氨制冷壓縮機潤滑油國產化研究及應用

王學聰

（中海石油寧波大榭石化有限公司，浙江寧波 315000）

1 概述

1.1 機組概況

某公司150 萬噸/年連續重整裝置再接觸單元氨制冷壓縮機（0211-C-203），是有油濕式螺桿式壓縮機。氨冷系統的主要作用是利用液氨為制冷劑為再接觸系統提供低溫環境，重新建立氣液平衡，使氫氣和油得到有效分離，進一步回收輕烴，提高氫氣純度，其重要性和關鍵性不言而喻。

噴油式螺桿式壓縮機性能高、無余隙容積、效率高，無吸、排氣閥裝置等易損件維修方便，是制冷壓縮機中主要機種之一，應用廣泛[1]。它使用的制冷劑為氨（R717），是目前廣泛使用的天然制冷劑。氨的ODP（高臭氧消耗潛值）、GWP（高溫室效應潛值）均為零，十分環保。

該壓縮機屬于德國進口設備。機組主要由螺桿壓縮機、電機、潤滑油系統、氣路系統和控制系統等組成，該機組具體參數見表1。

表1 氨制冷壓縮機機組參數

1.2 潤滑油使用概況

冷凍機油是一種專門用于對制冷系統壓縮機的運轉部件進行潤滑和密封的潤滑油。它與制冷介質結合在一起，可在制冷壓縮機中跨溫度范圍循環運行，可直接影響制冷系統的制冷效率[2]。

該機組在用潤滑油采用的是進口冷凍機油GEA R-717 Oil1#（CPI1009-68）。是國外很多廠家專用的多元醇脂（POE）68 號冷凍機油。多元醇脂冷凍機油具有較低的傾點和揮發性，較好的氧化安定性和較長使用壽命[3]，可減少維護降低停機時間、減少日常補油量等，推薦用于氨制冷壓縮機、工藝氣體回轉螺桿機和工藝氣體往復機等。潤滑油具體技術參數見表2。

表2 冷凍機油CPI 1009-68 技術參數

該潤滑油自裝置開工穩定使用6 年左右，使用期間性能指標基本達標，日常補油量基本忽略不計，使用壽命可達3 年以上，未發生過設備軸瓦、軸承磨損等故障情況，總體使用效果達標。但是在使用過程過程中仍存在以下問題和限制：①使用過程中長期存在油溫偏高的問題，長期高于50 ℃，尤其是夏季高溫時期可高達55 ℃左右（60 ℃聯鎖停機），需要采取外部淋水降溫手段；②進口冷凍機油采購周期長，時間長達3 個月以上，事故應急能力較差；③進口冷凍機油需原廠采購，價格高、手續繁雜，且受限于人。

2 國產化研究

2.1 氨制冷機對潤滑油的要求

首先研究氨制冷壓縮機對潤滑油的要求，該氨壓機是有油濕式螺桿壓縮機，輸送介質為氨（R717），潤滑油溫度變化大（-2～90 ℃），長期與氨混合接觸，且部分冷凍機油會與氨一起進入到冷卻循環系統。因此對該潤滑油有以下要求[4]：①傾點低，有優良的低溫流動性，保證低溫條件下潤滑油不凝結，且少量進入系統中的潤滑油容易再回到壓縮機；②較高的黏度指數，保證油品運動黏度隨溫度變化小，從而保證設備在較寬的溫度范圍內得到更好的潤滑和密封效果；③較低的酸值，與制冷劑化學穩定性好，不易與制冷劑（氨）介質反應生成沉淀等有害物質；④較高的閃點，確保在高溫下潤滑油揮發性小，減少潤滑油損耗。

2.2 潤滑油國產化對比

通過前期技術研究和后續技術交流、對比，選擇了長城4521-1（68）冷凍機油進行對比試驗。具體研究、對比如下。

2.2.1 組成對比

原先使用的冷凍機油GEA R-717 Oil1#（CPI 1009-68）是多元醇脂（POE）類潤滑油，屬于脂類合成油。酯類合成油是由有機酸與有機醇在催化劑作用下通過酯化反應脫水而獲得的由酯基官能團組成的有機化合物。根據反應產物的酯基數目和位置，可分為雙酯、多元醇酯、芳香羧酸酯和復酯。酯類合成油因其特殊的分子結構特點而具有優異的高低溫性能、黏溫性能、熱氧化安定性、潤滑性、低揮發性等優點，從而在眾多領域得到了廣泛應用[3]。

