脫氫裝置干氣壓縮機(jī)運(yùn)行故障與改造

（淄博齊翔騰達(dá)化工股份有限公司， 山東 淄博 255400）

我公司45萬(wàn)噸/年低碳烷烴脫氫裝置于2016年8月開(kāi)工投產(chǎn)，并實(shí)現(xiàn)一次性開(kāi)車(chē)成功。該裝置主要由原料處理單元、反應(yīng)再生單元、產(chǎn)品精制單元組成。自2017年9月以來(lái)，裝置內(nèi)干氣壓縮機(jī)（往復(fù)式壓縮機(jī)）頻繁出現(xiàn)一、二級(jí)排氣壓力、溫度高報(bào)警等故障，隨即檢修。2017年9月至今，兩臺(tái)機(jī)組累計(jì)檢修20余次，檢修費(fèi)用超過(guò)340萬(wàn)元。本文重點(diǎn)分析介質(zhì)結(jié)焦造成機(jī)組發(fā)生故障的原因以及從氣閥著手進(jìn)行的改造及成果，并從工藝調(diào)整及設(shè)備改造方面提出改造建議。

1 干氣壓縮的工況及機(jī)組說(shuō)明

1.1 工藝工況

本裝置為丙烷、異丁烷混合脫氫制烯烴裝置，采用UOP的Oleflex技術(shù)，主要流程如圖1，原料丙烷、異丁烷經(jīng)加熱爐升溫至630℃左右，進(jìn)入反應(yīng)器床層，在鉑金催化劑作用下進(jìn)行脫氫反應(yīng)，反應(yīng)后的產(chǎn)品氣經(jīng)過(guò)油洗塔洗滌降溫，洗油主要目的清洗反應(yīng)產(chǎn)物中的結(jié)焦和多核芳烴等雜質(zhì)。來(lái)自反應(yīng)單元的產(chǎn)品氣通過(guò)冷箱系統(tǒng)發(fā)生液化，并與干氣分離，經(jīng)過(guò)產(chǎn)品氣壓縮機(jī)壓縮后進(jìn)入產(chǎn)品氣干燥器，干燥器主要吸附了部分硫化物、水以及產(chǎn)品氣夾帶的洗油成分，再由再生氣洗滌塔洗滌后經(jīng)過(guò)干氣壓縮機(jī)（K-1803A/B）的三級(jí)壓縮，壓力從195kPa（G）提高至2.75MPa（表壓G，以下全文中壓力均為表壓），經(jīng)過(guò)干氣壓縮機(jī)三級(jí)壓縮后的干氣進(jìn)入下游工藝系統(tǒng)，不再贅述。干氣壓縮機(jī)入口的成分如表1，取樣時(shí)間2018年11月3日，在干氣壓縮機(jī)頻繁維修階段內(nèi)具有代表性。

圖1 干氣壓縮機(jī)相關(guān)流程

表1 干氣壓縮機(jī)入口成分表

除以上成分外還含有飽和態(tài)的芳烴溶劑油，芳烴溶劑油中含有少量萘、甲萘、茚、甲基雙環(huán)戊二烯、雙甲基雙環(huán)戊二烯、三甲苯、苯乙烯等。

1.2 機(jī)組參數(shù)

干氣壓縮機(jī)（K-1803A/B），型號(hào)4D-01，為杭州杭氧壓縮機(jī)有限公司生產(chǎn)的四列三級(jí)雙向作用往復(fù)式無(wú)油潤(rùn)滑壓縮機(jī)，曲軸轉(zhuǎn)速300r/min，一、二、三級(jí)排氣壓力分別為0.5MPa/1.1MPa/2.75MPa，一、二、三級(jí)排氣溫度109℃/119℃/126℃。K-1803A/B有一套完整的氣閥（38個(gè)進(jìn)氣閥，30個(gè)排氣閥），閥片形式為環(huán)狀，閥片材質(zhì)為PEEK（聚醚醚酮），如圖2。

圖2

該機(jī)組的氣閥帶有一套卸荷裝置控制系統(tǒng)，以達(dá)到機(jī)組負(fù)荷在0、50%、75%、100%四個(gè)檔位間切換，動(dòng)力性能計(jì)算通過(guò)專(zhuān)用程序模擬全載或部分載荷的操作工況得來(lái)，使氣閥在達(dá)到最大的使用可靠性同時(shí)為最小的功率消耗和氣量損失，進(jìn)氣閥與卸荷器工作結(jié)構(gòu)如圖3，當(dāng)控制儀表風(fēng)輸入到卸荷器內(nèi)腔后，卸荷器指針會(huì)在儀表風(fēng)壓的作用下頂開(kāi)進(jìn)氣閥的壓叉，從而將閥片與閥座的密封面分離，使氣閥不再具有單向通過(guò)氣體的功能，而形成通路。

