國(guó)產(chǎn)大型乙烯制冷壓縮機(jī)運(yùn)行效能分析

林 海，周殿瑩，李 楠，孫 博

（中國(guó)石油撫順石化公司，遼寧 撫順 113000）

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國(guó)產(chǎn)大型乙烯制冷壓縮機(jī)運(yùn)行效能分析

林 海，周殿瑩，李 楠，孫 博

（中國(guó)石油撫順石化公司，遼寧 撫順 113000）

通過撫順石化80萬t/a年乙烯裝置的乙烯制冷壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)制造及投運(yùn)的成功案例，闡述了沈鼓首套國(guó)產(chǎn)化的大型乙烯制冷壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、低溫材料的選擇及加工，并對(duì)機(jī)組的運(yùn)行效能進(jìn)行了試驗(yàn)及投用數(shù)據(jù)的詳細(xì)分析計(jì)算，為大型乙烯制冷壓縮機(jī)的國(guó)產(chǎn)化推廣提供重要的依據(jù)。

國(guó)產(chǎn)； 大型； 乙烯制冷壓縮機(jī)； 效能

乙烯制冷壓縮機(jī)是各類乙烯裝置非常關(guān)鍵的核心設(shè)備，為乙烯裝置的乙烯制冷系統(tǒng)提供壓縮及循環(huán)的動(dòng)力。與普通的離心壓縮機(jī)相比，乙烯制冷壓縮機(jī)組的設(shè)計(jì)難點(diǎn)是熱力轉(zhuǎn)化及氣動(dòng)性能，以及高效合理的級(jí)間匹配，具體有如下技術(shù)特點(diǎn)：1）氣動(dòng)特性復(fù)雜；2）組分單一，分子量大；3）段間有抽氣、加氣等型式；4）采用高效葉輪；5）轉(zhuǎn)子及定子均采用低溫材料。

百萬噸級(jí)乙烯制冷壓縮機(jī)組國(guó)產(chǎn)化目前尚屬于新興領(lǐng)域，對(duì)于使用廠家和設(shè)計(jì)制造單位都存在著一定的風(fēng)險(xiǎn)［1］。在乙烯裝置三大機(jī)組中，乙烯制冷機(jī)組設(shè)計(jì)制造技術(shù)在國(guó)內(nèi)是最缺少業(yè)績(jī)和經(jīng)驗(yàn)的，尤其是在低溫材料及低溫材料的焊接技術(shù)方面，之前國(guó)內(nèi)倘無整機(jī)的設(shè)計(jì)和制造業(yè)績(jī)，一直是國(guó)外壟斷［2］。

撫順石化公司80萬t乙烯技術(shù)改造工程裝備國(guó)產(chǎn)化工作，一直得到國(guó)家發(fā)改委的關(guān)心和支持，由沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱沈鼓）與撫順石化公司合作，共同負(fù)責(zé)首臺(tái)大型乙烯制冷壓縮機(jī)國(guó)產(chǎn)化的設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)和應(yīng)用項(xiàng)目，實(shí)施乙烯制冷壓縮機(jī)組的國(guó)產(chǎn)化。沈鼓從2009年開始對(duì)這套乙烯制冷壓縮機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)研發(fā)，并開始機(jī)體的制造，于2012年5月至10月相繼進(jìn)行單機(jī)試車、聯(lián)動(dòng)試車及實(shí)物料開車。因此，該過程對(duì)首套國(guó)產(chǎn)化大型乙烯制冷壓縮機(jī)組的投產(chǎn)運(yùn)行進(jìn)行效能分析具有重要意義，也為國(guó)產(chǎn)化大型壓縮機(jī)設(shè)備的研制能力和技術(shù)水平提供充分依據(jù)。

1　乙烯制冷壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)制造

撫順石化公司的這套乙烯制冷壓縮機(jī)組主要由離心壓縮機(jī)、蒸汽透平、凝液系統(tǒng)、潤(rùn)滑油站及控制系統(tǒng)等組成，總成設(shè)計(jì)制造為沈鼓集團(tuán)，原動(dòng)機(jī)為杭州蒸汽透平集團(tuán)生產(chǎn)的抽汽凝汽式蒸汽透平。

