Technip制氫工藝多工況原料氣壓縮機故障原因分析及解決方案

姜瑞文

(中國石油化工集團有限公司工程部，北京 100728)

福建某石化企業(yè)40×103m3/h(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))制氫裝置采用Technip(德希尼布)輕烴水蒸氣轉(zhuǎn)化、變壓吸咐(PSA)技術(shù)將氫氣提純?yōu)?9.9%(vol, %)工業(yè)氫作為全廠補充氫源。其設(shè)計主工況以重整氫PSA尾氣(ROG)為原料，壓縮氣體組成見表1；輔工況以精制石腦油或C5為原料，也可油氣混用作為原料制氫。該裝置建成投產(chǎn)后，正常生產(chǎn)采用精制石腦油或C5作為主工況制氫，而將重整氫PSA尾氣作為全廠燃料管網(wǎng)補充。該裝置配置的2臺原料氣往復(fù)壓縮機組(25-K-111A/B，見圖1)采用上海東方壓縮機制造有限公司制造的雙缸雙作用二級壓縮對稱平衡式結(jié)構(gòu)，制造參數(shù)見表2。

表2 原料氣往復(fù)壓縮機組制造參數(shù)

圖1 故障機組修復(fù)前運行現(xiàn)場

該機組在裝置烘爐、煮爐或開停工期間用來進行壓縮氮氣全循環(huán)；主工況下，將0.510 MPa的ROG氣體加壓至3.650 MPa，作為氣體進料；石腦油或C5工況下，將2.730 MPa的管網(wǎng)氫氣經(jīng)調(diào)壓后加壓至3.650 MPa，作為液體進料配氫。機組操作參數(shù)見表3,其在氮氣工況下的運行參數(shù)與設(shè)計基本一致，其他工況下與設(shè)計工況差別很大。

表3 原料氣往復(fù)壓縮機組操作參數(shù)

1 檢測評估與原因分析

1.1 故障狀況

裝置正常運行期間，2臺原料氣壓縮機周期性發(fā)生故障，只能定期切換備用機交替維修以維持安全生產(chǎn)(見圖1)，其中25-K-111A(簡稱A機)主軸瓦斷裂3次(斷裂軸瓦拆檢見圖2)，活塞桿沉降連鎖停機1次；25-K-111B(簡稱 B機)主軸瓦斷裂2次，十字頭銷壓蓋脫落、空心十字銷斷裂1次(見圖3)。壓縮機周期性地出現(xiàn)氣閥部件損壞、氣缸蓋和連接螺栓裂紋、十字頭銷子斷裂、軸瓦斷裂、曲軸箱扭曲變形等故障(見圖4)，多次會診修復(fù)，都未能從根源上有效解決上述問題。但通常修復(fù)后機組試運良好，且在短時間內(nèi)能正常運行，之后逐步表現(xiàn)為振動，1個月后振動加劇，2個月發(fā)展至零部件損壞，3個月發(fā)生故障停機，就地修復(fù)后即再次運行。2017年，將2臺故障機組整體拆除返原制造廠修復(fù)后，進行性能試驗，合格出廠。

圖2 故障機組曲軸箱軸瓦斷裂拆檢現(xiàn)場

圖3 故障機組曲柄連桿、十字頭銷、活塞桿

1.2 檢測評估

2016年，中國石化受托對該企業(yè)進行系統(tǒng)性工程質(zhì)量檢測評估、修復(fù)重建、恢復(fù)生產(chǎn)。評估結(jié)果顯示：機組地基基礎(chǔ)、結(jié)構(gòu)、管道系統(tǒng)應(yīng)力分析、氣流脈動與機械振動分析補償?shù)葷M足設(shè)計規(guī)范和使用要求。將故障機組拆除返原制造廠拆檢測量(見圖4)，發(fā)現(xiàn)機組一部分主要部件超出修復(fù)范圍，如曲軸磨損彎曲、曲軸箱扭曲變形、活塞桿磨損等。

圖4 故障機組曲軸箱變形拆檢現(xiàn)場

1.3 原因分析

1.3.1 制氫裝置運行工況復(fù)核

運行統(tǒng)計結(jié)果表明：制氫裝置自2013年7月16日首次開工運行至2015年的“4.6”爆炸事故停工，在液體原料工況下累計運行155 d，在氣體原料工況下累計運行45 d，即在ROG工況下運行時間短，在石腦油工況下運行時間長。裝置長時間在非主工況下連續(xù)運行，偏離了原工藝包設(shè)計方案。

