进口压缩机润滑油冷却器国产化设计选型及应用

进口压缩机润滑油冷却器国产化设计选型及应用

马 军

新疆塔里木油田开发事业部桑吉作业区，新疆 巴音郭楞 841000

摘要：本文就大型天然气压缩机润滑油冷却器穿孔故障进行技术分析，同时根据现用的冷却器结构及换热管材质进行综合分析和判断，对压缩机冷却器结构型式和材质进行综合设计，在设备制造厂大力支持下，新型换热器投入使用后，完全达到进口冷却器技术性能且关键技术指标润滑油冷却温度优于进口设备。 关键词：天然气压缩机；润滑油冷却器；设计 中图分类号：TH45 文献标识码：A 文章编号：1671-5799(2015)18-0207-02

油田天然气集输生产过程的关键核心设备是大型天然气压缩机，由于国内压缩机制造技术、水平、工艺材料等达不到安全高效、经济合理的要求，因此天然气压缩机主要从欧美等工业发达国家进口，设计选型初期油田天然气物性参数中硫化氢和二氧化碳基本处于设备可承受范围内，压缩机附属冷却设备材质以及型式均能满足设计需求，气田天然气随着投产区域变化，天然气组分变化较大，油气酸气组分超出设计值，对压缩机附属设备造成损伤，从而影响到机组整体运行。

1 润滑油冷却器使用情况及穿孔分析

天然气外输压缩机自2011年4月投用以来，压缩油冷器管束已累计穿孔8次，合计封堵9根。压缩机润滑油冷却器频繁发生管束穿孔事件，已经严重影响机组及装置的正常运行。经过分析认为压缩机曲轴箱润滑油溶解的硫化氢对油冷器铜质管束产生腐蚀，最终导致管束减薄穿孔。

油冷器管束穿孔后，润滑油进入防冻液里面，从高架水箱喷出，不仅污染整个空冷器及地面，还严重影响机组和装置的安全平稳运行。

2 原因假设分析

由于没有备用油冷器，发生管束穿孔事件后，只能迅速对其进行封堵，无法对穿孔点进行解体分析。初步分析认为是管束质量原因，我们组织相关技术人员及维修人员进行假设分析，对可能存在的隐患进行排查：

（1）管束质量问题。每次刺漏，都发生在管束中段，管束两头胀接处完好，内壁光滑。管束接管部位无质量缺陷。

（2）管束没有结垢或杂质堵塞。 （3）润滑油超压刺漏。润滑油压力一般在0.35-0.42MPa，主油泵有安全泄压装置，压力超高会自动泄压，且查阅机组运行记录，润滑油无超压记录。

（4）长期高温导致管束发生变形穿孔。从日常压缩机水温、油温数据可以看出，其都在正常范围内。

（5）防冻液对管束产生腐蚀。油冷器使用的是乙二醇水基型防冻液，对铜质材料不产生腐蚀。对防冻液进行取样分析，液体洁净、颜色无明显变化，且管束内壁干净无垢、无腐蚀，可以排除这一因素。

（6）润滑油含硫化氢对管束产生腐蚀。压缩机曲轴箱采用的是美孚佳特412润滑油，其自身对铜质材料不产生腐蚀。压缩机在运行的过程中，少量天然气会经过密封填料窜入曲轴箱，这是难以避免的、也是设计允许的。在选择润滑油时已经考虑到了含硫环境，所以选择了抗硫润滑油美孚佳特412。机组在长期运行中，润滑油会溶解少量的硫化氢。润滑油含少量硫化氢对其润滑效果影响不大，但硫化氢对铜质材料会产生一定腐蚀。

经查证，在硫化氢为媒介下，铜和铜合金表面生成“致密氧化膜”（以Cu2O为主体的氧化物薄膜），氧化膜膜质脆，在拉应力作用下发生破裂。纯氧化膜在晶粒上破裂，导致黄铜氧化膜在晶界上破裂。

为了验证润滑油是否含硫化氢，取100g润滑油进行加热，当加热15分钟后，挥发的气体中检测到了硫化氢，浓

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工艺设备

度不低于20ppm。因此，润滑油溶解的硫化氢对管束产生腐蚀的可能性极大。

结论：压缩机曲轴箱润滑油溶解的硫化氢对油冷器铜质管束产生腐蚀，最终导致管束减薄穿孔。为从根本上解决管束腐蚀穿孔，重新设计制造换热效果量相同的油冷器。

3 油冷器国产化选型及设计 3.1 压缩机润滑工艺系统

（1）润滑油路：压缩机气缸润滑油补充油箱→注油器（曲轴驱动的柱塞泵）→无流量开关→精过滤器→分配器→单向阀→气缸、填料各润滑点。

（2）分配器定量供给每个注油点润滑油，各注油点前设单向阀。

（3）设置气缸和填料无油流停机保护装置，就地指示。 （4）经过注油器的润滑油进入分配器，通过油道活塞的运动，分别注入各气缸及填料的润滑点；若某一注油点发生问题（不注油），则导致该处活塞不运动，使整个分配器不工作，从而造成无流量开关报警而停机。

