丙烯制冷系統(tǒng)改造及優(yōu)化操作

李 杰

（中國(guó)神華集團(tuán) 煤制油化工有限公司 包頭煤化工分公司，內(nèi)蒙古 包頭 014100）

中國(guó)神華集團(tuán)煤制油化工有限公司包頭煤化工分公司（簡(jiǎn)稱(chēng)包頭煤化工分公司），是世界首套、全球最大、國(guó)家級(jí)煤制烯烴示范工廠，具有年產(chǎn)180萬(wàn)t煤制甲醇轉(zhuǎn)60萬(wàn)t烯烴的生產(chǎn)規(guī)模。甲醇裝置的丙烯制冷單元（雙系列）由中國(guó)五環(huán)化學(xué)工程公司設(shè)計(jì)，丙烯制冷壓縮機(jī)組選用日本日立壓縮機(jī)3MCH808，透平部分選用杭州汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的NK25/29/25型號(hào)汽輪機(jī)，控制系統(tǒng)選擇北京康吉森自動(dòng)化設(shè)備技術(shù)有限責(zé)任公司提供的TS3000系統(tǒng)，干氣密封系統(tǒng)由約翰克蘭公司制造。丙烯制冷單元為低溫甲醇洗單元提供冷量，并帶走甲醇吸收放出的熱量。本文主要討論丙烯制冷系統(tǒng)改造及優(yōu)化操作。

1 丙烯制冷原理及工藝流程

丙烯制冷是利用丙烯液體汽化時(shí)的吸熱效應(yīng)實(shí)現(xiàn)制冷。將液體丙烯置于密閉容器中,液體和蒸氣會(huì)在某一壓力和溫度下達(dá)到平衡,此時(shí)的氣體稱(chēng)為飽和蒸氣,它的壓力稱(chēng)為該溫度下的飽和壓力,飽和壓力隨溫度的升高而升高。如果將一部分飽和蒸氣從容器中抽出,就會(huì)有液體再汽化為蒸氣來(lái)維持平衡,液體汽化需要吸收熱量,此熱量稱(chēng)為汽化潛熱,而汽化潛熱則來(lái)自被冷卻對(duì)象,它使被冷卻對(duì)象維持在低于環(huán)境溫度的某一溫度。為使上述過(guò)程持續(xù)進(jìn)行,必須不斷地從容器中抽出蒸氣,再不斷地將液體補(bǔ)充進(jìn)去，使容器內(nèi)壓力和溫度保持不變。丙烯制冷系統(tǒng)利用壓縮機(jī)把蒸氣抽出壓縮,然后將其冷卻凝結(jié)成液體返回到容器中,完成一個(gè)制冷循環(huán)。

丙烯在激冷器內(nèi)與甲醇發(fā)生熱量交換，吸收低溫甲醇洗中甲醇的熱量，產(chǎn)生的低壓蒸汽（-40℃,40kPa（G））被壓縮機(jī)吸入，經(jīng)壓縮后以高壓排出，壓縮過(guò)程需要消耗能量。壓縮機(jī)排出的高溫高壓（93℃，1.6MPa（G））氣態(tài)丙烯在冷凝器（142E101）被循環(huán)水冷卻，凝結(jié)成高壓液體。高壓液體流經(jīng)節(jié)流閥142LV105節(jié)流，變成低壓、低溫濕蒸氣0.51MPa(G)進(jìn)入丙烯閃蒸槽(142V103)，閃蒸出的丙烯氣在三段入口分離器(142V105)中分離夾帶的丙烯液后，進(jìn)入壓縮機(jī)三段入口。從丙烯閃蒸槽(142V103)底部出來(lái)的液體丙烯(1.2℃，0.51MPa(G))分成兩股，一股直接進(jìn)入丙烯過(guò)冷器(142E102)的管程，被另一股流經(jīng)節(jié)流閥142LV108減壓至0.15MPa(G)進(jìn)入丙烯過(guò)冷器(142E102)殼程的丙烯冷卻至-20℃后，送至低溫甲醇洗單元使用。從丙烯過(guò)冷器(142E102)殼程出來(lái)的氣體丙烯(-25℃，0.15MPa(G))經(jīng)二段入口分離器(142V104)分離夾帶的液體丙烯后，進(jìn)入壓縮機(jī)二段入口。兩系列制冷裝置共用一個(gè)丙烯貯槽(142V102)，同時(shí)兩個(gè)制冷系列共同使用一個(gè)煮油器(142V106)，用來(lái)去除系統(tǒng)中的雜質(zhì)。