圖3

1.3 機(jī)組運(yùn)行情況

2017年10月前，干氣壓縮機(jī)（K-1803A/B，以下簡(jiǎn)稱(chēng)“壓縮機(jī)”）運(yùn)行良好，8000h內(nèi)無(wú)大修，各運(yùn)行參數(shù)良好，無(wú)異?，F(xiàn)象及異響。截至2019年3月31日，兩臺(tái)機(jī)組累計(jì)維修18次，包含14次大修，2次中修，2次小修。

2017年9月21日K-1803B檢修（相隔時(shí)間48天）；

2017年11月9日K-1803A檢修（相隔時(shí)間12天）；

2017年11月21日K-1803B檢修（相隔時(shí)間34天）；

2017年12月25日K-1803A檢修（相隔時(shí)間33天）；

2018年1月27日K-1803B檢修（相隔時(shí)間40天）；

2018年3月8日K-1803A檢修（相隔時(shí)間20天）；

2018年3月28日K-1803B檢修（相隔時(shí)間57天）；

2018年5月24日K-1803A檢修（相隔時(shí)間10天）；

2018年6月3日K-1803B檢修（相隔時(shí)間84天）；

2018年8月26日K-1803A檢修（相隔時(shí)間16天）；

2018年9月12日K-1803B檢修（相隔時(shí)間15天）；

2018年9月27日K-1803A檢修，檢修后當(dāng)天繼續(xù)運(yùn)行K-1803A；

2018年10月11日K-1803A檢修（相隔時(shí)間100天）；

2018年11月1日K-1803B檢修（相隔時(shí)間100天）；

2018年12月7日K-1803B檢修（相隔時(shí)間37天）；

2019年1月22日K-1803B檢修，使用改造新氣閥（相隔時(shí)間46天）；

2019年3月2日K-1803A檢修，三級(jí)活塞環(huán)、支撐環(huán)全部斷裂（相隔時(shí)間20天）；

2019年3月23日K-1803B檢修，三級(jí)活塞環(huán)斷裂嚴(yán)重。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，我處壓縮機(jī)運(yùn)行周期基本為1.5個(gè)月，目前干氣壓縮機(jī)頻繁檢修的問(wèn)題也是全行業(yè)的多發(fā)性問(wèn)題，相同的工藝技術(shù)，碳四脫氫裝置最嚴(yán)重，其次是碳三碳四混合脫氫裝置較為嚴(yán)重，而丙烷脫氫的影響最小。

通過(guò)裝置之間的類(lèi)比和本裝置的比例調(diào)整操作可以做以下推斷：

(1)碳四比例增大造成稠環(huán)芳烴等雜質(zhì)含量增加，吸附于床層或在床層死角并積聚，該設(shè)備催化劑再生時(shí)，排出的干氣影響干氣壓縮機(jī)；

(2)碳四的比例增大，碳四液化將導(dǎo)致長(zhǎng)期積聚在死角位置的副產(chǎn)物溶解沖出，形成結(jié)焦物的前驅(qū)，進(jìn)入到干氣壓縮機(jī)。

以上推斷還需進(jìn)一步確認(rèn)和分析。

2 故障判斷與分析

2.1 機(jī)組運(yùn)行異常情況

機(jī)組一般出現(xiàn)的異常表現(xiàn)為：一級(jí)或二級(jí)排氣溫度高、一級(jí)或二級(jí)排氣壓力高、機(jī)身或汽缸震動(dòng)大、汽缸或氣閥有異響等。當(dāng)設(shè)備運(yùn)行異常時(shí)，往往是設(shè)備運(yùn)行或工藝工況發(fā)生了變化，例如設(shè)備損壞、管線震動(dòng)、介質(zhì)流量或壓力發(fā)生變化、介質(zhì)的相態(tài)變化等。此時(shí)，一個(gè)熟練的操作工或鉗工通?？梢杂纱舜篌w判斷出異常的原因，或是氣閥出現(xiàn)問(wèn)題，或是活塞環(huán)、支撐環(huán)損壞，亦或是曲軸、活塞體等損壞。