乙烯制冷機(jī)組為乙烯制冷分離系統(tǒng)提供三種等級(jí)的低壓乙烯冷劑：-57，-80，-101 ℃，在各段均設(shè)有防喘振最小流量線。

乙烯制冷壓縮機(jī)設(shè)備參數(shù)主要有：類型：離心式；段數(shù)：五段；進(jìn)口壓力：0.01 MPa；進(jìn)口溫度：-101℃；出口壓力：3.789 MPa；出口溫度：75 ℃；分子量：28.1；額定功率：13 088 kW；

1.1乙烯制冷壓縮機(jī)本體的設(shè)計(jì)選型

針對(duì)中國(guó)石油撫順石化公司的這套乙烯離心壓縮機(jī)組的操作參數(shù)要求，尤其是一段到五段溫度壓力的變化，最終設(shè)計(jì)制造方案為兩個(gè)缸體組合的多級(jí)離心壓縮機(jī)，一個(gè)低壓缸和高壓缸。低壓缸分為三段，裝置乙烯氣體進(jìn)入低壓缸內(nèi)經(jīng)過二段、三段加氣共同壓縮后由三段出口排出，并有一路三段抽氣調(diào)節(jié)（見圖1）。高壓缸分為兩段，低壓缸壓縮后的乙烯氣再進(jìn)入高壓缸中，分兩段排出進(jìn)入用戶系統(tǒng)管網(wǎng)中，作為不同的制冷介質(zhì)（見圖2）。低壓缸和高壓缸分別為水平剖分和垂直剖分，型號(hào)分別為3MCL806與3BCL527，壓縮機(jī)由五段十三級(jí)組成，低壓缸三段六級(jí)，高壓缸兩段七級(jí)，共計(jì)十三個(gè)葉輪，選用1Ni9低溫材料精加工制造（見圖3-4）。

圖1　乙烯壓縮機(jī)低壓缸氣路系統(tǒng)示意圖Fig.1 The LP diagram of Ethylene compressor

圖2　乙烯壓縮機(jī)高壓缸氣路系統(tǒng)示意圖Fig.2 The HP diagram of Ethylene compressor

圖3　乙烯機(jī)低壓缸總圖Fig.3 The LP drawing of Ethylene compressor

乙烯壓縮機(jī)進(jìn)口溫度為-101 ℃，這對(duì)于高速旋轉(zhuǎn)的壓縮機(jī)來說是最大的難點(diǎn)。沈鼓集團(tuán)通過與意大利新比隆公司、德國(guó)德馬格等公司在設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)技術(shù)方面的合作，已經(jīng)掌握了低溫鋼焊接和熱處理技術(shù)。尤其是具有了世界領(lǐng)先的使用1Ni9材料作為乙烯壓縮機(jī)葉輪的業(yè)績(jī)及技術(shù)儲(chǔ)備。1Ni9鋼是含鎳量為8.5%～9.5%的超低溫低碳鋼，在-196℃有優(yōu)異的強(qiáng)韌性，與具有優(yōu)良性能的不銹鋼相比，有良好的低溫韌性、高強(qiáng)度，經(jīng)濟(jì)性較好。［3］因此在本臺(tái)乙烯壓縮機(jī)的機(jī)殼、隔板、葉輪、主軸等關(guān)鍵部位大量采用了1Ni9菜料，并再葉輪等部位進(jìn)行了大量的1Ni9材料焊接及熱處理試驗(yàn)。

清晨，天還沒亮，媽媽便輕輕地?fù)u醒瑪麗和勞拉。在爐火和燭光下，媽媽幫她們洗臉、梳頭，穿上暖和的衣服。在紅色的法蘭絨長(zhǎng)內(nèi)衣外，媽媽為她們穿上羊毛襯裙、羊毛套裙和羊毛長(zhǎng)襪，最后又幫她們穿上外套，戴上兔皮風(fēng)帽和紅色的毛線手套。

圖4　乙烯機(jī)高壓缸總圖Fig.4 The HP drawing of Ethylene compressor

1.2機(jī)組控制設(shè)計(jì)選型

根據(jù)壓縮機(jī)及裝置蒸汽平衡需要，乙烯制冷壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備選擇抽汽凝汽式蒸汽透平（Turbine），這樣不僅保證了能耗的節(jié)約、轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，還有利于裝置蒸汽及凝液系統(tǒng)的平衡控制。該蒸汽透平經(jīng)過詳細(xì)設(shè)計(jì)，最終確定型號(hào)為 ENK40/56/25，其中E表示抽汽式；N表示正常進(jìn)汽參數(shù)最高為10 MPa（a），510 ℃；K表示凝汽式。后面數(shù)字表示各段轉(zhuǎn)子末級(jí)根徑尺寸，40表示φ400 mm。

轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)回路是蒸汽透平調(diào)節(jié)系統(tǒng)的基本環(huán)節(jié)，該回路主要由轉(zhuǎn)速傳感器、轉(zhuǎn)速控制器（與監(jiān)控系統(tǒng)同由CCC系統(tǒng)控制）、電液轉(zhuǎn)換器、油動(dòng)機(jī)和調(diào)節(jié)汽閥組成。轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng) CCC 接受來自三個(gè)轉(zhuǎn)速傳感器變送的蒸汽透平轉(zhuǎn)速信號(hào)，將接收到的轉(zhuǎn)速信號(hào)與轉(zhuǎn)速內(nèi)部設(shè)定值進(jìn)行比較后輸出4～20 mA的電信號(hào)給電液轉(zhuǎn)換器，再經(jīng)電液 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成二次油壓（0.15～0.45 MPa），二次油分別通過高低壓油動(dòng)機(jī)操縱高低壓調(diào)節(jié)汽閥，調(diào)節(jié)進(jìn)汽量，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。

喘振控制也是通過CCC控制系統(tǒng)來完成的。在喘振控制畫面中，十字型的點(diǎn)是當(dāng)前機(jī)組工作點(diǎn)，此坐標(biāo)軸橫坐標(biāo)是入口流量差壓除以入口壓力、縱坐標(biāo)是出口壓力除以入口壓力。紅線是喘振線，工作點(diǎn)到達(dá)喘振線或者在喘振線的左側(cè)，就代表機(jī)組發(fā)生了喘振。黃線是防喘振線，它是動(dòng)態(tài)的，在機(jī)組工作點(diǎn)劇烈波動(dòng)時(shí)，防喘振線會(huì)自動(dòng)靠向右側(cè)，實(shí)現(xiàn)預(yù)開閥保護(hù)機(jī)組（見圖5）。

圖5　乙烯壓縮機(jī)防喘振控制畫面Fig.5 The surge control picture of ethylene compressor

2　乙烯制冷壓縮機(jī)的運(yùn)行效能分析

2.1氣動(dòng)性能試驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證乙烯制冷壓縮機(jī)3MCL806+3BCL527的設(shè)計(jì)、加工制造質(zhì)量、氣動(dòng)性能指標(biāo)，必須模擬各段抽氣、加氣的運(yùn)行狀態(tài)，各段氣動(dòng)參數(shù)見表1［4］。

表1　各段抽、加氣氣動(dòng)性能參數(shù)Table 1 Each stage design data of pumping&adding gas aerodynamic performance

圖6　乙烯機(jī)低壓缸氣動(dòng)性能測(cè)試系統(tǒng)Fig.6 Aerodynamic performance test system of LP

為了得到真實(shí)氣體的性能，需將試驗(yàn)氣體測(cè)得的這些性能參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算，按ASME PTC-10標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行性能計(jì)算與換算，換算成設(shè)計(jì)條件下壓縮機(jī)的熱力性能參數(shù)，進(jìn)而確定設(shè)計(jì)指定工況下性能結(jié)果。需要計(jì)算的參數(shù)主要有：

a） 壓縮機(jī)的進(jìn)口容積流量；

b） 壓縮機(jī)的升壓或壓比；

c） 壓縮機(jī)的多變能量頭；

d） 壓縮機(jī)的軸功率；

e） 壓縮機(jī)的效率；

f） 壓縮機(jī)的喘振極限。

圖7　乙烯機(jī)高壓缸氣動(dòng)性能測(cè)試系統(tǒng)Fig.7 Aerodynamic performance test system of HP

通過這些性能參數(shù)，可得到壓縮機(jī)在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下的流量、壓比 （或多變能量頭）、軸功率曲線，以及與壓縮機(jī)效率之間相互關(guān)系。因?yàn)橐蚁嚎s機(jī)是采用低壓缸、高壓缸分缸進(jìn)行氣動(dòng)性能試驗(yàn)，因此性能曲線的計(jì)算及繪制分成五段進(jìn)行，而整機(jī)性能曲線則需由各段性能曲線疊加而得到。

