乙烯生產(chǎn)大型關(guān)鍵機(jī)組可靠性研究及維護(hù)對策

劉 建

(中韓(武漢)石油化工有限公司，湖北 武漢 434300)

中韓(武漢)石油化工有限公司(簡稱武漢乙烯)的乙烯項目是國家“十一五”重點建設(shè)工程，也是湖北省一號工程。項目總投資167億元，于2013年8月投產(chǎn)，是國內(nèi)首套完全采用國產(chǎn)技術(shù)的大型乙烯項目。其中乙烯三機(jī)(裂解氣壓縮機(jī)組、乙烯制冷壓縮機(jī)組、丙烯制冷壓縮機(jī)組)是乙烯裝置的關(guān)鍵設(shè)備。如果機(jī)組出現(xiàn)故障造成停車，一次損失就可達(dá)千萬元以上。為了保證其運行可靠性，通過研究探索，采取了一些對策，取得良好成果。

1 重視機(jī)組設(shè)計選型

機(jī)組的選型和合理設(shè)計是機(jī)組運行可靠性的基礎(chǔ)。武漢乙烯三大機(jī)組在國內(nèi)首次同時實現(xiàn)了國產(chǎn)化(其中壓縮機(jī)組由沈鼓設(shè)計制造，汽輪機(jī)由杭汽設(shè)計制造)，這對武漢乙烯工程提出了很大的挑戰(zhàn)。選型設(shè)計中，設(shè)計人員努力探索提高機(jī)組設(shè)計可靠性的途徑，例如：1)乙烯機(jī)組低壓缸運行為低溫-101 ℃，缸體采用的1Ni9材料很不穩(wěn)定，很難滿足葉輪和軸的性能需求，容易因應(yīng)力導(dǎo)致軸發(fā)生彎曲，在項目實施過程中，通過采用鍵連接加過渡配合的方式，很好地解決了這個問題。2)裂解氣壓縮機(jī)組的高壓缸，摒棄常用的水平剖分型，改為筒形結(jié)構(gòu)并設(shè)計專用工具，解決了變形泄漏的難題；同時，為抑制機(jī)組結(jié)焦，采用了既注洗油又注水的措施。

2 開展工藝升級和結(jié)構(gòu)改進(jìn)

干氣密封設(shè)計選型充分吸取兄弟單位同規(guī)模裝置的經(jīng)驗教訓(xùn)，即乙烯裝置裂解氣壓縮機(jī)緊急停車過程中，“三返一”和“五返四”的防喘振閥會迅速打開，導(dǎo)致停機(jī)時因機(jī)組倒轉(zhuǎn)造成機(jī)組密封損壞。設(shè)計中充分考慮停機(jī)時介質(zhì)能量的釋放，設(shè)置單向閥并盡可能靠近壓縮機(jī)本體，同時采用雙向密封防止損壞【1】。具體采取措施如下：

1) 增設(shè)防喘振閥和單向閥，分割壓縮機(jī)氣路系統(tǒng)，降低蓄能容積，氣相負(fù)荷大幅減少。武漢乙烯裂解氣壓縮機(jī)設(shè)置了3套防喘振最小流量返回線。第1條為″三返一″，第2條為″四返四″，第3條為″五返五″。且三段出口、四段出口、五段入口和出口設(shè)計單向閥，將裂解氣壓縮機(jī)系統(tǒng)切割為3部分。當(dāng)壓縮機(jī)緊急停車時，防喘振閥全開，裂解氣從出口管線通過防喘振閥返回到入口管線，3個系統(tǒng)各自快速達(dá)到壓縮機(jī)出入口壓力平衡，經(jīng)單向閥有效阻止后，系統(tǒng)的氣相返回到自身系統(tǒng)，有效地減少壓縮機(jī)反轉(zhuǎn)的可能性。

2) 適當(dāng)增大防喘振閥的口徑和管道尺寸。在中小型乙烯裝置的設(shè)計中，防喘振閥的選擇通常以最大轉(zhuǎn)速下的喘振流量作為計算防喘振控制閥門系數(shù)的基準(zhǔn)，取基準(zhǔn)點對應(yīng)Cv值的2倍作為選擇閥門的依據(jù)，同時保證正常工作流量下閥門開度在50%～70%范圍內(nèi)，而對防止機(jī)組停車時轉(zhuǎn)子發(fā)生反轉(zhuǎn)的可能考慮不足。防喘振管線管道直徑較小時，回流氣體壓力平衡時間過長易引起反轉(zhuǎn)，但管道直徑小，反應(yīng)時間快，在正常生產(chǎn)時調(diào)節(jié)能力強(qiáng)。因此大型機(jī)組需重新核算機(jī)組防喘振管線的平衡能力，同時兼顧防喘振和防反轉(zhuǎn)，對防喘振系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，選擇合適的管道尺寸和控制閥門。此外，防喘振閥快速開啟動作時間和內(nèi)部籠式結(jié)構(gòu)(降噪和減震功能)容易堵塞都是需要考慮生產(chǎn)實際情況的。

