引言

目前,石化行業(yè)氫能具備豐富的資源和供給能力,它也是未來(lái)構(gòu)建以清潔能源為主的能源供給系統(tǒng)的重要載體,對(duì)加快能源轉(zhuǎn)型發(fā)展具有重大意義。未來(lái)十年,全球燃料電池乘用車將進(jìn)入快速發(fā)展階段。對(duì)于中國(guó)石化在粵港澳大灣區(qū)首個(gè)投用的商用加氫母站,壓縮機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性至關(guān)重要,本文主要分析影響隔膜壓縮機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的因素和對(duì)策。

1隔膜壓縮機(jī)簡(jiǎn)介

隔膜壓縮機(jī)是一種特殊的容積式壓縮機(jī),曲軸箱內(nèi)組件與一般往復(fù)壓縮機(jī)類似,其余采用特殊結(jié)構(gòu)的活塞桿:液壓油系統(tǒng),運(yùn)行時(shí)通過(guò)一組膜片將膜腔分隔為氣體壓縮腔和液壓油腔:膜片組件,膜片在液壓油推力的作用下完成膨脹、吸氣、壓縮、排氣的循環(huán)過(guò)程。本文主要分析影響氫燃料供氫中心加氫母站隔膜壓縮機(jī)長(zhǎng)周期運(yùn)行的因素及相關(guān)改進(jìn)措施。

2隔膜壓縮機(jī)工作原理

當(dāng)活塞自缸體側(cè)止點(diǎn)向曲軸箱方向運(yùn)行時(shí),膜片跟隨液壓油向平衡位置運(yùn)動(dòng),氣腔容積逐漸增大,殘留在余隙容積內(nèi)的氣體也隨之膨脹,氣腔內(nèi)壓力逐漸降低,當(dāng)壓力低于外部壓力時(shí),開(kāi)始進(jìn)氣:活塞最終到達(dá)曲軸箱側(cè)止點(diǎn),膜片則通過(guò)平衡位置到達(dá)曲軸箱方向止點(diǎn)位置,進(jìn)氣結(jié)束:接著活塞向相反方向運(yùn)行并通過(guò)液壓油推動(dòng)膜片壓縮氣體,氣腔內(nèi)壓力逐漸上升,當(dāng)氣腔壓力達(dá)到排氣壓力時(shí),開(kāi)始排氣:最后膜片重新緊貼缸蓋穹形表面,排氣結(jié)束,膜腔內(nèi)完成一個(gè)工作循環(huán)。在用隔膜壓縮機(jī)參數(shù)如表1所示,內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3隔膜壓縮機(jī)故障因素

表2羅列了機(jī)1、機(jī)2自2020年12月15日投用以來(lái)設(shè)備檢修情況,從故障情況來(lái)看,O型密封圈密封失效及膜片破裂損壞是影響機(jī)組長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行的主要因素。

3.1影響O型密封圈壽命的主要因素

O型密封圈壽命決定隔膜壓縮機(jī)長(zhǎng)周期運(yùn)行的可靠性,可靠的O型密封圈能有效減少設(shè)備的檢維修成本,保證裝置開(kāi)工率。影響隔膜壓縮機(jī)O型密封圈壽命的主要因素有材質(zhì)選型、壓縮變形、間隙咬傷、安裝不當(dāng)引起的扭曲現(xiàn)象和溫度、磨損等。

3.1.1密封圈加工精度及密封面粗糙度因素

圖2為機(jī)1隨動(dòng)閥油路入口損壞O圈,顯示已剪切失效,局部有飛邊現(xiàn)象,徑向有明顯螺紋槽壓痕,另外配合孔密封面粗糙有毛刺,實(shí)測(cè)接頭O型密封圈密封面粗糙度大于Ra3.2。

