國(guó)產(chǎn)化大型生成氣壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)選型

張貴軍

(中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101)

丁二烯是石化工業(yè)的基礎(chǔ)原料,在石油化工烯烴原料中的地位僅次于乙烯和丙烯,是合成橡膠和高分子材料的重要單體【1】，可以和多種化合物共聚生成各種合成橡膠和合成樹(shù)脂【2】。以丁烷或丁烯為原料氧化脫氫制取丁二烯是生產(chǎn)丁二烯的工藝技術(shù)之一。生成氣壓縮機(jī)組是氧化脫氫制丁二烯裝置的核心設(shè)備，一旦出現(xiàn)故障，整個(gè)裝置將被迫停車，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。做好大型生成氣壓縮機(jī)組的國(guó)產(chǎn)化開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，既可以替代進(jìn)口，也有助于氧化脫氫制丁二烯裝置的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

2012年末，國(guó)內(nèi)某10萬(wàn)t/a氧化脫氫制丁二烯裝置對(duì)生成氣壓縮機(jī)組的機(jī)型、關(guān)鍵配置進(jìn)行了專家論證，原則上同意生成氣壓縮機(jī)組采用國(guó)產(chǎn)螺桿壓縮機(jī)，替代進(jìn)口產(chǎn)品。此時(shí)國(guó)內(nèi)正在建設(shè)的幾套氧化脫氫制丁二烯裝置單條線還僅是2.5萬(wàn)t/a的規(guī)模，雖然也采用國(guó)產(chǎn)螺桿壓縮機(jī)組，但由于裝置規(guī)模差別太大且還未建成投產(chǎn)，參考意義不大，10萬(wàn)t/a規(guī)模的生成氣壓縮機(jī)組的具體配置及布置方案還需重新研發(fā)。本文對(duì)機(jī)組配置及布置方案的設(shè)計(jì)選型過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)闡述，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證其合理性，同時(shí)提出優(yōu)化方向。

1 機(jī)組選型設(shè)計(jì)

生成氣壓縮機(jī)輸送丁二烯混合氣體，其主要?dú)怏w組成為丁二烯、丁烯、丁烷、氮?dú)夂蜕倭垦鯕?、含氧化合物。由于丁二烯含有兩個(gè)不飽和雙鍵， 在高溫下極易發(fā)生自聚， 甚至存在爆炸風(fēng)險(xiǎn)【3】， 因此要求壓縮過(guò)程中最高溫度不得高于80 ℃。溫度控制是生成氣壓縮機(jī)組設(shè)計(jì)的核心技術(shù)， 所有布置及配置方案均與溫度控制密切相關(guān)。隨著壓縮機(jī)組的大型化， 在進(jìn)行溫度控制的布置及配置方案設(shè)計(jì)時(shí)， 也需要特別考慮可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

該項(xiàng)目生成氣壓縮機(jī)單級(jí)壓縮與兩級(jí)壓縮主要操作/運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表1。其主要難點(diǎn)有二：1)氣量大，達(dá)65 000 kg/h，是當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)工藝螺桿壓縮機(jī)的最大氣體處理量，需要壓縮機(jī)組在較高的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行來(lái)滿足氣量要求。2)壓縮機(jī)組的進(jìn)出口壓比大， 約為6.67， 溫升較大。壓縮機(jī)組的這兩個(gè)重要參數(shù)， 都不利于主機(jī)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的溫度控制。

表1 壓縮機(jī)單級(jí)壓縮與兩級(jí)壓縮主要操作/運(yùn)行參數(shù)

如果按照傳統(tǒng)方案，生成氣壓縮機(jī)選擇單級(jí)壓縮方案，根據(jù)氣體熱力過(guò)程方程【4】

計(jì)算得到排氣溫度T2高達(dá)133 ℃。

雖然單級(jí)螺桿機(jī)組可以做到壓比6.67，但考慮到80 ℃的最高溫度限制，對(duì)選型進(jìn)行優(yōu)化，選擇將機(jī)組按兩段壓縮進(jìn)行設(shè)計(jì)，以顯著地降低每一段氣體出口溫度。中間冷卻器通過(guò)采用低溫冷凍水替代普通循環(huán)水進(jìn)行換熱，可以進(jìn)一步降低第二級(jí)的氣體入口溫度。利用螺桿壓縮機(jī)對(duì)帶液壓縮不敏感的特性，向壓縮機(jī)腔體內(nèi)噴入低溫工藝水對(duì)壓縮過(guò)程進(jìn)行冷卻。每一級(jí)壓縮所需的噴液量通過(guò)計(jì)算實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，使噴入的液體能得到良好的霧化。即使偶爾過(guò)飽和，對(duì)機(jī)組運(yùn)行也沒(méi)有太大影響。壓縮產(chǎn)生的熱量一部分由主機(jī)內(nèi)部噴液移出，一部分由級(jí)間冷卻移出。

