影响隔膜压缩机长周期运行的因素分析与对策

引言

目前,石化行业氢能具备丰富的资源和供给能力,它也是未来构建以清洁能源为主的能源供给系统的重要载体,对加快能源转型发展具有重大意义。未来十年,全球燃料电池乘用车将进入快速发展阶段。对于中国石化在粤港澳大湾区首个投用的商用加氢母站,压缩机的运行稳定性至关重要,本文主要分析影响隔膜压缩机稳定运行的因素和对策。

1隔膜压缩机简介

隔膜压缩机是一种特殊的容积式压缩机,曲轴箱内组件与一般往复压缩机类似,其余采用特殊结构的活塞杆:液压油系统,运行时通过一组膜片将膜腔分隔为气体压缩腔和液压油腔:膜片组件,膜片在液压油推力的作用下完成膨胀、吸气、压缩、排气的循环过程。本文主要分析影响氢燃料供氢中心加氢母站隔膜压缩机长周期运行的因素及相关改进措施。

2隔膜压缩机工作原理

当活塞自缸体侧止点向曲轴箱方向运行时,膜片跟随液压油向平衡位置运动,气腔容积逐渐增大,残留在余隙容积内的气体也随之膨胀,气腔内压力逐渐降低,当压力低于外部压力时,开始进气:活塞最终到达曲轴箱侧止点,膜片则通过平衡位置到达曲轴箱方向止点位置,进气结束:接着活塞向相反方向运行并通过液压油推动膜片压缩气体,气腔内压力逐渐上升,当气腔压力达到排气压力时,开始排气:最后膜片重新紧贴缸盖穹形表面,排气结束,膜腔内完成一个工作循环。在用隔膜压缩机参数如表1所示,内部结构如图1所示。

3隔膜压缩机故障因素

表2罗列了机1、机2自2020年12月15日投用以来设备检修情况,从故障情况来看,O型密封圈密封失效及膜片破裂损坏是影响机组长周期稳定运行的主要因素。

3.1影响O型密封圈寿命的主要因素

O型密封圈寿命决定隔膜压缩机长周期运行的可靠性,可靠的O型密封圈能有效减少设备的检维修成本,保证装置开工率。影响隔膜压缩机O型密封圈寿命的主要因素有材质选型、压缩变形、间隙咬伤、安装不当引起的扭曲现象和温度、磨损等。

3.1.1密封圈加工精度及密封面粗糙度因素

图2为机1随动阀油路入口损坏O圈,显示已剪切失效,局部有飞边现象,径向有明显螺纹槽压痕,另外配合孔密封面粗糙有毛刺,实测接头O型密封圈密封面粗糙度大于Ra3.2。

图22020年12月机l随动阀故障情况

损坏原因:随着接头螺纹的旋入,O型圈不断与密封面旋转摩擦,导致O型圈过度磨损,毛刺刺伤,出现疲劳断裂。

图3为机2气侧钢制密封圈,有3处凸起不平整,机2运行一周出现泄漏。

图32021年7月机2刚性密封圈故障情况

O型密封圈的设计规范要求:静密封面粗糙度为Ra1.6~Ra3.2,钢制膜片要求为Ra0.4,高压密封面可适当提高。从现场加工精度来看,远远没有达到设计要求。因此采购时,不仅需要完善技术质量证明文件对制造厂加以约束,而且还要严格把关制造加工阶段的质量验收,避免密封圈存在开模缩裂、组合飞边、过度修边、飞边、流痕、凹痕、密封面粗糙度不达标等情况。3.1.2O型密封圈硬度及填充率不足因素

机1隔膜压缩机膜片破裂报警实测值增长速度过快(一般5天左右从0MPa升至0.15MPa)。为消除隐患,降低现场人员操作膜片破裂报警检测仪表根部阀的频率,制造厂家对密封圈重新进行了选型设计,提高了膜片密封圈的填充率及硬度要求。

制造厂家提供的O型密封圈按企业自身内部标准设计,线径5.3mm,填充率87.5%,硬度HA75。查阅O型密封圈规范及使用场合,要求硬度控制在HA75~HA90,填充率65%~90%,因此设计虽然符合规范要求,但根据高纯氢压力高、易渗透的特点,判断标准偏低。

改造后,硬度达到HA90,线径增加到5.5mm,填充率达到94%。改造后效果明显,密封圈泄漏情况得到了改善。

3.1.3杂质因素

对于不容易安装的O型密封圈,不规范地涂抹润滑脂,会造成密封频繁泄漏。因此,密封件间可涂少量与O型密封圈相容的润滑脂,但不得使用含固体添加剂的润滑脂,如二硫化钼、硫化锌等。

3.1.4温度因素

目前隔膜压缩机选用的O型密封圈材质主要是NBR和FKM,性能参数如表3所示,基本能满足生产需要。但从表2可以看出,在广州每年12月至来年2月气温骤降期间,易发生密封圈失效泄漏情况。因此,在此期间可进行提前预防性维护,密封点使用定力矩扳手紧固校核。

3.1.5O型密封圈安装质量因素

清洁、安装O型密封圈时禁止过量拉伸。拉伸过大会导致O型密封圈截面积减小,出现泄漏。按O型密封圈设计规范,拉伸量不超过1%~5%,因为拉伸1%将使截面直径减少约0.5%。

