歐陽(yáng)樂(lè)軍，涂為媛

(1.杭州杭氧壓縮機(jī)有限公司，浙江 杭州，311305；2.杭州制氧機(jī)集團(tuán)股份有限公司，浙江 杭州，311305)

1 引言

濕式氧化工藝是指在高溫高壓的條件下用氧氣作為氧化劑將廢液中有機(jī)污染物氧化成低毒或無(wú)毒物質(zhì)的過(guò)程，從而達(dá)到去除污染物的目的，具有處理效率高，氧化速率快，二次污染少等特點(diǎn)。近年來(lái)，為加快生態(tài)文明體制改革，國(guó)家對(duì)廢液污染物的管控越來(lái)越嚴(yán)格。因此，市場(chǎng)上對(duì)高壓氧氣壓縮機(jī)(以下簡(jiǎn)稱氧壓機(jī))的需求也越來(lái)越多。由于氧氣介質(zhì)的特殊性，特別是高壓氧氣，對(duì)脫脂要求、管道流速、排氣溫度和零部件材料等要求極為嚴(yán)格。本文結(jié)合實(shí)際合同項(xiàng)目，闡述氧壓機(jī)的總體方案、主要零部件以及輔助設(shè)備的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

2 總體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)合同約定及表1中氧壓機(jī)技術(shù)參數(shù)，本項(xiàng)目采用活塞式壓縮機(jī)，將壓縮機(jī)主機(jī)、管路、主電機(jī)、容器、支撐、儀電控系統(tǒng)等全部集成在底架上，形成整體撬裝結(jié)構(gòu)。主電機(jī)采用變頻調(diào)節(jié)，能實(shí)現(xiàn)在690～1380 N·m3/h流量工況下連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。經(jīng)方案設(shè)計(jì)計(jì)算，氧壓機(jī)采用立式三列三級(jí)壓縮、氣缸無(wú)潤(rùn)滑水冷卻型式。

表1 氧壓機(jī)技術(shù)參數(shù)

由于氧氣介質(zhì)獨(dú)有的特性，綜合國(guó)內(nèi)外氧壓機(jī)標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，與氧氣接觸的零部件脫脂不合格、材料選擇不當(dāng)、排氣溫度過(guò)高等都會(huì)引起氧壓機(jī)的燃爆事故，特別是高壓氧壓機(jī)。因此，對(duì)與氧氣接觸的零部件均有嚴(yán)格的脫脂和檢驗(yàn)要求，并按照相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，氧氣管道閥門全部采用自動(dòng)閥，并且對(duì)氧氣管道和閥門的流速、材料選擇、氣缸的排氣溫度等都做了嚴(yán)格要求。此外，對(duì)于氧壓機(jī)機(jī)組的控制系統(tǒng)采用DCS系統(tǒng)，在氧壓機(jī)周圍設(shè)置防護(hù)墻，確保氧壓機(jī)在運(yùn)行中發(fā)生燃爆時(shí)隔離事故，防止對(duì)周圍的人員或設(shè)備造成傷害，使氧壓機(jī)運(yùn)行更加安全。

3 主要零部件設(shè)計(jì)

3.1 氣缸設(shè)計(jì)

氣缸均采用無(wú)油潤(rùn)滑、循環(huán)水冷卻。一、三級(jí)氣缸設(shè)計(jì)成一體，由球墨鑄鐵鑄造而成；二級(jí)氣缸單獨(dú)設(shè)計(jì)，由灰鑄鐵鑄造而成。高壓級(jí)氣缸氣道采用全新設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，承壓能力強(qiáng)，具有良好的鑄造性能和足夠大的緩沖容積。此外，氣缸氣道和水道還設(shè)有加強(qiáng)筋板，提高了氣缸強(qiáng)度，并采用ANSYS有限元應(yīng)力軟件對(duì)部分氣道結(jié)構(gòu)進(jìn)行校核和優(yōu)化(圖1)。