氣動(dòng)性能試驗(yàn)考核結(jié)論見表2-6。

表2　第I段考核結(jié)論Table 2 Test result of Stage I

表3　第II段考核結(jié)論Table 3 Test result of Stage II

表4　第III段考核結(jié)論Table 4 Test result of Stage III

表5　第IV段考核結(jié)論Table 5 Test result of Stage IV

表6　第V段考核結(jié)論Table 6 Test result of Stage V

綜上所述，整套機(jī)組的流量偏差、壓比偏差、軸功率偏差都在允許范圍，氣動(dòng)性能試驗(yàn)考核合格。

2.2實(shí)物料運(yùn)行效能分析

撫順石化80萬t/a乙烯裝置在2015年1月23日開始對(duì)裝置各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了72 h的全面標(biāo)定，裝置標(biāo)定負(fù)荷 98.54%，其中乙烯精餾系統(tǒng)負(fù)荷97.25%～110.40%，系統(tǒng)處于滿負(fù)荷運(yùn)行，運(yùn)行正常產(chǎn)品合格，乙烯的收率達(dá)到了 33.62%。其中乙烯制冷壓縮機(jī)運(yùn)行參數(shù)分析見表7。

其中在標(biāo)定期間壓縮機(jī)透平?jīng)]有投用抽氣，采用了全冷凝的操作，蒸汽透平進(jìn)汽62.7～65.6 /h，根據(jù)功率-流量曲線（見圖 8），實(shí)際功率通過最下面一條Me=0 t/h線換算，可求得為12 526～13 327 kW，為額定功率15 808 kW的79.24～84.31%。因此，通過對(duì)裝置標(biāo)定期間運(yùn)行負(fù)荷及運(yùn)行狀態(tài)分析可以看出，乙烯制冷壓縮機(jī)組能夠滿足裝置高負(fù)荷條件下平穩(wěn)運(yùn)行，滿足機(jī)組效能要求。

表7　乙烯制冷壓縮機(jī)運(yùn)行參數(shù)分析Table 7 Analysis of ethylene compressor running data

圖8　乙烯機(jī)透平功率流量曲線Fig.8 Power-flow rate curve of ethylene compressor turbine

3　結(jié)束語

通過以上機(jī)械性能、氣動(dòng)性能及實(shí)際運(yùn)行效能等多方面的試驗(yàn)及運(yùn)行分析，沈鼓集團(tuán)自行設(shè)計(jì)制造的大型離心式乙烯制冷壓縮機(jī)各方面性能全部符合設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)、制造和裝配質(zhì)量達(dá)到國(guó)際相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和準(zhǔn)則，大型乙烯制冷組也成功實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化生產(chǎn)，將為我國(guó)乙烯產(chǎn)業(yè)降低大量投資，創(chuàng)造巨大效益，也標(biāo)志著我國(guó)乙烯裝備制造逐步向國(guó)際化邁進(jìn)。

［1］ 興化. 百萬噸級(jí)乙烯壓縮機(jī)方案通過論證［N］. 中國(guó)化工報(bào). 2007-03-15（2）.

［2］ 殷宇晗. 依托百萬噸級(jí)工程力促大型乙烯裝置國(guó)產(chǎn)化［N］. 中國(guó)工業(yè)報(bào). 2006-04-24（3）.

［3］ 呂立博，劉向東. 1Ni9鋼在乙烯壓縮機(jī)上的應(yīng)用［J］. 風(fēng)機(jī)技術(shù)，2010，（4）：36-38.

［4］ ASME PTC10-1997.壓縮機(jī)和排氣機(jī)的性能測(cè)試規(guī)范［S］.

Performance Analysis of Domestic Large Ethylene Refrigeration Compressor

LIN Hai，ZHOU Dian-ying，LI Nan，SUN Bo
（Fushun Petrochemical Company，Liaoning Fushun 113001,China）

Based on design and manufacture and commissioning of ethylene refrigeration compressor used in 800 kt/a ethylene plant of Fushun petrochemical company, structure design, cryogenic steel choice and manufacturing process of the first domestic large ethylene refrigeration compressor were illustrated. The performance of the ethylene refrigeration compressor was tested, and commissioning data were analyzed.

large-scale; ethylene refrigeration compressor; performance

林海（1974-），男，遼寧撫順人，高級(jí)工程師，碩士學(xué)位，1996年畢業(yè)于大連理工大學(xué)化工機(jī)械專業(yè)，主要從事煉油與化工設(shè)備管理。E-mail：linh_ai1@petrochina.com.cn。

TQ 052

A

1671-0460（2016）05-1036-04

2016-03-23