3.2影响膜片寿命的主要因素

3.2.1材料因素

隔膜压缩机的膜片材质有金属膜片和非金属膜片两种。膜片材料应具有较高的弹性极限和疲劳极限,目前氢气隔膜压缩机使用的主要有00Cr15Ni5、316、301等材料,市场用金属膜片的使用寿命一般为4000h左右。为提高膜片的疲劳强度,金属膜片可在固溶处理后进行深冷加工处理,使金属膜片微观组织更加细碎化、更致密,深冷处理可使00Cr15Ni5金属膜片的强度提高,抗拉强度增加65MhP。但实际应用中由于处理工艺不同,时效抗拉强度有所差异。

表4中301材质含碳量高,硬度高,Ni含量介于00Cr15Ni5和316之间,疲劳抗力较好,适合弹性用途,同样在冷加工时抗拉强度可得到明显提高,也是目前利用较多的材料。此外,碳纤维非金属膜片也在进行研究测试。

3.2.2摩擦因素

膜片材料、缸盖和配油盘密封面的粗糙度也会影响膜头的密封性能,膜片成型后需经抛光处理,使表面平整、光亮。制造厂家提供的技术要求:膜片及密封面的粗糙度≤Ra0.4,但从图4、图5可以看出,实际材料的性能远未达到相关技术要求。目前制造厂家已提供了经过抛光处理的膜片,运行周期有待观察。

为减少膜片间的摩擦对膜片寿命的影响,压缩机中间膜片需经特殊工艺处理,根据工况可选择衬.TFEON涂层、黄铜材料等:同类型材质的膜片在安装时表面之间应涂抹适量油层,以减少摩擦。

3.2.3应力因素

为提高氢气产量,膜片的设计挠度需尽可能大,膜片表面内应力分布合理,可降低应力曲线峰值,延长膜片寿命。从图4和图5膜片破裂位置看,处于从中心到边缘径向尺寸的L5%890%。目前国内加氢母站最大排气量为1300Nm3/h,这可以为今后Ⅱ期1L00Nm3/h隔膜压缩机头内腔曲线设计提供数据支持。

通常钢制膜片的厚度控制在0a3~0a5mm,过厚的膜片会增加应力,较薄的膜片易发生材料变形和断裂。一组三张膜片夹持在缸盖和配油盘之间,不正确的安装会造成膜片应力集中。因此,提高膜片及密封面的光洁度以及合理选型O型密封圈,可明显提升设备的密封性能。在此基础上,可适当降低缸盖螺栓的预紧力,减小膜片的附加应力,延长其使用寿命。

3.2.4介质清洁度因素

按《加氢站用隔膜压缩机安全使用技术规范》(./CCGA40004一2021)[2]要求,压缩机入口和润滑油管路均需配置过滤精度≤25μm的过滤器。实际运行过程中,在气体来源出口和压缩机入口各设置一个过滤精度为5μm的进气过滤器,油路也设置了一个过滤精度为5μm的滤芯,基本满足设备长周期稳定运行需求。

3.2.5温度因素

按《隔膜压缩机》(JB/.6905一2019)[3]标准要求,隔膜压缩机排气温度不超过1L0℃,过高的排气温度不仅会降低膜片材料的性能,还会增加膜片的热应力。因此,需要在膜头缸盖增设水冷设施和级间换热器,以降

图4机2外观及膜片损坏情况

图5机1外观及膜片损坏情况

低膜头温度,延长膜片的使用寿命。

对于增设级间换热器的机组,还要依据中国石化《炼油工艺防腐蚀管理规定》实施细则的要求控制排气温度,满足循环冷却水换热器中工艺介质温度宜小于130℃的要求,减小循环水垢下腐蚀对设备造成的危害。

3.2.6液压油因素

3.2.6.1调压阀因素

液压油系统的稳定运行是隔膜压缩机长周期运行的重要保障。液压油系统包括电机驱动的曲轴、连杆、十字头和特制活塞,通过活塞往复运动,产生液压油压力,推动油侧膜片向气体侧运动,从而压缩气体,将气体排出。此外,系统还包括调压阀、柱塞泵、单向阀等。

液压油压力的设定是通过安装在隔膜头上的调压阀来完成,其控制隔膜头的排油压力,通常设定压力高出排气压力5%~20%。目前,调压阀有两种形式,一种是固定压力调压模式,可通过旋启调压阀手轮调整设定压力:另外一种是随动阀,可根据气侧入口压力的变化实时调整膜头油压。

实际高纯氢充装过程中,压缩机出口压力、缓冲罐压力波动明显,幅度在1.5~2.0MMP,波动较大。此时,固定压力的调压阀由于调压不及时,隔膜头缸盖会出现异常拍缸现象,而安装随动阀侧的膜头,压力适应性较好,运行状况良好。

3.2.6.2柱塞泵能力不足因素

目前在用的膜头供油方式分外置油泵供油和轴头主油泵供油两种方式。2021年a月,机2隔膜头出现回油中断、二级膜片破裂的故障,分析判断主要是二级隔膜头柱塞泵供油不足导致。

设备一级齿轮76齿,增速齿轮28齿,主电机转速3654/rin。为提高供油量,计划将增速齿轮改为22齿,改造后油量增加2.9L/rin,各项运行参数恢复正常。

4结语

加氢母站隔膜压缩机的稳定运行,是确保高纯氢持续供应、助力粤港澳大湾区氢能产业高质量发展的重要因素。该站目前投用的隔膜压缩机是国内能力最大的机型,理论设计与实际运行参数存在一定差距,本文通过总结生产现场出现的故障,并结合理论实际进行有针对性的改进和调整,为今后氢能设备的稳定保供、更大能力隔膜压缩机的改进、设备的采购选型以及行业规范的补充完善提供了一定的数据支持。