3) 在五段出口壓力放空閥處增加停機(jī)聯(lián)鎖信號。五段出口壓力為3.8 MPa，根據(jù)伯努利方程，氣體靜壓能與壓力成正比，壓力越高，反轉(zhuǎn)能量越大。一旦發(fā)生聯(lián)鎖跳車或緊急停車，五段出口放空閥自動打開，卸到火炬，五段出口氣體靜壓能迅速降低。

4) 優(yōu)化盤車電機(jī)邏輯控制，增加盤車電機(jī)3 min 延遲介入邏輯設(shè)定。原設(shè)計裂解氣壓縮機(jī)聯(lián)鎖停機(jī)后，零轉(zhuǎn)速探頭檢測轉(zhuǎn)速低于2 r/min，盤車電機(jī)立即啟動，若壓縮機(jī)因此發(fā)生轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)，易造成盤車系統(tǒng)損壞。增加延時后，可以避免上述情況發(fā)生。

5) 采用雙向燕尾槽型干氣密封【2】。目前，國內(nèi)使用較多的離心式壓縮機(jī)干氣密封類型為螺旋槽和雙向燕尾槽，與傳統(tǒng)的螺旋槽干氣密封對比，雙向燕尾槽型最大的優(yōu)點是允許壓縮機(jī)反轉(zhuǎn)。

6) 三機(jī)組潤滑油站的設(shè)計也會影響機(jī)組可靠性，為確保機(jī)組的可靠運行，首先要求該設(shè)計嚴(yán)格執(zhí)行API標(biāo)準(zhǔn)，同時要求油系統(tǒng)配套的管線、閥門采用不銹鋼材質(zhì)，主油泵由透平驅(qū)動，并設(shè)置了2套完全一致的備用油泵。機(jī)組控制系統(tǒng)，選用較可靠的康吉森機(jī)組控制系統(tǒng)，采用冗余設(shè)計。

3 加強(qiáng)制造過程的質(zhì)量監(jiān)控

大型機(jī)組的加工制造，由于部件多、工序多、工期長、極易造成質(zhì)量失控，影響機(jī)組運行的可靠性【3】。要求制造廠要有完善的質(zhì)量控制系統(tǒng)，同時委托監(jiān)造單位，每周發(fā)監(jiān)檢周報，通報質(zhì)量問題，并及時予以糾正，對重要質(zhì)量檢查節(jié)點，定期派有經(jīng)驗的專業(yè)技術(shù)人員檢查。

在制造過程中，阻止了幾起質(zhì)量不合格進(jìn)入下一道工序的現(xiàn)象。具體如下：

1) 裂解氣壓縮機(jī)驅(qū)動透平內(nèi)缸，存在嚴(yán)重的鑄造缺陷，按規(guī)定應(yīng)該廢掉，制造廠因交貨時間緊，提出簡單修復(fù)的方案，武漢乙烯技術(shù)人員堅持重新鑄造，杜絕了隱患。

2) 三機(jī)組潤滑油系統(tǒng)，設(shè)計要求閥門管件應(yīng)為不銹鋼，運到現(xiàn)場后卻發(fā)現(xiàn)是碳鋼的，經(jīng)過多次協(xié)調(diào)，廠家予以全部更換。制造過程中，嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，消除了制造隱患。

3) 設(shè)備出廠前工廠內(nèi)的試車十分重要。裂解氣壓縮機(jī)組是3個缸，制造廠以大功率試車電機(jī)和試車臺緊張為由，不愿做3缸聯(lián)動試車。但這種試車若不進(jìn)行，極容易把隱患帶到現(xiàn)場，影響機(jī)組現(xiàn)場開車。最終制造廠想辦法滿足試車需要，把問題消滅在制造廠內(nèi)。

4 深度參與安裝過程，把好安裝質(zhì)量關(guān)