在額定工況下，一級(jí)壓縮機(jī)出口工藝氣處于過(guò)熱狀態(tài)，所噴入的少量液態(tài)水在壓縮機(jī)出口完全汽化。噴液增濕后的氣體經(jīng)中間冷卻器降溫后，將析出少量液態(tài)水，再經(jīng)一級(jí)分離器分離后，進(jìn)入二級(jí)壓縮機(jī)。二級(jí)壓縮后的氣體進(jìn)入二級(jí)冷卻器及二級(jí)分離器，之后再進(jìn)入下游工段。

兩級(jí)壓縮帶中間冷卻加上壓縮機(jī)腔體噴液的組合方案中，兩級(jí)排氣溫度設(shè)計(jì)值均為72 ℃。兩級(jí)的壓縮比，通過(guò)模擬計(jì)算達(dá)到最優(yōu)匹配。壓縮機(jī)腔體的噴液量，在熱力學(xué)模型中需要反復(fù)優(yōu)化，若噴液量過(guò)大，將不利于入口噴液的霧化效果，使得壓縮過(guò)程中氣體與噴入液體的換熱效果下降，導(dǎo)致排氣溫度因噴液量的增加而升高；此外，噴液量過(guò)大會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)振動(dòng)增大，功耗增加。因此，準(zhǔn)確選擇并控制噴液量，不僅可以實(shí)現(xiàn)溫度控制，還可以有效降低能耗及噴液的沖蝕影響，提高機(jī)組可靠性。通過(guò)計(jì)算，一級(jí)和二級(jí)的噴液量分別取1.4 t/h和3.0 t/h，此時(shí)出口水蒸氣為過(guò)熱狀態(tài)，噴液量適中，既起到了潤(rùn)滑、密封、降噪以及沖刷雜質(zhì)的作用，又不會(huì)帶來(lái)較大的流動(dòng)損失和振動(dòng)。

一級(jí)、二級(jí)壓縮機(jī)直徑、長(zhǎng)徑比及額定轉(zhuǎn)速主要由一級(jí)、二級(jí)入口氣量決定，二級(jí)壓縮機(jī)入口氣量由級(jí)間壓力決定。合理選取級(jí)間壓力不僅能有效控制兩臺(tái)壓縮機(jī)的最高溫度，還可以節(jié)省整個(gè)機(jī)組能耗。為了確定合理的級(jí)間壓力，需要對(duì)級(jí)間壓力損失進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)算。級(jí)間壓力損失主要由冷卻器、分離器流動(dòng)阻力損失導(dǎo)致。該項(xiàng)目依據(jù)工藝螺桿壓縮機(jī)工作過(guò)程模擬與選型設(shè)計(jì)軟件，同時(shí)借助PROⅡ等工藝設(shè)計(jì)軟件對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，以達(dá)到溫度控制與節(jié)能的目標(biāo)。