2.2 故障判斷

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)檢修情況，原因分析如下：

(1)直接原因：閥片斷裂、破碎或變形，導(dǎo)致氣閥的密封性變差或喪失，同時(shí)斷裂的閥片碎屑夾雜在閥片與閥座密封面處，導(dǎo)致氣閥無(wú)法完全閉合，氣閥泄漏、串氣，使氣缸排氣溫度升高，同時(shí)進(jìn)氣溫度升高，壓縮溫度升高最終導(dǎo)致排氣溫度高報(bào)警。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢修情況看，每一次檢修情況不甚相同，主要區(qū)別在于氣閥損壞情況不同，有時(shí)氣閥臟污，密封性變差或失效，有時(shí)閥片或彈簧斷裂，造成氣閥漏氣，如圖4與圖5。

圖4

圖5

(2)間接原因：一方面，機(jī)組介質(zhì)中有較多雜質(zhì)，經(jīng)過(guò)壓縮和升溫后，產(chǎn)生結(jié)焦物質(zhì)，并經(jīng)過(guò)高溫容易碳化，形成復(fù)合型的雜質(zhì)積存在氣缸內(nèi)、氣閥內(nèi)、氣閥空腔（介質(zhì)過(guò)流部分）內(nèi)，對(duì)機(jī)組的長(zhǎng)久運(yùn)行造成嚴(yán)重不良影響，見(jiàn)圖6。另一方面，來(lái)自堿洗塔的干氣中含有較多飽和水與洗油，在被壓縮機(jī)壓縮時(shí)會(huì)析出較多的液相水與洗油，對(duì)壓縮機(jī)造成液擊，極容易造成氣閥的損壞、碎裂、彈簧斷裂，并產(chǎn)生明顯異響，室外巡檢人員多次發(fā)現(xiàn)機(jī)組運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生與活塞運(yùn)動(dòng)同樣頻率的異響，停機(jī)檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)，氣缸內(nèi)以及氣閥腔體內(nèi)都會(huì)積攢少量液體，查看液體大部分是油類(lèi)，活塞端面也有明顯的液擊痕跡，同時(shí)伴有氣閥因?yàn)橐簱舳鴶嗔亚闆r發(fā)生。

(3)主要原因：來(lái)自反應(yīng)單元的產(chǎn)品氣經(jīng)過(guò)氯化物處理器（V-1105）與產(chǎn)品氣干燥器（V-1106A/B）進(jìn)行脫氯、脫油、干燥，通過(guò)冷箱系統(tǒng)分離，產(chǎn)品氣中的干氣進(jìn)入堿洗塔（C-1101）除去其中的H2S并脫油，然后進(jìn)入干氣壓縮機(jī)。當(dāng)V-1105或V-1106處理效果不佳時(shí)（例如催化劑部分失效、吸附劑對(duì)雜質(zhì)的吸附效果差、催化劑的裝填量較少，處理效果未達(dá)到最佳），會(huì)有部分雜質(zhì)、洗油無(wú)法被完全脫出從而進(jìn)入壓縮機(jī)，當(dāng)堿洗塔洗滌效果不佳時(shí)會(huì)帶洗油、水進(jìn)入壓縮機(jī)，這幾種情況都會(huì)造成進(jìn)入壓縮機(jī)干氣中帶著對(duì)機(jī)組運(yùn)行有不良影響的雜質(zhì)，縮短機(jī)組的檢修周期。

圖6

堿洗塔清洗效果差，堿液清洗干氣后，堿液中的洗油含量高，堿液無(wú)法將干氣中洗油徹底清洗，同時(shí)堿洗塔填料為石墨拉西環(huán)容易碎裂，碎裂后產(chǎn)生的石墨粉塵會(huì)隨介質(zhì)進(jìn)入干氣壓縮機(jī)，在機(jī)組運(yùn)行時(shí)，一方面粉塵會(huì)進(jìn)入氣閥，在閥片運(yùn)動(dòng)時(shí)夾在閥片與閥座密封面之間，影響到氣閥的密封性；另一方面，粉塵會(huì)在活塞運(yùn)行時(shí)，夾雜在活塞環(huán)、支撐環(huán)與氣缸的缸套內(nèi)壁之間，加劇活塞環(huán)、支撐環(huán)的磨損，并容易造成氣體溫度升高，造成排氣溫度超高，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致活塞環(huán)處于高溫下產(chǎn)生形變，加之氣缸內(nèi)的結(jié)焦物會(huì)附著在活塞環(huán)與活塞體卡槽內(nèi)，將活塞環(huán)局部粘貼在卡槽內(nèi)部，使活塞環(huán)失去浮動(dòng)密封能力，造成活塞環(huán)局部位置與氣缸之間產(chǎn)生較大間隙，間隙內(nèi)開(kāi)始結(jié)焦且結(jié)焦物表面粗糙，較大可能下經(jīng)過(guò)高溫碳化，形成堅(jiān)硬、尖銳表面，摩擦情況增大造成活塞環(huán)磨損加劇甚至斷裂[1]。