大型機(jī)組安裝質(zhì)量對機(jī)組運行可靠性同樣至關(guān)重要。

鑒于機(jī)組的重要性，加上近年來施工單位在大機(jī)組安裝方面人才流失較多等情況，為了保證武漢乙烯三機(jī)組的安裝質(zhì)量，通過成立大機(jī)組攻關(guān)小組，安排專人配合做好大機(jī)組安裝調(diào)試，安裝過程中傾注大量精力，監(jiān)督檢查施工質(zhì)量，提供相應(yīng)的技術(shù)支持。

丙烯制冷機(jī)組安裝過程中，發(fā)現(xiàn)上下缸體扣蓋時有錯位，且偏差較大，影響了干氣密封的安裝。經(jīng)分析是由于缸體較重，扣缸時對得不正，定位銷強(qiáng)行楔入變形所造成的。經(jīng)過調(diào)整并對銷孔鉸孔，校正了缸體【4】。

裂解氣壓縮機(jī)油站曾進(jìn)行過一次二次灌漿，但底座灌空，灌漿不合格，容易造成油泵振動超標(biāo)，是安全隱患。針對此情況，要求監(jiān)理發(fā)整改單給施工單位重新進(jìn)行灌漿，消除隱患。

乙烯制冷壓縮機(jī)組低壓缸要求使用-100 ℃低溫密封膠，而實際提供的低溫密封膠為-50 ℃的，若用此密封膠，會導(dǎo)致泄漏的重大安全事故發(fā)生【5】。發(fā)現(xiàn)此問題后，立即協(xié)調(diào)兄弟單位，找到合適密封膠用于安裝。

丙烯機(jī)組機(jī)械運轉(zhuǎn)試驗過程中，均發(fā)現(xiàn)非驅(qū)動端軸承處振值不穩(wěn)(在15～30 μm之間波動)現(xiàn)象，振值偏大【6】。后經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)支撐瓦塊活動不靈活，瓦塊與頂升油管路有干涉現(xiàn)象。對此問題進(jìn)行處理后，機(jī)組試車合格。

5 優(yōu)化控制系統(tǒng)，機(jī)組保護(hù)措施切實有效

武漢乙烯項目乙烯裝置分離系統(tǒng)采用前脫丙烷前加氫工藝，裂解氣壓縮機(jī)采用五段壓縮，并設(shè)計有″三返一″，″四返四″，″五返五″3條防喘振線，以提高機(jī)組運行的安全性和穩(wěn)定性。自2013年8月乙烯裝置開工以來，其發(fā)生3起因裂解氣壓縮機(jī)″四返四″防喘振閥全開導(dǎo)致機(jī)組非驅(qū)動端振動高高聯(lián)鎖停機(jī)和2起因“五返五”防喘振閥聯(lián)鎖動作致使碳二加氫反應(yīng)器聯(lián)鎖、乙烯產(chǎn)品不合格冷區(qū)聯(lián)鎖切斷進(jìn)料的事故，同時7臺爐運行時機(jī)組“三返一”防喘振閥門必須保持7%開度，增加了機(jī)組運轉(zhuǎn)能耗。

針對機(jī)組運行過程中存在的上述問題，在2016年利用大檢修契機(jī)對機(jī)組防喘振系統(tǒng)實施優(yōu)化改造，新增CCC控制系統(tǒng)，替代原有的裂解氣壓縮機(jī)的防喘振控制、速度控制、抽汽控制及性能控制，其余的機(jī)組輔助系統(tǒng)仍在沈鼓控制系統(tǒng)中運行監(jiān)控，機(jī)組聯(lián)鎖在沈鼓系統(tǒng)中觸發(fā)。

通過實測防喘振線，將原沈鼓理論計算喘振線向左移動，最終“三返一”喘振曲線向左移動7.5%，“四返四”喘振曲線向左移了22%，“五返五”采用雙重控制來保證五段防喘振流量和碳二加氫的空速。改造優(yōu)化后，系統(tǒng)抗波動能力增強(qiáng)，空速調(diào)節(jié)平滑穩(wěn)定，碳二加氫反應(yīng)器運行穩(wěn)定?？刂葡到y(tǒng)運行至今,未發(fā)生防喘振閥門動作導(dǎo)致碳二加氫空速低的事故。

防喘振系統(tǒng)優(yōu)化后取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。對比改造前后防喘振閥門的開度和蒸汽用量，當(dāng)裂解爐負(fù)荷低于330 t/h，平均節(jié)約超高壓蒸汽10 t/h，年創(chuàng)經(jīng)濟(jì)效益777.6萬元。