圖22020年12月機(jī)l隨動(dòng)閥故障情況

損壞原因:隨著接頭螺紋的旋入,O型圈不斷與密封面旋轉(zhuǎn)摩擦,導(dǎo)致O型圈過(guò)度磨損,毛刺刺傷,出現(xiàn)疲勞斷裂。

圖3為機(jī)2氣側(cè)鋼制密封圈,有3處凸起不平整,機(jī)2運(yùn)行一周出現(xiàn)泄漏。

圖32021年7月機(jī)2剛性密封圈故障情況

O型密封圈的設(shè)計(jì)規(guī)范要求:靜密封面粗糙度為Ra1.6~Ra3.2,鋼制膜片要求為Ra0.4,高壓密封面可適當(dāng)提高。從現(xiàn)場(chǎng)加工精度來(lái)看,遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)要求。因此采購(gòu)時(shí),不僅需要完善技術(shù)質(zhì)量證明文件對(duì)制造廠加以約束,而且還要嚴(yán)格把關(guān)制造加工階段的質(zhì)量驗(yàn)收,避免密封圈存在開(kāi)?？s裂、組合飛邊、過(guò)度修邊、飛邊、流痕、凹痕、密封面粗糙度不達(dá)標(biāo)等情況。3.1.2O型密封圈硬度及填充率不足因素

機(jī)1隔膜壓縮機(jī)膜片破裂報(bào)警實(shí)測(cè)值增長(zhǎng)速度過(guò)快(一般5天左右從0MPa升至0.15MPa)。為消除隱患,降低現(xiàn)場(chǎng)人員操作膜片破裂報(bào)警檢測(cè)儀表根部閥的頻率,制造廠家對(duì)密封圈重新進(jìn)行了選型設(shè)計(jì),提高了膜片密封圈的填充率及硬度要求。

制造廠家提供的O型密封圈按企業(yè)自身內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),線徑5.3mm,填充率87.5%,硬度HA75。查閱O型密封圈規(guī)范及使用場(chǎng)合,要求硬度控制在HA75~HA90,填充率65%~90%,因此設(shè)計(jì)雖然符合規(guī)范要求,但根據(jù)高純氫壓力高、易滲透的特點(diǎn),判斷標(biāo)準(zhǔn)偏低。

改造后,硬度達(dá)到HA90,線徑增加到5.5mm,填充率達(dá)到94%。改造后效果明顯,密封圈泄漏情況得到了改善。

3.1.3雜質(zhì)因素

對(duì)于不容易安裝的O型密封圈,不規(guī)范地涂抹潤(rùn)滑脂,會(huì)造成密封頻繁泄漏。因此,密封件間可涂少量與O型密封圈相容的潤(rùn)滑脂,但不得使用含固體添加劑的潤(rùn)滑脂,如二硫化鉬、硫化鋅等。

3.1.4溫度因素

目前隔膜壓縮機(jī)選用的O型密封圈材質(zhì)主要是NBR和FKM,性能參數(shù)如表3所示,基本能滿足生產(chǎn)需要。但從表2可以看出,在廣州每年12月至來(lái)年2月氣溫驟降期間,易發(fā)生密封圈失效泄漏情況。因此,在此期間可進(jìn)行提前預(yù)防性維護(hù),密封點(diǎn)使用定力矩扳手緊固校核。

3.1.5O型密封圈安裝質(zhì)量因素

清潔、安裝O型密封圈時(shí)禁止過(guò)量拉伸。拉伸過(guò)大會(huì)導(dǎo)致O型密封圈截面積減小,出現(xiàn)泄漏。按O型密封圈設(shè)計(jì)規(guī)范,拉伸量不超過(guò)1%~5%,因?yàn)槔?%將使截面直徑減少約0.5%。