2 對(duì)丙烯制冷系原設(shè)計(jì)的改造

（1）日立公司原始設(shè)計(jì)時(shí)并沒(méi)有壓縮機(jī)二三段入口分離器142V104/204、142105/205和二三段入口噴淋丙烯，這些是后來(lái)工藝人員設(shè)計(jì)審查時(shí)提出添加的。在開(kāi)車(chē)時(shí)，機(jī)組在 600、2200、3900r·min-1暖機(jī)時(shí)，一二三段的防喘閥處于全開(kāi)狀態(tài)，如果沒(méi)有噴淋丙烯，機(jī)組低速暖機(jī)時(shí)二三段的入口溫度都很高，出口溫度更高，對(duì)機(jī)組的安全性有很大的影響。在正常運(yùn)行時(shí)，會(huì)因?yàn)?42V103、142E102操作幅度過(guò)大、低溫甲醇洗加減負(fù)荷過(guò)快、液位控制過(guò)高或液位計(jì)失真等原因，及可能使氣相丙烯帶液，造成壓縮機(jī)液擊，破壞葉輪，影響正常生產(chǎn)。142V104/204、142105/205起到氣液分離器的作用，將液態(tài)丙烯分離，防止液體進(jìn)入壓縮機(jī)，保護(hù)機(jī)組，使其安全穩(wěn)定運(yùn)行。原始設(shè)計(jì)及改造后工藝流程見(jiàn)圖1、2圖。

圖1 原始設(shè)計(jì)圖Fig.1 The original design

圖2 改造后圖Fig.2 The graph transfor mation

（2）原設(shè)計(jì)汽輪機(jī)主蒸汽是來(lái)自變換廢熱鍋爐142E104/142E204產(chǎn)4.1MPa(G)，溫度為390℃的并入管網(wǎng)后的蒸汽，主蒸汽溫度壓力受變換開(kāi)停車(chē)，加減負(fù)荷影響波動(dòng)大，變換開(kāi)車(chē)142E104/142E204廢熱鍋爐蒸汽并網(wǎng)時(shí)溫度最低達(dá)到330℃，壓力3.5MPa(G)，影響機(jī)組的安全，有時(shí)甚至造成機(jī)組停車(chē)，嚴(yán)重影響裝置正常生產(chǎn)。2011年8月大修時(shí)對(duì)4.1MPa(G)蒸汽管線(xiàn)進(jìn)行改造，另從變換廢熱鍋爐所產(chǎn)蒸汽并網(wǎng)前一段主蒸汽管線(xiàn)引入熱電所產(chǎn)蒸汽，從而保證了4.1MPa(G)，溫度為390℃的蒸汽的穩(wěn)定，避免了受變換開(kāi)停車(chē)加減負(fù)荷等原因所引起的蒸汽溫度壓力波動(dòng)，防止蒸汽帶水，造成汽輪機(jī)水擊，損壞機(jī)組，影響正常生產(chǎn)。