3 解決方案

結(jié)合目前機(jī)組運(yùn)行與檢修情況，針對(duì)該工況的特殊性，對(duì)機(jī)組、設(shè)備方面改造與前端工藝調(diào)整兩個(gè)方面提出改進(jìn)措施。

3.1 設(shè)備改造方面

(1)在干氣壓縮機(jī)入口前增加精密過(guò)濾器或聚結(jié)器，對(duì)干氣中的飽和液態(tài)進(jìn)行處理，對(duì)干氣中的固態(tài)雜質(zhì)進(jìn)行過(guò)濾，使干氣在被機(jī)組壓縮時(shí)產(chǎn)生更少的結(jié)焦物與液相水、洗油。

(2)對(duì)氣閥改造，在減小氣閥流通面積的同時(shí)，適當(dāng)增大閥片的升程，能夠有效地提高介質(zhì)氣體通過(guò)氣閥流道的流動(dòng)速率，能夠有效地減緩結(jié)焦物在氣閥內(nèi)的積聚，緩解結(jié)焦物對(duì)氣閥的不良影響。

(3)氣閥的改造，應(yīng)著重計(jì)算彈簧力的大小，過(guò)大的彈簧力導(dǎo)致閥片運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生震顫，密封性就受影響；過(guò)小的彈簧力會(huì)使氣閥在結(jié)焦物的阻力下難以密封嚴(yán)密。經(jīng)過(guò)多次的實(shí)驗(yàn)與不斷摸索，我們認(rèn)為較正常工況下的彈簧力加以10%左右的增幅，在使閥片有良好的線性運(yùn)動(dòng)曲線的同時(shí)，又不致因?yàn)榻Y(jié)焦物的阻力造成無(wú)法與密封線良好貼合，形成了良好的密封效果與較長(zhǎng)的運(yùn)行壽命。另外，嘗試將彈簧布置在氣閥的外圈，也能幫助閥片快速地從閥座上脫離，改善其抗油粘滯性。

(4)活塞環(huán)、密封環(huán)的使用壽命，在該工況下也受到較大影響，經(jīng)過(guò)多次檢修與改造，單純的PTFE材質(zhì)已不能滿(mǎn)足較長(zhǎng)壽命與良好密封兼有的要求，我們?cè)趪L試PTFE（聚四氟乙烯）、PEEK、改性聚氨酯等材料的不斷比較，根據(jù)不同的工藝工況選擇合適的活塞環(huán)、支撐環(huán)的加工材質(zhì)，目前使用較多的PTFE填充材質(zhì)分析見(jiàn)表2。

3.2 工藝調(diào)整

(1)工藝參數(shù)調(diào)整，適當(dāng)延長(zhǎng)產(chǎn)品氣干燥器（V-1106A/B）的再生時(shí)間，提高吹掃溫度，加強(qiáng)對(duì)干氣中的烯烴排除效果，可在一定程度上減緩干氣壓縮機(jī)運(yùn)行中結(jié)焦物的產(chǎn)生。

(2)詳細(xì)分析洗油中不同成分含量高低的影響，提高洗油的清洗能力并減少干氣中多核芳烴的含量，凈化干氣的組成。

表2 干氣壓縮機(jī)入口成分表

(3)氯化物處理器與產(chǎn)品氣干燥器的催化劑已達(dá)到設(shè)計(jì)使用壽命，通過(guò)更換相關(guān)催化劑來(lái)改善干氣的組成，優(yōu)化機(jī)組運(yùn)行工況，達(dá)到延長(zhǎng)檢修周期的效果。

4 總結(jié)

安全永遠(yuǎn)是化工行業(yè)的第一主題，發(fā)現(xiàn)并解決生產(chǎn)中的風(fēng)險(xiǎn)與隱患，才能有效避免經(jīng)濟(jì)損失與人員傷亡，同時(shí)安全穩(wěn)定的生產(chǎn)離不開(kāi)設(shè)備的安穩(wěn)長(zhǎng)滿(mǎn)優(yōu)運(yùn)行，無(wú)論是技術(shù)人員還是操作人員，都應(yīng)當(dāng)在日常操作、管理工作中不斷深入學(xué)習(xí)，不斷總結(jié)改進(jìn)，在做好本職工作的基礎(chǔ)上，多鉆研，多交流，多請(qǐng)教，才能提高設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性，做好節(jié)能降耗、降低維修費(fèi)用的工作，為企業(yè)的發(fā)展做出顯著貢獻(xiàn)。