6 做好機(jī)組調(diào)試，保障控制系統(tǒng)正常

6.1 機(jī)組控制系統(tǒng)調(diào)試

機(jī)組控制系統(tǒng)主要與DCS、SIS和調(diào)速系統(tǒng)有關(guān)。機(jī)組控制系統(tǒng)的調(diào)試，涉及到機(jī)組的安全和穩(wěn)定。其中，控制量的校驗、聯(lián)鎖值的校驗、接線的檢查以及控制閥門的動作是否正常，都對機(jī)組控制系統(tǒng)有很大影響。調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)裂解氣壓縮機(jī)組驅(qū)動透平缸體溫差指示異常，及時處理；還發(fā)現(xiàn)個別振動聯(lián)鎖邏輯存在問題，及時予以消除；另外，乙烯壓縮機(jī)組振動測量異常，后證實測量盤安裝有問題，予以糾正。校驗過程中，發(fā)現(xiàn)多處接線松動，及時排除了隱患。

6.2 多狀態(tài)模擬，充分做好機(jī)組潤滑系統(tǒng)調(diào)試

武漢乙烯裂解氣壓縮機(jī)為國內(nèi)制造，并配套潤滑油控制系統(tǒng)，自2013年8月乙烯裝置開工以來，其發(fā)生3起潤滑油系統(tǒng)故障，主要原因是油泵自啟后，因潤滑系統(tǒng)可靠性低，未能及時將潤滑油系統(tǒng)壓力提升至聯(lián)鎖值以上，最終導(dǎo)致機(jī)組因潤滑油系統(tǒng)壓力低聯(lián)鎖停機(jī)，對機(jī)組安全平穩(wěn)運行造成影響【7】。

機(jī)組潤滑油供油系統(tǒng)如圖1所示。蒸汽管網(wǎng)波動后，致使主油泵透平進(jìn)、出口壓差增大，轉(zhuǎn)速持續(xù)上升并最終超速跳閘停車。因油路系統(tǒng)油箱回油閥開度過大(回油閥由正常開度的15%增至29%，主油泵透平停車后，因回油閥開度大，泄壓過快)導(dǎo)致潤滑油總管油壓迅速降低，輔助油泵自啟動后，先對油路系統(tǒng)的管線進(jìn)行填充，油壓上升出現(xiàn)延時，未能滿足裂解氣壓縮機(jī)潤滑油系統(tǒng)的壓力，最終導(dǎo)致裂解氣壓縮機(jī)由于潤滑油壓力低于0.1 MPa聯(lián)鎖停車。采取的應(yīng)對措施是：

1) 對潤滑油系統(tǒng)油壓低聯(lián)鎖增加2 s的延時。

2) 調(diào)整輔助油泵的自啟壓力設(shè)定，由原設(shè)計0.9 MPa改為1.0 MPa,使輔助油泵在主油泵停機(jī)后能提前啟動。

3) 在機(jī)組聯(lián)試階段，對油系統(tǒng)可能出現(xiàn)的多種異常工況進(jìn)行隱患排查，并在每次機(jī)組停工檢修后組織潤滑油系統(tǒng)可靠性熱態(tài)試驗。

圖1 機(jī)組潤滑油供油系統(tǒng)

7 認(rèn)真總結(jié)試車經(jīng)驗教訓(xùn)，改進(jìn)操作運行

機(jī)組現(xiàn)場試車和實物料開車過程中，會發(fā)生一些問題，認(rèn)真分析和總結(jié)，吸取經(jīng)驗教訓(xùn)，改進(jìn)操作運行，對機(jī)組可靠性運行十分有益。比如：

1) 乙烯制冷壓縮機(jī)組，在開車引液時，由于降溫太快，導(dǎo)致缸體泄漏。由于擔(dān)心機(jī)組在過臨界轉(zhuǎn)速時降溫太快，又未及時向段間罐補(bǔ)液，造成機(jī)組發(fā)生喘振。分析和改進(jìn)操作，就可以減少機(jī)組發(fā)生故障。

2) 乙烯制冷壓縮機(jī)組的驅(qū)動透平試車時，發(fā)現(xiàn)高壓側(cè)不能自由膨脹【8】。經(jīng)分析，是由于主蒸汽管線安裝不當(dāng)造成的，對管線支架進(jìn)行處理后，解決了問題。

3) 裂解氣壓縮機(jī)組驅(qū)動透平在單機(jī)試車時，停車過程中機(jī)組振動增大，透平轉(zhuǎn)子輕微磨損。分析認(rèn)為，是由于主進(jìn)氣閥閥頭與閥座存在間隙造成的。重新調(diào)整后，解決了此問題。