3 出現(xiàn)的問(wèn)題

（1）142V101壓縮機(jī)入口分離器的主要作用：①將來(lái)自低甲的丙烯氣液分離，防止壓縮機(jī)帶液，損壞葉輪；②用來(lái)自過(guò)冷器142E102中的丙烯將來(lái)自壓縮機(jī)出口通過(guò)一段防喘振閥返回壓縮機(jī)入口的93℃，1.6MPa(G)丙烯氣體降溫到-36℃，進(jìn)入壓縮機(jī)一段入口，防止壓縮機(jī)喘振。但實(shí)際運(yùn)行的過(guò)程中當(dāng)液位控制超過(guò)10%時(shí)（設(shè)計(jì)值為30%～60%)會(huì)出現(xiàn)一段入口流量計(jì)讀數(shù)變?yōu)榱悖?、二、三段防喘振閥全開(kāi)，后發(fā)現(xiàn)流量計(jì)引壓管能排出液體丙烯，由于氣相帶微量液體丙烯使得流量計(jì)為零，壓縮機(jī)不能正常工作。還有時(shí)142V101液位計(jì)失真液位滿(mǎn)量程100%，液位達(dá)到87.5%液位高高壓縮機(jī)聯(lián)鎖跳車(chē)，但實(shí)際液位不足20%。

（2）包頭煤化工分公司壓縮機(jī)干氣密封氣若高低壓段一級(jí)泄露氣排放線(xiàn)上的3個(gè)壓力傳感器中的兩個(gè)超過(guò)高高聯(lián)鎖跳車(chē)值時(shí)，機(jī)組將聯(lián)鎖跳車(chē)。一級(jí)泄漏氣壓力在全廠開(kāi)車(chē)的過(guò)程中高達(dá)250kPa(設(shè)計(jì)值為195kPa)。原因是在全廠開(kāi)車(chē)的過(guò)程中公用火炬管網(wǎng)的壓力高，并非壓縮機(jī)干氣密封系統(tǒng)故障。

（3）在壓縮機(jī)試車(chē)時(shí)，在開(kāi)車(chē)過(guò)程中壓縮機(jī)出口壓力達(dá)到1.79MPa，(壓縮機(jī)出口最高設(shè)計(jì)壓力為1.73MPa)，但壓力控制142PV104放空閥全開(kāi)，但壓力依然高于設(shè)計(jì)最高值1.73MPa，后發(fā)現(xiàn)142E101冷凝器積液包丙烯液溫度測(cè)點(diǎn)溫度高達(dá)60℃，但是積液包并沒(méi)有液位，打開(kāi)142E101循環(huán)水回水導(dǎo)淋閥發(fā)現(xiàn)水中夾帶丙烯。Ⅱ系列出現(xiàn)同樣的問(wèn)題。高壓查漏并堵死已漏列管。

（4）試車(chē)時(shí)期在壓縮機(jī)開(kāi)車(chē)過(guò)程中，機(jī)組在600、2200、3900r·min-1暖機(jī)時(shí)，一二三段的防喘閥處于全開(kāi)狀態(tài)，由于壓縮機(jī)出口氣相沒(méi)有經(jīng)過(guò)冷卻器直接返回二三段的進(jìn)口使溫度高達(dá)80℃左右，二、三段進(jìn)口需要開(kāi)噴淋丙烯降溫，使系統(tǒng)循環(huán)量增加，導(dǎo)致系統(tǒng)超壓而被迫放空，有時(shí)甚至出現(xiàn)轉(zhuǎn)速下降等現(xiàn)象，給開(kāi)車(chē)造成很大的操作困難，并造成丙烯消耗量增加，同時(shí)也增大功耗。