圖1 氣缸氣道應(yīng)力分析

氣缸體內(nèi)襯馬氏體不銹鋼缸套，與氣缸體間隙配合，具有良好的更換性。氣缸套采用帶法蘭邊形式，通過(guò)氣缸蓋螺栓壓緊在氣缸體上，可以防止氣缸套在機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)中發(fā)生旋轉(zhuǎn)。

氣閥裝在氣缸體內(nèi)，采用徑向布置，通過(guò)閥罩和閥蓋壓牢，氣閥采用閉式閥結(jié)構(gòu)，可通過(guò)氣閥裝拆工具拆裝。氣缸體與氣閥閥蓋、氣缸蓋的連接螺栓進(jìn)行強(qiáng)度和疲勞核算，并用扭力扳手按規(guī)定的力矩值緊固。氣缸體與氣閥之間采用退火紫銅墊圈密封，與氣缸蓋、氣閥閥蓋之間采用O型氟橡膠圈密封。氣缸通過(guò)螺栓連接安裝在機(jī)身上，并采用圓柱銷定位。

3.2 活塞設(shè)計(jì)

圖2活塞由活塞體、活塞桿、導(dǎo)向環(huán)、活塞環(huán)、擋油盤等組成。一級(jí)活塞體采用鑄造鋁合金并經(jīng)陽(yáng)極氧化，二、三級(jí)活塞體采用鑄造銅合金，通過(guò)對(duì)活塞體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及不同材料的選用，能有效的對(duì)各級(jí)活塞配重，并對(duì)各列往復(fù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)起到平衡作用?；钊h(huán)和導(dǎo)向環(huán)均采用填充聚四氟乙烯材料，耐磨性更好，使用壽命更長(zhǎng)?；钊麠U采用馬氏體不銹鋼鍛制而成，其螺紋是軋制成的，具有很高的抗疲勞性能，在活塞桿外圓進(jìn)行特殊工藝處理，可以獲得足夠的硬度，還能降低活塞桿與填料摩擦?xí)r的溫度。活塞與活塞桿用鎖緊螺母緊固連接，用扭力扳手按規(guī)定的力矩值預(yù)緊，增加防松墊片結(jié)構(gòu)。此外，還通過(guò)鍵使活塞體和活塞桿固定，防止活塞工作時(shí)發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，使用安全可靠。

圖2 活塞組件

3.3 密封器設(shè)計(jì)

密封器由密封盒、密封環(huán)、法蘭、壓板、螺栓等組成，通過(guò)螺栓緊固在氣缸上，作用是阻止氧氣通過(guò)氣缸與活塞桿之間的縫隙泄漏，主要靠氣體的壓力差來(lái)獲得自緊密封。密封環(huán)分為減壓環(huán)、主密封環(huán)和漏氣密封環(huán)，減壓環(huán)安裝在靠近氣缸側(cè)，起到節(jié)流均壓和減少氣流脈沖的作用。二、三級(jí)密封器采用軟化水冷卻，降低了活塞桿溫度并提高密封環(huán)的使用壽命；密封器上設(shè)有放空口，將泄漏的氧氣通過(guò)密封器匯總管引至室外高處放空；密封器上還設(shè)有充氮保護(hù)裝置，防止從密封器泄漏出來(lái)的氧氣聚集形成富氧環(huán)境，提高氧壓機(jī)運(yùn)行時(shí)的安全。密封器氣道盒子之間采用研磨密封，與水壓板之間采用O型密封圈密封，可以防止冷卻水進(jìn)入密封器氣腔，密封器組件需要按規(guī)定做氣密性試驗(yàn)。

4 輔助設(shè)備設(shè)計(jì)