長城牌4521-1 冷凍機油是以特定結構半合成油為基礎油，并加入高效無酸添加劑精制而成的專用于氨制冷系統的潤滑油，基礎油是加氫油和PAO 合成油。聚α－烯烴合成油是指由α－烯烴在催化劑作用下聚合并通過氫化而獲得的較規則的長鏈烷烴油，其具有獨特的化學組成結構和優異的使用性能。PAO 類基礎油基本上是由一類獨特的梳狀結構的異構烷烴所組成，其直鏈烷烴骨架有利于良好的黏溫特性，而多側鏈的異構烷烴骨架和相對較短（不長于10 個碳數）的直鏈段有利于保持良好的低溫流動性。勻稱規整的化學組成結構，尤其是不含芳烴、環狀烴以及不飽和鍵，十分有利于物理、化學穩定性等。這種勻稱規整的、由多個長度適中的直鏈烷段組成多側鏈（梳狀）的異構烷烴，是一種非常符合現代潤滑油基礎油所要求的理想化學結構。因此，PAO 合成油的性能優越[5]。

GEA R-717 Oil1#和長城牌4521-1 冷凍機油均屬于合成烴基潤滑油，都是比礦物潤滑油具有更優異的性能，非常適合用于制冷機組。

2.2.2 性能對比

對CPI 1009-68 和長城4521-1（68）冷凍機油進行性能對比評價，結果見表3。

表3 CPI 1009-68 和長城4521-1（68）性能評價對比

從表中結果來看：①長城4521-1（68）冷凍機油為半合成基礎油，其黏溫性能優于CPI 1009-68，使用中油膜強度和穩定性優于后者。且合成冷凍機油由于其優良的熱穩定性而被常用于以R717 為制冷劑系統中[6]；②長城4521-1（68）閃點更高，高溫下的油揮發性較??；③二者低溫性能和抗腐蝕性相當。

綜上所述，長城4521-1（68）冷凍機油綜合性能略優于CPI 1009-68，是可以替代使用的。

2.2.3 制冷性能試驗

長城4521-1（68）冷凍機油采用特定組成的基礎油，并輔以高效抗氧抗腐蝕劑、防銹劑、抗泡劑等多種添加劑精制而成。并采用特殊的無酸添加劑體系，可防止脂肪酸銨鹽的生成，尤其適用于以氨為制冷介質的冷凍系統。根據GB/T 5773—2016《容積式制冷劑壓縮機性能試驗方法》[7]，對制冷量、軸功率、能效比進行考察，測量+5/40 ℃、-15/30 ℃、-15/35 ℃工況下的制冷量、軸功率和能效比，要求對內容比進行調節以保證軸功率最小。制冷性能試驗所用設備信息見表4，性能對比試驗結果見表5。

表4 制冷性能試驗設備信息

表5 性能對比試驗結果

從制冷對比實驗結果來看，二者制冷量接近，能效比幾乎一致，綜合評價結果兩者油性能接近，試驗后的油品性能指標檢測結果也相當，可以替代使用。

3 國產化應用

3.1 國產化應用實施

長城4521-1（68）冷凍機油經過組成對比、性能評價對比和制冷性能試驗對比，得出完全可以替代進口冷凍機油CPI 1009-68。而且長城4521-1（68）冷凍機油在國內有過多次同類型機組成功替代使用業績。例如，中國石化齊魯石化橡膠廠氨冷螺桿機使用長城4521-1（68）冷凍機油替代進口福斯68 號冷凍機油，使用換油周期長達3～4 年。中國石化上海高橋分公司煉油一部氨制冷壓縮機使用長城4521-1（68）冷凍機油替代進口Frick 3 冷凍機油。因此，決定采用國產長城4521-1（68）冷凍機油替代進口冷凍機油，并于2021年4 月全部替換使用。

3.2 使用效果評價

該壓縮機于2021 年5 月開機使用至今，使用性能良好。具體效果如下：①潤滑油溫度大幅下降，目前穩定在45 ℃左右，比使用CPI 1009-68 冷凍機油油溫下降將近10 ℃左右，解決了機組油溫長期偏高問題，充分保障了機組安全平穩長周期運行；②潤滑油溫度下降，也促使氨制冷壓縮機排氣溫度和排氣壓力下降，解決了該壓縮機高負荷運行瓶頸；③潤滑油使用至今，已穩定運行2 年左右，定期采樣分析各項性能指標數據均正常，具體結果見表6；④使用過程中潤滑油添加量基本忽略不計，后路系統底部排油基本不見油；⑤價格優勢明顯，該壓縮機檢修一次性潤滑油加入量為510 kg（600 L）左右，其中CPI 1009-68 為150 元/kg，4521-1（68）為45 元/kg，因此單次檢修節約更換潤滑油費用約5.36 萬元左右。

表6 長城4521-1（68）分析數據

4 結束語

該氨制冷壓縮機潤滑油國產化研究成果的應用成功，打破了國外壟斷，是真正力行設備設施國產化，也是公司內部首次實現進口潤滑油國產化。該國產化潤滑油采購周期短，可以隨用隨到，提升了裝置應急能力，且價格優勢明顯，極大地減少了采購工作量。該冷凍機油性能優越，解決了重整氨制冷壓縮機油溫長期偏高問題，解決了該壓縮機運行瓶頸，徹底消除了設備運行隱患。