шероховатость поверхности — 0,2 микрометра
  • Опорные кольца
    • 1 шт., угловой срез
    • Уравновешенные
    • Удельная нагрузка опорное кольцо не более 0,035 Н/мм2
    • Специальный полимерный сплав для работы без масла.
  • Поршневые кольца
    • 1 шт., угловой срез
    • Специальный полимерный сплав для работы без масла.

4.4. Сальник

Корпус сальника с водяным охлаждением — углеродистая сталь. Сальник с продувкой азотом. Сочетание наборов разрезных и неразрезанных колец сальников. Специальный полимерный сплав для работы без масла. Наборы промежуточных и грязесъемных сальников содержат амортизированные кольца сальников.

• 4.5. Клапаны

  • Компрессор подачи природного газа
    • Клапан с неметаллической пластиной
    • Подъем 2,59 мм
  • Компрессор для сжатия водорода
    • Неметаллический концентрический клапан
    • Подъем 0,99 мм
  • Разработан для работы без смазки
  • Разгрузочные устройства всасывающего клапана депрессорного типа с внешней стороны клапана.
  • Термопары для контроля температур нагнетательного клапана.

5. История эксплуатации

Компрессоры работают на ротационной основе. Обычно смена установок производится каждые шесть месяцев. Компрессоры для сжатия природного газа работают на мощности 100%; компрессоры для сжатия водорода работают на мощности 50%.

По состоянию на март 2012 года наработка установки составила приблизительно 18 000 часов. Ниже приведены часы работы отдельных компрессоров.

• Подача природного газа
  • Установка 1 — 12 086 часов
  • Установка 2 – 6726 часов

• Водород
  • Установка 1 – 9202 часа
  • Установка 2 – 9334 часа

• 5.1. Результаты проверки

  Проверки были выполнены на двух компрессорах: один компрессор для водорода и один компрессор подачи природного газа. На момент проведения проверки наработка каждого из них составила примерно 9300 часов.

  • 5.1.1. Ходовая часть

    Была проверена ходовая часть обоих компрессоров, и все зазоры оказались в пределах установленных допусков.

5.1.2. Результаты проверки цилиндров

Визуальная и объемная проверки проводились на каждом цилиндре. Ниже приводится краткий обзор этих проверок.

• Поршни с шатунами
• Поршневые штоки (номинальный размер — 50,8 мм)

Поршневые штоки были проверены на наличие повреждений и износа. Все диаметры штока (точки измерения показаны на рис. 8) оказались приемлемыми и составили от 50,76 до 50,78 мм. Все поршневые штоки были очищены и установлены на место, ремонт не потребовался.

Поршни

Были проверены канавки поршневых колец и канавки опорных колец. Значения ширины и глубины всех канавок были в пределах допуска.

Поршневые кольца и опорные кольца

Были измерены следующие параметры поршневых колец и опорных колец: радиальная толщина, осевой зазор и зазоры в замке. Все полученные значения свидетельствовали о нормальном износе. Результаты измерений поршневых колец (ПК) и опорных колец (ОК) компрессора для сжатия водорода показаны в таблице 9 вместе с измерениями аналогичных параметров для новых сменных поршневых и опорных колец.

Размеры зеркала цилиндра

Табл. 3. Результаты измерения поршневых колец и опорных колец

Распространено мнение, что для машин, работающих на критических участках, необходимо использовать охлаждаемые цилиндры, в частности, бессмазочного типа. Как отмечалось выше, цилиндры этих среднескоростных компрессоров не охлаждаются. Размеры изношенных поршневых колец и опорных колец, показанные в таблице 3, находятся в пределах допустимого производителем диапазона. Эти поршневые и опорные кольца можно было установить обратно на место. Однако в связи с наличием запасных поршневых колец и опорных колец было принято решение произвести замену.

Табл. 4. Диаметры зеркала цилиндра, записанные перед проверкой

Кольца сальника

Кольца сальника продемонстрировали нормальный износ. Однако в одном из корпусов сальника компрессора для сжатия водорода были обнаружены сломанные пружины и кольца сальника (см. рис. 9). Все корпусы сальников были очищены, а кольца сальника были заменены кольцами из того же материала.

Клапаны

В отрасли часто высказывается беспокойство относительно большого числа открытия и закрытия клапанов среднескоростного поршневого компрессора по сравнению с клапанами компрессора с большей длиной хода и более низкой скоростью. В данном случае клапаны компрессора открываются и закрываются 744 раза в минуту. Была произведена проверка клапанов в обеих установках, и они оказались в хорошем состоянии. Клапаны были установлены обратно на место на обоих компрессорах. Air Liquide планирует заменить клапаны в ходе проверки на отметке в 16 000 часов.

6. Заключение

Среднескоростные компрессоры хорошо зарекомендовали себя при производстве водорода и подаче природного газа на установке производства водорода компании Air Liquide в Аргентине. После 9300 часов работы были проверены два из четырех компрессоров, и изнашиваемые детали цилиндра (поршневые кольца, сальник и неметаллические компоненты клапана) показали незначительный износ или его отсутствие. Это может быть связано с рядом факторов, в том числе с чистым сухим газом на стороне всасывания компрессора, выбором материала изнашиваемых деталей, консервативной конструкцией и условиями применения, а также сниженными скоростями поршней.

Проще говоря, скорость поршня влияет на «трущиеся детали». Хотя в этих условиях применения скорость вращения выше «нормальной», короткоходные, среднескоростные компрессоры на установке в г. Кампана имеют очень невысокую скорость поршней. Низкие скорости поршней очень хорошо сказываются на сроке службы изнашиваемых деталей.

Несмотря на то что клапаны в этих цилиндрах работают чаще по сравнению с «обычной» частотой для отрасли, эти клапаны оказались в очень хорошем состоянии и были установлены обратно для дальнейшего использования.

Важно отметить, что в описываемых здесь среднескоростных компрессорах используются неохлаждаемые, безгильзовые цилиндры. В отрасли распространена точка зрения, состоящая в том, что для успешной работы требуется охлаждение цилиндров и наличие гильз, особенно в тех случаях, когда необходимо использовать бессмазочные компрессоры. Однако, как показывают результаты проверок, описанных в этой статье, для таких целей подходит и другая конструкция.

За счет консервативной конструкции и условиям применения, а также правильного подбора материалов и конструкции корпуса, среднескоростные поршневые компрессоры очень хорошо подходят для использования в критических областях, таких как установки производства водорода.

7. Справочные материалы

• Google Карты — карта г. Кампана, Аргентина


• Приведенные здесь данные о размерах были взяты из отчетов Air Liquide о проверках / техническом обслуживании от 22 июня 2011 г. и 27 декабря 2011 г.

Благодарности

• Автор хотел бы поблагодарить следующих людей за их неоценимый вклад в написание этой статьи.


• Г-н Тьерри Отт — директор проекта проектирования и строительства — отдел проектирования и строительства Air Liquide


• Г-н Гильермо Теа — главный инженер по техническому обслуживанию — Air Liquide Argentina, SA


• Г-н Марсело Ледесма — инженер по техническому обслуживанию — Hoerbiger Argentina, SA


• Г-н Грег Филлиппи — директор по маркетингу и продаже технологических компрессоров — Ariel Corporation

Статья «Бессмазочные, среднескоростные поршневые компрессоры на установке производства водорода» была написана и представлен Беном Уильямсом в г. Дюссельдорф, Германия, на Европейском форуме поршневых компрессоров 2012 года. Г-н Уильямс является менеджером отдела по применению технологических установок и работе с заказчиками в Ariel Corporation.