3.2影響膜片壽命的主要因素

3.2.1材料因素

隔膜壓縮機(jī)的膜片材質(zhì)有金屬膜片和非金屬膜片兩種。膜片材料應(yīng)具有較高的彈性極限和疲勞極限,目前氫氣隔膜壓縮機(jī)使用的主要有00Cr15Ni5、316、301等材料,市場(chǎng)用金屬膜片的使用壽命一般為4000h左右。為提高膜片的疲勞強(qiáng)度,金屬膜片可在固溶處理后進(jìn)行深冷加工處理,使金屬膜片微觀組織更加細(xì)碎化、更致密,深冷處理可使00Cr15Ni5金屬膜片的強(qiáng)度提高,抗拉強(qiáng)度增加65MhP。但實(shí)際應(yīng)用中由于處理工藝不同,時(shí)效抗拉強(qiáng)度有所差異。

表4中301材質(zhì)含碳量高,硬度高,Ni含量介于00Cr15Ni5和316之間,疲勞抗力較好,適合彈性用途,同樣在冷加工時(shí)抗拉強(qiáng)度可得到明顯提高,也是目前利用較多的材料。此外,碳纖維非金屬膜片也在進(jìn)行研究測(cè)試。

3.2.2摩擦因素

膜片材料、缸蓋和配油盤(pán)密封面的粗糙度也會(huì)影響膜頭的密封性能,膜片成型后需經(jīng)拋光處理,使表面平整、光亮。制造廠家提供的技術(shù)要求:膜片及密封面的粗糙度≤Ra0.4,但從圖4、圖5可以看出,實(shí)際材料的性能遠(yuǎn)未達(dá)到相關(guān)技術(shù)要求。目前制造廠家已提供了經(jīng)過(guò)拋光處理的膜片,運(yùn)行周期有待觀察。

為減少膜片間的摩擦對(duì)膜片壽命的影響,壓縮機(jī)中間膜片需經(jīng)特殊工藝處理,根據(jù)工況可選擇襯.TFEON涂層、黃銅材料等:同類型材質(zhì)的膜片在安裝時(shí)表面之間應(yīng)涂抹適量油層,以減少摩擦。

3.2.3應(yīng)力因素

為提高氫氣產(chǎn)量,膜片的設(shè)計(jì)撓度需盡可能大,膜片表面內(nèi)應(yīng)力分布合理,可降低應(yīng)力曲線峰值,延長(zhǎng)膜片壽命。從圖4和圖5膜片破裂位置看,處于從中心到邊緣徑向尺寸的L5%890%。目前國(guó)內(nèi)加氫母站最大排氣量為1300Nm3/h,這可以為今后Ⅱ期1L00Nm3/h隔膜壓縮機(jī)頭內(nèi)腔曲線設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持。

通常鋼制膜片的厚度控制在0a3~0a5mm,過(guò)厚的膜片會(huì)增加應(yīng)力,較薄的膜片易發(fā)生材料變形和斷裂。一組三張膜片夾持在缸蓋和配油盤(pán)之間,不正確的安裝會(huì)造成膜片應(yīng)力集中。因此,提高膜片及密封面的光潔度以及合理選型O型密封圈,可明顯提升設(shè)備的密封性能。在此基礎(chǔ)上,可適當(dāng)降低缸蓋螺栓的預(yù)緊力,減小膜片的附加應(yīng)力,延長(zhǎng)其使用壽命。

3.2.4介質(zhì)清潔度因素

按《加氫站用隔膜壓縮機(jī)安全使用技術(shù)規(guī)范》(./CCGA40004一2021)[2]要求,壓縮機(jī)入口和潤(rùn)滑油管路均需配置過(guò)濾精度≤25μm的過(guò)濾器。實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中,在氣體來(lái)源出口和壓縮機(jī)入口各設(shè)置一個(gè)過(guò)濾精度為5μm的進(jìn)氣過(guò)濾器,油路也設(shè)置了一個(gè)過(guò)濾精度為5μm的濾芯,基本滿足設(shè)備長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行需求。

3.2.5溫度因素

按《隔膜壓縮機(jī)》(JB/.6905一2019)[3]標(biāo)準(zhǔn)要求,隔膜壓縮機(jī)排氣溫度不超過(guò)1L0℃,過(guò)高的排氣溫度不僅會(huì)降低膜片材料的性能,還會(huì)增加膜片的熱應(yīng)力。因此,需要在膜頭缸蓋增設(shè)水冷設(shè)施和級(jí)間換熱器,以降