1.3.2 制氫裝置不同操作工況下壓縮機操作參數(shù)復(fù)核

壓縮機的操作參數(shù)見表3。氣體進料工況下H2含量48.1%～52.9% (vol,%)，液體進料工況下H2含量99.9% (vol,%)。重整氫PSA尾氣進料工況下實際進料組成與設(shè)計偏差小，經(jīng)復(fù)核，機組性能參數(shù)滿足生產(chǎn)運行的要求。在石腦油工況下，壓縮機的配氫量最大為2 000 m3/h(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)),采用回流調(diào)節(jié)方式，造成進口壓力波動且超過正常操作壓力指標(biāo)值;當(dāng)壓縮機進口壓力降低時，壓縮機一、二級壓縮比增大，排氣溫度過高，最大排氣量由24 000m3/h(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))調(diào)節(jié)到16 500 m3/h(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)),運行趨向平穩(wěn)。

根據(jù)往復(fù)壓縮機軸功率計算公式復(fù)核在ROG和石腦油兩種不同運行工況下機組額定軸功率。

壓縮機軸功率按下式計算：

式中：N——壓縮機軸功率，kW；

P1——壓縮機進氣壓力，MPa；

qv——進氣條件下壓縮機體積排氣量，

m3/min；

K——氣體壓縮比熱比；

ε——氣體壓縮比壓；

Z1，Z2——分別為壓縮機進、排氣條件下的壓縮系數(shù)；

η——壓縮機效率。

其中

K=CP/CV

式中：CP——氣體壓縮定壓比熱，kJ/(kg·K)；

CV——氣體壓縮定容比熱，kJ/(kg·K)。

復(fù)核往復(fù)壓縮機在ROG運行工況下機組額定軸功率無異常。

在石腦油工況下，機組進口壓力表實測壓力0.780 MPa(表)，出口壓力3.650 MPa(表)，打開機組出口一回一口返回線，滿足各級排氣溫度不超溫(一級≯108 ℃、二級≯130 ℃)且保留原設(shè)計氣缸余隙的情況下，計算得出壓縮機的軸功率N=1 296 kW，則驅(qū)動電機的額定功率N電=1 296×1.1=1 426 kW，應(yīng)該配置1 500 kW的電動機，這超出了原機組主電機配置1 350 kW的額定功率。當(dāng)核算的額定功率超出范圍時，只要沒有其他應(yīng)用限制，壓縮機均可滿足機組運行條件，因為壓縮機機身是按內(nèi)在的氣體負(fù)荷作為額定值來核算的，軸功率不是限制機身設(shè)計的唯一條件，所以曲軸箱變形不只是超負(fù)荷運行引起的。

1.3.3 機組故障原因分析

1) 裝置運行工況偏離原工藝設(shè)計運行方案，導(dǎo)致機組運行性能偏離制造要求

該裝置長時間在液體進料工況下運行，偏離原設(shè)計主工況運行方案；機組超壓超負(fù)荷運行，其運行參數(shù)也偏離原設(shè)計操作參數(shù)范圍。采用旁路調(diào)節(jié)流量的方式使機組進、排氣壓力發(fā)生改變，導(dǎo)致壓縮機綜合活塞力和反向角發(fā)生較大的改變，機組“穿堂”運行產(chǎn)生不平衡力的沖擊，造成氣缸、活塞、十字頭、連桿、曲軸等零部件損壞；機組故障維修期間，將原空心十字頭銷改成實心結(jié)構(gòu)，使十字頭銷(見圖3)的安全閥作用失效，機組的推動力反作用到機身，從而使壓縮機振動加劇，直到薄弱部件受損造成壓縮機周期性損壞。

往復(fù)式壓縮機活塞桿所受負(fù)荷是往復(fù)運動慣性力、氣體力、摩擦力的合力，即綜合活塞力。三者中任何一個的變化都將改變綜合活塞力，同時改變反向角。

影響綜合活塞力和反向角的因素有：

a) 壓縮機氣閥工作狀況的好壞與負(fù)載是影響反向角的重要因素，因為它決定著活塞桿受氣體力的大小。

b) 慣性力的改變。往復(fù)運動部件的質(zhì)量大，慣性力就大，反之則小。

c) 氣缸缸徑與活塞桿的匹配程度。小缸徑大壓比時，反向角會減小或消失。

d) 余隙的大小會影響綜合活塞力的分布，影響反向角。

e) 氣缸的作用形式。單作用氣缸很容易出現(xiàn)無反向角的情況，缸頭端作用比曲軸端作用更易造成無反向角的情況發(fā)生。

總之，對于該原料氣往復(fù)式壓縮機，往復(fù)運動部件質(zhì)量、氣缸缸徑與活塞桿的匹配程度、余隙的大小以及氣缸作用形式都是固定的，對綜合活塞力以及反向角造成影響的最大因素就是氣閥工作與負(fù)載狀況的改變。