4.1 氧氣管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于氧氣壓縮機(jī)排氣壓力高，設(shè)計(jì)管道時(shí)必須嚴(yán)格控制氧氣流速、PV值及管道材料的選用。此外，管道布置不僅要美觀整齊，還要保證機(jī)組有足夠的操作和維修空間。圖3是管路部分節(jié)點(diǎn)壓力脈動(dòng)相對(duì)幅值圖，由于往復(fù)壓縮機(jī)氣流脈動(dòng)的存在，設(shè)計(jì)管道系統(tǒng)時(shí)采用專業(yè)的脈動(dòng)分析軟件進(jìn)行校核，通過(guò)調(diào)整緩沖器的容積、管道的大小和走向、支撐的結(jié)構(gòu)和位置等措施把氣流脈動(dòng)值控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，降低了氧氣管道振動(dòng)值，運(yùn)行時(shí)更加安全。氧氣管道法蘭采用金屬纏繞墊片密封，并用測(cè)力扳手扳緊，在用戶現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行氣密性試驗(yàn)，確保連接的可靠性。

圖3 壓力脈動(dòng)相對(duì)幅值

4.2 潤(rùn)滑油系統(tǒng)設(shè)計(jì)

氧壓機(jī)設(shè)有主油泵(壓縮機(jī)曲軸驅(qū)動(dòng))，另外還有一套供油裝置。供油裝置包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)的輔助油泵、油冷卻器、過(guò)濾器、安全閥、壓力控制閥及各種儀表，并集中安裝在一塊底板上。供油裝置上的輔助油泵采用螺桿泵，可以降低運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的噪音并提高可靠性。氧壓機(jī)啟動(dòng)前應(yīng)開(kāi)啟供油裝置輔助油泵，給氧壓機(jī)以預(yù)潤(rùn)滑，當(dāng)氧壓機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)后，機(jī)上油泵工作，輔助油泵停止運(yùn)轉(zhuǎn)。潤(rùn)滑油要通過(guò)油冷卻器進(jìn)行冷卻，然后再在進(jìn)入機(jī)身各潤(rùn)滑點(diǎn)。此外，輔助油泵也用于機(jī)上油泵出現(xiàn)故障時(shí)作為備用。

4.3 撬塊的設(shè)計(jì)

氧壓機(jī)撬塊主要承受機(jī)組的自重、壓縮機(jī)工作過(guò)程中的不平衡慣性力、慣性力矩以及壓縮機(jī)安裝時(shí)地腳螺栓的預(yù)緊力。撬塊由H型鋼焊接制作，并整體進(jìn)行消除焊接應(yīng)力處理。壓縮機(jī)主機(jī)、電機(jī)、容器、管道、支撐、閥門、儀電控系統(tǒng)等集中布置在撬塊上，機(jī)組重心盡量靠近撬塊中心，撬塊上還設(shè)有獨(dú)立的電機(jī)底座、主機(jī)底座、輔機(jī)底板以及加強(qiáng)筋板，不僅可以方便各部件單獨(dú)組裝，還可以提高撬塊的整體強(qiáng)度和剛度以防止底架在吊裝和運(yùn)輸過(guò)程中產(chǎn)生變形。撬塊上每個(gè)地腳螺栓孔兩側(cè)都設(shè)有支緊螺釘，在用戶現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)，用于調(diào)節(jié)機(jī)組水平。

5 結(jié)論

本文主要闡述了撬裝式高壓氧壓機(jī)的總體方案、主要零部件以及輔助設(shè)備的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，旨在提高高壓氧壓機(jī)運(yùn)行的安全性和可靠性。此外，設(shè)計(jì)者還需要從氧壓機(jī)所服務(wù)的工藝流程和安裝環(huán)境等方面考慮是否有其他的要求。氧壓機(jī)機(jī)組采用整體撬裝式結(jié)構(gòu)，輔機(jī)布置和管道走向合理，自動(dòng)化程度高，安裝方便，運(yùn)行安全，可以為工業(yè)廢液處理用濕式氧化工藝裝置提供可靠保證。