圖4機(jī)2外觀及膜片損壞情況

圖5機(jī)1外觀及膜片損壞情況

低膜頭溫度,延長(zhǎng)膜片的使用壽命。

對(duì)于增設(shè)級(jí)間換熱器的機(jī)組,還要依據(jù)中國(guó)石化《煉油工藝防腐蝕管理規(guī)定》實(shí)施細(xì)則的要求控制排氣溫度,滿足循環(huán)冷卻水換熱器中工藝介質(zhì)溫度宜小于130℃的要求,減小循環(huán)水垢下腐蝕對(duì)設(shè)備造成的危害。

3.2.6液壓油因素

3.2.6.1調(diào)壓閥因素

液壓油系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行是隔膜壓縮機(jī)長(zhǎng)周期運(yùn)行的重要保障。液壓油系統(tǒng)包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)的曲軸、連桿、十字頭和特制活塞,通過(guò)活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng),產(chǎn)生液壓油壓力,推動(dòng)油側(cè)膜片向氣體側(cè)運(yùn)動(dòng),從而壓縮氣體,將氣體排出。此外,系統(tǒng)還包括調(diào)壓閥、柱塞泵、單向閥等。

液壓油壓力的設(shè)定是通過(guò)安裝在隔膜頭上的調(diào)壓閥來(lái)完成,其控制隔膜頭的排油壓力,通常設(shè)定壓力高出排氣壓力5%~20%。目前,調(diào)壓閥有兩種形式,一種是固定壓力調(diào)壓模式,可通過(guò)旋啟調(diào)壓閥手輪調(diào)整設(shè)定壓力:另外一種是隨動(dòng)閥,可根據(jù)氣側(cè)入口壓力的變化實(shí)時(shí)調(diào)整膜頭油壓。

實(shí)際高純氫充裝過(guò)程中,壓縮機(jī)出口壓力、緩沖罐壓力波動(dòng)明顯,幅度在1.5~2.0MMP,波動(dòng)較大。此時(shí),固定壓力的調(diào)壓閥由于調(diào)壓不及時(shí),隔膜頭缸蓋會(huì)出現(xiàn)異常拍缸現(xiàn)象,而安裝隨動(dòng)閥側(cè)的膜頭,壓力適應(yīng)性較好,運(yùn)行狀況良好。

3.2.6.2柱塞泵能力不足因素

目前在用的膜頭供油方式分外置油泵供油和軸頭主油泵供油兩種方式。2021年a月,機(jī)2隔膜頭出現(xiàn)回油中斷、二級(jí)膜片破裂的故障,分析判斷主要是二級(jí)隔膜頭柱塞泵供油不足導(dǎo)致。

設(shè)備一級(jí)齒輪76齒,增速齒輪28齒,主電機(jī)轉(zhuǎn)速3654/rin。為提高供油量,計(jì)劃將增速齒輪改為22齒,改造后油量增加2.9L/rin,各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)恢復(fù)正常。

4結(jié)語(yǔ)

加氫母站隔膜壓縮機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行,是確保高純氫持續(xù)供應(yīng)、助力粵港澳大灣區(qū)氫能產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要因素。該站目前投用的隔膜壓縮機(jī)是國(guó)內(nèi)能力最大的機(jī)型,理論設(shè)計(jì)與實(shí)際運(yùn)行參數(shù)存在一定差距,本文通過(guò)總結(jié)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的故障,并結(jié)合理論實(shí)際進(jìn)行有針對(duì)性的改進(jìn)和調(diào)整,為今后氫能設(shè)備的穩(wěn)定保供、更大能力隔膜壓縮機(jī)的改進(jìn)、設(shè)備的采購(gòu)選型以及行業(yè)規(guī)范的補(bǔ)充完善提供了一定的數(shù)據(jù)支持。