2 機(jī)組布置方案

該生成氣壓縮機(jī)組按照兩級(jí)壓縮設(shè)計(jì)。在當(dāng)時(shí)正在研制的小型氧化脫氫制丁二烯裝置中，兩級(jí)壓縮一般通過(guò)兩臺(tái)驅(qū)動(dòng)機(jī)分別驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)壓縮機(jī)的方案實(shí)現(xiàn)。在本次10萬(wàn)t/a規(guī)模的裝置中，研發(fā)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)反復(fù)論證，創(chuàng)新地提出兩臺(tái)壓縮機(jī)共用一臺(tái)汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的方案。這不僅可以提高汽輪機(jī)的效率，同時(shí)也降低了整套機(jī)組的操作難度。但是，兩臺(tái)壓縮機(jī)與汽輪機(jī)的布置及連接，需要認(rèn)真比選串聯(lián)和并聯(lián)方案。串聯(lián)方案布置及連接相對(duì)簡(jiǎn)單，但對(duì)一級(jí)壓縮機(jī)陽(yáng)轉(zhuǎn)子(轉(zhuǎn)子直徑630 mm)強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求高，對(duì)機(jī)組的制造、安裝等其他因素也提出了較高要求。若采用并聯(lián)布置方案，需要設(shè)置齒輪箱來(lái)實(shí)現(xiàn)一臺(tái)汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)壓縮機(jī)的操作。通過(guò)齒輪箱連接，兩臺(tái)壓縮機(jī)還可以選擇不同的傳動(dòng)比以在最高效的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，有效提高了容積效率。為了確保整套機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行，開(kāi)發(fā)過(guò)程中充分考慮齒輪箱跨距(約1 m)過(guò)大的不利因素，采用轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)軟件進(jìn)行機(jī)組扭振分析。

3 運(yùn)行情況

10萬(wàn)t/a氧化脫氫制丁二烯裝置于2017年9月開(kāi)車成功，至今運(yùn)行已超過(guò)3年。其中，生成氣壓縮機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)，在不同裝置負(fù)荷下均能滿足各項(xiàng)工藝要求。生成氣壓縮機(jī)組投產(chǎn)后的照片見(jiàn)圖1。

表2列出了某兩日分別提取的100%、80%負(fù)荷下，壓縮機(jī)組4組運(yùn)行數(shù)據(jù)的平均值。從表2 中可以看出，機(jī)組各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)都處于正常區(qū)間范圍內(nèi)，達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期。

圖2所示為生成氣壓縮機(jī)不同情況下的出口溫度。

通過(guò)分析表2和圖2的數(shù)據(jù)，可得出如下結(jié)論：

圖2 生成氣壓縮機(jī)不同情況下的出口溫度

表2 100%、80%負(fù)荷下壓縮機(jī)組4組運(yùn)行數(shù)據(jù)的平均值【5】

1) 一級(jí)排氣實(shí)際溫度僅為57.9 ℃，遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)溫度72 ℃。雖然一級(jí)實(shí)際噴水量略高于設(shè)計(jì)值，考慮到中間換熱器的實(shí)際換熱效果與理論計(jì)算基本一致，基本可以推斷出壓縮機(jī)腔體噴液的冷卻效果遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)預(yù)期。

2) 一級(jí)排氣溫度大幅降低后，二級(jí)噴水量也相應(yīng)大幅減少，兩級(jí)總噴水量小于設(shè)計(jì)值。

3) 從機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)看，振動(dòng)值和軸位移數(shù)據(jù)都在設(shè)定范圍內(nèi)，驗(yàn)證了布置方案的合理性和穩(wěn)定性。

4 優(yōu)化方向

結(jié)合表2的數(shù)據(jù)及該機(jī)組的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況，以下兩方面需進(jìn)一步優(yōu)化：

1) 從噴液量數(shù)據(jù)看，80%負(fù)荷下二級(jí)噴水量略高于100%負(fù)荷下的數(shù)值，與相應(yīng)的一級(jí)噴水量大小關(guān)系不符，需要進(jìn)一步進(jìn)行理論分析，找出具體原因。

2) 一級(jí)壓縮機(jī)排氣側(cè)軸承振動(dòng)值偏大。從現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，部分小管線出現(xiàn)裂紋，初步判斷排氣側(cè)振動(dòng)值偏大與小管線振動(dòng)過(guò)大有關(guān)。在后續(xù)改造中，應(yīng)對(duì)小管線進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算。

5 結(jié)語(yǔ)

從生成氣壓縮機(jī)組設(shè)計(jì)的核心要素——溫度控制入手，重點(diǎn)闡述了國(guó)產(chǎn)化機(jī)組設(shè)計(jì)選型中配置及控制方案的研發(fā)過(guò)程及最終結(jié)論，同時(shí)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的運(yùn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)證設(shè)計(jì)選型的正確性，并總結(jié)出優(yōu)化方向。

該套機(jī)組的運(yùn)行成功不僅標(biāo)志著大型氧化脫氫制丁二烯裝置擁有了可靠的國(guó)產(chǎn)核心設(shè)備，也有力地推動(dòng)了我國(guó)石化行業(yè)大型裝備國(guó)產(chǎn)化的穩(wěn)步前行。