2) 往復(fù)壓縮機多工況運行性能參數(shù)復(fù)算

現(xiàn)行的往復(fù)壓縮機軟件程序計算的是十字頭銷處的綜合活塞負(fù)荷。綜合的活塞桿負(fù)荷就是活塞氣缸內(nèi)在的氣體負(fù)荷與活塞運動慣性負(fù)荷的總和。慣性負(fù)荷容易使小缸徑、高壓單/雙作用以及十字頭銷荷載反向角不當(dāng)?shù)臍飧桩a(chǎn)生“穿堂”現(xiàn)象。反向角是壓縮機從壓縮負(fù)荷轉(zhuǎn)換到拉伸負(fù)荷過程中十字頭銷的(反向)變化，該過程允許潤滑油流入到軸承的受載一側(cè)，如圖5a)～圖5b)所示。當(dāng)作用于活塞上的凈力推動十字頭銷向曲軸方向運動時，十字頭銷被推動遠(yuǎn)離曲軸，因此十字頭銷到十字頭瓦的間隙在十字頭銷的曲軸側(cè)；當(dāng)作用于活塞上的凈力抽拉十字頭向遠(yuǎn)離曲軸方向運動時，十字頭銷被拉向靠近曲軸的一側(cè)，因此十字頭銷到十字頭瓦的間隙在十字頭銷的活塞側(cè)。這樣周期交替旋轉(zhuǎn)變換，使十字頭銷加載形成反向角。綜合的活塞桿負(fù)荷將決定十字頭銷軸承上的負(fù)荷，也將決定十字頭銷是否具有良好潤滑的反向角。潤滑油膜間隙是否適宜以及作用力是否滿足摩擦邊界條件決定了機組運動摩擦副是否能夠具有良好的潤滑。

圖5 機組十字頭銷反向角

機組設(shè)計要保證容許的最小活塞桿(銷負(fù)荷)反向角。德萊賽蘭公司建議壓縮機的反向角(變化)不小于曲軸旋轉(zhuǎn)角度，即30°。原設(shè)計空心十字頭銷是連接曲軸連桿和活塞桿的十字軸(見圖3)，當(dāng)推動力超過空心十字頭銷設(shè)計剪切應(yīng)力時，過載的剪切力會剪斷空心十字頭銷，起到保護機組安全的作用。在機組故障維修過程中，誤將空心十字頭銷改為實心，使其失去了對機組的安全保護作用，增加了機組運行故障所造成損壞的嚴(yán)重程度。

對壓縮機活塞桿的活塞力、反向角等制造性能參數(shù)進行復(fù)核，結(jié)果表明：在石腦油工況下運行時，壓縮機綜合活塞力和反向角與原設(shè)計相比都發(fā)生了改變,該工況下機組長時間超負(fù)荷運行，性能參數(shù)偏離設(shè)計范圍，往復(fù)壓縮機組十字銷的反向角度數(shù)等超出設(shè)計和實際制造的要求；機組其他工況下十字頭銷處的反向角度數(shù)最小值在175°～160°之間，其他參數(shù)條件通過調(diào)整機組余隙或進行修正后尚可。

結(jié)合生產(chǎn)運行實際數(shù)據(jù)和復(fù)核結(jié)果分析認(rèn)為，制氫壓縮機設(shè)計選型沒有考慮在液體原料工況下長周期運行的需求，該機組在大差距參數(shù)工況下，實現(xiàn)一機多工況應(yīng)用存在諸多風(fēng)險，原設(shè)計采用的一種工況機型機組難以滿足兩種大差距原料工況，往復(fù)壓縮機多工況運行性能參數(shù)復(fù)算結(jié)果偏離機組設(shè)計工況。

2 解決方案

2.1 往復(fù)壓縮機組配置方案選擇

長周期運行的往復(fù)壓縮機組在石化生產(chǎn)裝置上的配置方案一般是1開1備或2開1備組合方案。該制氫裝置原料氣壓縮機原設(shè)計采用一種機型1開1備的方案滿足兩種大差距工況，沒有考慮在液體原料工況下長周期運行的需求。在兩種大差距工況條件下，宜采用配置單獨的小型壓縮機用于液體進料工況下配氫的優(yōu)化方案，也可以利用加氫裂化補充氫壓縮機適宜的抽出側(cè)線氫源進行配氫，或?qū)碜栽摴綪TA工廠的小型甲醇制氫裝置高純氫反輸?shù)礁邏簹涔芫W(wǎng)作為外部氫源進行配氫。

該多工況、大差距參數(shù)下機組的修復(fù)及配置方案，首選原機型更新或改造修復(fù)，其次是全部更新的方案?？紤]到原機組的機房、地基基礎(chǔ)、工藝配管等因素，將該裝置原2臺機組更新為其他結(jié)構(gòu)機型或采用原制造廠其他機型的配置方案都不理想。