天然气压缩机原厂配套的压缩油冷器为U型两管程换热器，管程介质为防冻液，壳程介质为润滑油，管束规格Ø6×0.2，长度0.90m，180根/台，总换热面积约3.06㎡ 材质 介质 工作压工作温力 度 备注 管程 铜 防冻液 0.2MPa 60℃ 壳程 铸钢 润滑油 0.4MPa 80℃ 3.2 新型换热器设计选型 在安装场地及安装位置满足的条件下，选择固定管板式换热器，管束及隔板采用316L,壳体采用20#钢

3.3 设计参数及边界条件

管束规格：φ19×2长度900mm,总换热面积3.06m2(或稍大于3.06m2均可)。

（1）管程（φ19×2）

材质：316L、介质：防冻液、工作压力：0.2MPa，工作208 2015年18期

温度：60℃

（2）壳程（φ273）

材质：Q235B、介质：润滑油、工作压力：0.4MPa，工作温度：80℃

3.4 材质的选择

黄铜导热系数401W(m.℃），不锈钢导热系数17W(m.℃），按照高效传热要求上说，黄铜是最好的，产品外观尺寸小，便于安装和运输；不锈钢是最差的，由于黄铜作为换热器管束材料，主要是制造工艺复杂、成本高，同时现场缺乏维修手段，总体性价比都不合适；不锈钢316L导热系数低，换热效率低，现场取材方便，维修机具的手段较为成熟，同时制造成本低，制造技术成熟。

德国GE原厂的换热器管束为黄铜，制造周期长，从订单到产品在6个月，现场现有的维修技术采取堵管的办法进行维修，费工费时。

原厂设计制作的油冷器管束直径6mm，油冷器前后端压差0.1MPa，因此流量及流速制约管束换热效率。不锈钢管束直径19mm，不锈钢内壁光滑，流体摩阻系数小，前后端基本无压差。液体过流量大，弥补不锈钢导热系数低问题。

3.5 设计标准

（1）设备按照GB150、GB151等标准组织产品设计、生产，产品满足标准要求，并接受TSGR0004《固定式压力容器安全技术监察规程》的监督。

（2）主要受压原件所以的Q235B钢板应符合GB3274-2008的标准

（3）焊接要求执行NB/T《压力容器焊接规程》

（4）焊接型式与尺寸应符合GB/T985.1-2008《气焊、焊条电弧焊、气体保护焊和高能束焊推荐坡口》

（5）管束与隔板采用强度焊，焊接完成进行热处理 （6）设备制造完成后进行强度试验，壳体按照0.55MPa、管束按照0.28MPa试验。

设备制造图

4 经济效益分析

（1）穿孔造成的润滑油损耗312升，经济损失4.05万元，防冻液浪费832升，经济损失1.27万元

（2）天然气机组停机9小时，放空天然气6.75万方，经济损失18.9万元

（3）进口油冷器采购价5.8万元1台，采购周期为6到9个月，使用寿命为9000小时，国产油冷器制造费用2.5万元

5 使用情况对比

截至到目前，累计使用8000小时，没有出现穿孔污染事件及故障停机，避免停机损失217.98万元，

设备换热主要工作参数情况：润滑油出口温度与同型设

（下转第 210 页）

工艺设备

家呼吁企业响应的号召，更是企业为了自身的发展需要考虑的问题。

3 空分装置的在线监控系统 3.1 自动控制系统

因为空分装置主要有内压缩和外压缩两种类型，不同的类型所对应的控制监测系统也不尽相同，这里主要对内压缩类型进行监控系统上的讲解。内压缩工艺所需要的设备有空压机、增压机、膨胀机和氮压机。在内压缩类型的自动控制系统的设计方面，大致需要注意以下的几点：

第一就是利用分子筛纯化流程,这种流程方案有其自身的优势，主要体现在能够提高氮氧的产量，尤其是对氮气来说，提高产量的效果十分明显，而且氮气的产量一提高，它的放散率自然就会降低，在一定程度上减少了环境的污染，虽然说氮气本身并不属于污染物，但是氮气在提取的过程中会夹杂一些其它的有害气体造成污染，因此采用这种操作流程可以说是一举两得。一般的控制程序不会考虑到空气含量的多少，这其实是一个设计上的盲点。当空气含量比较少的时候，相对应的，对空气进行加热操作所需要的时间也会比较长，在消耗了大量的能源的同时却得到很少的产品，实在是得不偿失。相关的设计人员应该把空气含量这一因素考虑到系统设计中。