4) 在透平升速過程中，過臨界轉(zhuǎn)速時升速速率太慢，易造成透平振動過高，通過與廠家溝通，修改了升速曲線，成功解決了透平升速振動問題。

8 建立關(guān)鍵機(jī)組特護(hù)機(jī)制，抓好機(jī)組特護(hù)運行

8.1 建立關(guān)鍵機(jī)組包機(jī)制

武漢乙烯對于關(guān)鍵機(jī)組實行“機(jī)、電、儀、管、操”五位一體的特護(hù)包機(jī)制，建立特護(hù)包機(jī)體系，成立特護(hù)包機(jī)小組，編制關(guān)鍵機(jī)組的特護(hù)細(xì)則、特護(hù)巡檢記錄，明確特護(hù)活動的具體要求。要求各分部定期組織召開特護(hù)機(jī)組活動，對機(jī)組存在的問題和隱患進(jìn)行記錄、分析，制定整改計劃消除隱患。同時結(jié)合實際生產(chǎn)情況，針對每臺機(jī)組制定運行周期兩個臺階的考核方案，對達(dá)標(biāo)關(guān)鍵機(jī)組特級維護(hù)小組予以獎勵，周期越長，獎勵越高，甚至翻番。特護(hù)激勵機(jī)制激發(fā)了大機(jī)組包機(jī)人員的積極性，先后處理了裂解氣壓縮機(jī)驅(qū)動透平V2閥故障、丙烯制冷壓縮機(jī)組“四返二”調(diào)節(jié)閥故障等，確保了機(jī)組安全、平穩(wěn)、長周期運行。

8.2 建立狀態(tài)監(jiān)測機(jī)制

利用機(jī)組的在線監(jiān)測系統(tǒng)為關(guān)鍵機(jī)組提供設(shè)備啟動、運行過程的監(jiān)測技術(shù)支持。乙烯三機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備試車時，在線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的投用，可對出現(xiàn)的故障進(jìn)行捕捉，并對故障進(jìn)行頻譜分析，為故障的定性及檢查提供依據(jù)，同時將傳統(tǒng)的“監(jiān)測保護(hù)、事故診斷”轉(zhuǎn)變?yōu)椤氨O(jiān)測預(yù)知、早期診斷”，不但保證了故障的及時發(fā)現(xiàn)，還為延長設(shè)備運行周期打下了基礎(chǔ)。借助遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，邀請專家為關(guān)鍵機(jī)組進(jìn)行診斷監(jiān)測服務(wù)，及時指導(dǎo)機(jī)組的操作、開車及調(diào)整。

開展趨勢分析，對機(jī)組運行的一些特征參數(shù)如振動、溫度、壓力等進(jìn)行歷史趨勢分析，可找出機(jī)組發(fā)生故障原因，通過狀態(tài)比較，分析機(jī)組是否劣化，以便及早采取措施。

8.3 抓好備品備件的儲備

要保證關(guān)鍵機(jī)組可靠性，備品備件的儲備十分必要【8】。武漢乙烯熱電聯(lián)產(chǎn)裝置大檢修開工后不久，2號發(fā)電機(jī)組汽輪機(jī)在開工試車時出現(xiàn)故障，轉(zhuǎn)子因密封碰磨出現(xiàn)熱彎曲并造成塑性變形，因無轉(zhuǎn)子備件，最終汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子緊急返廠維修，經(jīng)過多方協(xié)調(diào)，并全過程跟蹤返修轉(zhuǎn)子，歷時9天才完成，好在出現(xiàn)故障的是發(fā)電機(jī)組透平轉(zhuǎn)子，不影響全廠開工，若是乙烯“三機(jī)”出現(xiàn)轉(zhuǎn)子故障，后果不堪設(shè)想。

儲備原則為在有條件的情況下應(yīng)儲備公司級關(guān)鍵機(jī)組備件，其余可參照如下方式進(jìn)行儲備：一是機(jī)組本身的備件，如軸承、密封等；二是輔助系統(tǒng)，油泵、水泵的配件等；三是儀表備件。同時要避免備件以備件包形式存儲，以免造成備件賬目不清、重備或缺備。

9 結(jié)語

武漢乙烯的大型關(guān)鍵機(jī)組，從設(shè)計、制造、安裝、調(diào)試、運行等方面通過優(yōu)化設(shè)計、加強(qiáng)制造質(zhì)量監(jiān)控、嚴(yán)把安裝質(zhì)量關(guān)、精心調(diào)試、特護(hù)運行已經(jīng)取得了較好效果，武漢乙烯三大機(jī)組已進(jìn)入長周期穩(wěn)定運行階段。