2.2 往復(fù)壓縮機組流量調(diào)節(jié)方案選擇

2.2.1 流量調(diào)節(jié)方案比選

通過復(fù)核壓縮機旁路調(diào)節(jié)(出入口副線、返回流量、放空)、逐級調(diào)節(jié)(副線逐級返回)、余隙腔調(diào)節(jié)(氣缸活塞余隙)、頂開進氣閥50%調(diào)節(jié)(半負(fù)荷)方式，發(fā)現(xiàn)這幾種流量調(diào)節(jié)方案均不滿足生產(chǎn)需要，且轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)(變頻調(diào)速、分級調(diào)速)對本機組也不適用。頂開進氣閥方案中的無級氣量調(diào)節(jié)方式是往復(fù)式壓縮機氣量調(diào)節(jié)的新技術(shù)。該方式通過頂開進氣閥進行氣量調(diào)節(jié)，在進氣過程結(jié)束后利用外力強制頂開進氣閥，只對實際需要的氣量進行壓縮，余下的氣體在壓縮行程的開始階段回流到進氣腔內(nèi)，實現(xiàn)氣量無級調(diào)節(jié)，并可達(dá)到節(jié)能的效果。

2.2.2 往復(fù)式壓縮機無級氣量調(diào)節(jié)方案

往復(fù)式壓縮機無級氣量調(diào)節(jié)的基本原理為“回流省功”。圖6所示為活塞在壓縮機氣缸的一個正常工作循環(huán)，包括余隙容積中殘留高壓氣體的膨脹過程。往復(fù)式壓縮機無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)由PLC控制器、液壓系統(tǒng)、機械執(zhí)行機構(gòu)和測量與監(jiān)控系統(tǒng)組成。采用就地控制和DCS等上位機設(shè)備遠(yuǎn)程控制的方式，可以實現(xiàn)無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的切除以及故障聯(lián)鎖切除。

原機型更新或增加無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)進行改造修復(fù)的方案在滿負(fù)荷運行工況下，壓縮過程沿如圖6中CD曲線進行；部分負(fù)荷運行工況下，壓縮過程先從位置C到達(dá)Cr，再從Cr到達(dá)Dr。如圖6所示，無級氣量調(diào)節(jié)(延遲關(guān)閉氣閥的Hrdro-COM技術(shù))通過液壓執(zhí)行機構(gòu)及DCS 控制系統(tǒng)理論上可實現(xiàn)對壓縮機負(fù)荷在0%～100%之間自動、連續(xù)、快速的調(diào)節(jié)，但在0%～10%負(fù)荷的情況下，在壓縮曲線Cr10～Dr10狀態(tài)區(qū)間不能長時間運行。由此可見，無級氣量調(diào)節(jié)不適合小流量的液體進料工況，在低流量調(diào)節(jié)狀態(tài)下運行風(fēng)險大。而且雖然增加該調(diào)節(jié)系統(tǒng)改造技術(shù)成熟，但是費用高，因此，該方案也不理想。

圖6 機組流量調(diào)節(jié)的5種方式及無級氣量調(diào)節(jié)氣體壓縮原理

2.2.3 往復(fù)式壓縮機組系統(tǒng)性解決方案

通過論證，原機型增加無級氣量調(diào)節(jié)方案滿足不了需要，最終采用了原樣修復(fù)2臺壓縮機并新增2臺小型撬裝機組的方案。新增壓縮機在原裝置平面布置中選址困難，因此布置在加氫裂化和制氫聯(lián)合裝置之間的空地且緊鄰制氫轉(zhuǎn)化爐的位置。4臺往復(fù)壓縮機于2018年11月開車，正常運行至今，且新增撬裝往復(fù)壓縮機節(jié)能效果明顯。

3 結(jié)論

某制氫裝置原料氣往復(fù)壓縮機組(25-K-111A/B)因周期性故障進行整體返廠修復(fù)并新增2臺小型撬裝機組(K-111C/D)用于液體進料工況下配氫。新增的2臺小型撬裝壓縮機組用于石腦油工況下配氫壓縮， 原2臺壓縮機返原制造廠修復(fù)后在ROG工況下使用， 實現(xiàn)兩種工況分別運行并能短時兼顧運行的操作模式， 這樣都能滿足多工況運行的需要。該案例將Technip制氫工藝技術(shù)流程優(yōu)化與復(fù)核往復(fù)壓縮機性能參數(shù)相結(jié)合進行制氫工藝中往復(fù)壓縮機故障原因分析與處理， 既準(zhǔn)確消除了機組故障， 又優(yōu)化并完善了工藝流程， 同時也為同類問題的成功解決提供了借鑒。