第二就是对设备自身质量的要求。当选取各种设备的时候，价格只是需要考虑的因素之一，还需要将设备的质量纳入到考虑的范围内，力求选择出物美价廉的设备仪器。在仪器选择完毕后，还要根据实际生产的情况，对仪器设备进行适当的调整以期满足生产的不同需求。

第三就是要注重节能。其中节约能源最主要的一个方面就是避免将设备一直保持在高压的状态下，应该根据具体的情况做出具体的判断，如果工业所需的气体量减少了的话，就不需要在高压的状态下一直生产气体，应该让设备在低负荷下运作。但是在低负荷下设备可能会出现放空的状况，这也是需要解决的一个问题。

第四是有关于空分中的工艺流程的环节。内压缩设备中的精馏系统建议使用填料塔。填料塔与筛板塔相比，它剩余的液态气体的含量更少，操作的空间更大，此外，它的变负荷更为灵敏，可以使操作负荷在一个更大的区域内变化。自动变负荷的速度快慢是评价该自动控制系统的一个重要指标，因此，当设计系统程序时应该重点考虑如何提高这一性能。 3.2 空分装置联锁逻辑控制

首先解释一下什么叫做联锁逻辑。联锁逻辑实际上体现的也是一个分级的思想，主要指的就是在状态发生改变时根据状态改变的情形不同做出严重级别的判断，DCS就根据这些严重程度的判断发出不同级别的警报，分别以不同的声响代表不同的严重级别。 当然，在警报的同时，还会对这个时候状态的改变情况做出相关的记录，记录一些关键点，比如时间、状态、位置等。只是，在某些情况下，状态的改变带来的联锁会对设备造成损坏，在这种情况下，就必须对系统作出调整，需要添加逻辑条件用来保护设备不遭受损坏。除此之外，空分的整个设备都遵守的一个原则就是失电安全

（上接第 208 页） 备对比，换热后，润滑油冷却温度低2度。

6 进口设备与国产设备优缺点比较

（1）优点：进口设备体积小，换热管束效率高，不受安装空间限制，拆装方便；缺点：设备承压范围低，材质耐腐蚀性差，穿孔后造成润滑油和防冻液污染

（2）国产设备，管束直径大，流体阻力小，弥补管束传热效率低的缺陷，材质抗硫腐蚀，采取固定管板换热器结构，设备免维护性好。

综上所述，进口设备选择合适型式和材质以及制造工艺，

的原则。简单来说就是在失电的情况下，正在运行的设备可以安全的停下来而不会受到损害。

一般来说，如果DCS 发生故障，就是有设备发生了死机现象，主要就是两种情况:操作站或者控制死机。如果是操作站死机，情况还不算严重，不会对自动控制造成影响，只要重新开机就可以了。但是，要是控制死机的话，情况就比较严重了，这时候自动控制已经受到了影响，为了避免出现意外，必须把正在工作的设备停下来，同时还要切断电源，保证阀门的安全。联锁实际上在整个生产过程中发挥着十分重要的作用，因此，必须要保证联锁的严密性，考虑的问题必须要全面。尤其是如果有意外情况发生的时候，如果联锁逻辑方面做的不好，很有可能就会对设备造成严重的损坏。在实际的系统设计过程中，可以选择采取延时操作的方法来避免虚假信号可能带来的联锁反应。不得不说，联锁真的是十分的重要，它对设备的安全性的影响真的非常之大。实际上，它的效果总是加强的，如果联锁做的好，对设备的保护作用就会很强;反之，如果联锁做的不好，对设备的损坏作用也是非常严重的。值得一提的是，完善的联锁设计除了能够保护设备，还可以提高设备的自动化的水平，对操作上的各种误差都可以起到降低的作用。

4 结语

现如今，我国的经济正在快速的发展，对工业生产的需求量也越来越大，这就为空分行业带来了商机，可以想象，这个行业的发展前景将会是一片大好。只是与机会伴随而来的还有竞争。我国在空分行业起步较西方国家晩，虽然经过我国的不懈努力，我国在空分行业里已经占有一片天地，但是在一些领域，例如大型空分装置的研究，我国较西方国家还有一定的差距。在现今异常激烈的国际竞争下，与空气分离有关的影响因素都被成为了不同企业间竞争的筹码。设备装置的规模，程序设计的好坏，都在竞争比较的范围内。不仅如此，空分设备自动化的程度也被纳入考量的一个因素，可以说，自动化已成为现今空分行业的一个发展趋势。而且，我国现在大力宣扬可持续发展，节能减排的力度也是逐年加强，在这样的时代潮流下，空分企业对空气分离装置的气体采集效率、能源利用效率和实际的生产成本都越来越重视。可以预测的是，在未来空分行业的发展，不仅会越来越注重资源的节约性，生产工艺的操作水平，技术的先进性，而且还会注重设备的自动化性能和信息化的程度。

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可以实现降本增效。

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