4 優(yōu)化操作方案

（1）針對(duì)142V101液位計(jì)失真，使142V101液位控制過(guò)高，造成一段入口流量計(jì)失真的問(wèn)題。處理措施：不以142V101液位計(jì)讀數(shù)為準(zhǔn)，在不影響機(jī)組正常運(yùn)行的情況下，通過(guò)監(jiān)控一段入口壓力和溫度調(diào)整142LV101閥門(mén)的開(kāi)度，使142V101不建立液位或液位很低，使一段進(jìn)口的溫度高于進(jìn)口飽和壓力所對(duì)應(yīng)的溫度8～10℃，使一段進(jìn)口氣相丙烯具有一定的過(guò)熱度，從而避免一段氣相丙烯帶液，沒(méi)有再出現(xiàn)上述問(wèn)題，并且機(jī)組防喘振控制系統(tǒng)具有一定的安全裕度，取得良好效果。為防止142V101遠(yuǎn)傳液位計(jì)失真引起機(jī)組跳車(chē)，把142V101液位達(dá)到87.5%時(shí)液位高高壓縮機(jī)聯(lián)鎖跳車(chē)摘除，由142V101液位開(kāi)關(guān)控制，防止機(jī)組誤聯(lián)鎖跳車(chē)，保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

（2）火炬管網(wǎng)壓力高主要是火炬管網(wǎng)液封罐液位控制過(guò)高所致?；鹁嫦到y(tǒng)是公用的，說(shuō)不定哪個(gè)裝置帶液或什么原因引起憋壓，我們采取的措施是將火炬管網(wǎng)液封罐中液位嚴(yán)格控制。另外一級(jí)泄漏氣流量很小，大約5m3·h-1，為防止機(jī)組因外管網(wǎng)壓力波動(dòng)跳車(chē)，在大修時(shí)，將泄漏氣另配1寸管道引至戶(hù)外高點(diǎn)放空，起到雙重保險(xiǎn)的作用，既能使機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行，又能保護(hù)機(jī)組的安全。

（3）丙烯壓縮機(jī)出口壓力超過(guò)設(shè)定值1.73MPa，是由于142E101/142E201丙烯冷凝器泄漏，丙烯氣不能冷凝所致。142E101/142E201為列管式換熱器，采取的措施是停車(chē)高壓清洗冷凝器列管，高壓查漏并堵死已漏列管。采取上述措施后，丙烯制冷單元基本能正常運(yùn)行，但是在炎熱的七八月份的白天，由于冷凝器換熱面積減少，換熱效果下降，壓縮機(jī)出口壓力仍然略高于1.73MPa（壓縮機(jī)出口最高設(shè)計(jì)壓力為1.73MPa，當(dāng)壓力超過(guò)1.73MPa時(shí)，壓力控制放空閥142PV204會(huì)自動(dòng)打開(kāi)），壓力調(diào)節(jié)閥142PV204有一定的開(kāi)度，大約3%～8%，大大增加了丙烯的消耗。提高壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，把壓縮機(jī)一段進(jìn)口壓力由原設(shè)計(jì)的40kPa（G）改為30kPa（G），40 kPa（G）對(duì)應(yīng)的溫度為 -40℃，30 kPa（G）對(duì)應(yīng)的溫度為-42℃這樣即增大了系統(tǒng)的制冷能力。一段防喘閥也由原來(lái)的52%～58%關(guān)到42%～50%，大大減少了系統(tǒng)丙烯的循環(huán)量，由原來(lái)的83～87t·h-1降為71～75t·h-1，使出口壓力低于 1.73MPa，壓力調(diào)節(jié)閥142PV204關(guān)為0，降低了丙烯的消耗，蒸汽消耗也降低 2～5t·h-1。

（4）隨經(jīng)驗(yàn)的豐富，改變開(kāi)車(chē)方法，原來(lái)是當(dāng)汽輪機(jī)暖機(jī)結(jié)束，可以用調(diào)速器調(diào)整時(shí)，收二三段的防喘振閥，后改為只要一二三段有裕度便慢慢收防喘振閥，汽輪機(jī)在3900r·min-1暖機(jī)時(shí)慢慢收二三段的防喘振閥，一般在3900r·min-1暖機(jī)結(jié)束時(shí)，三段防喘閥關(guān)為0，二段關(guān)到40%～80%，大大減少?lài)娏鼙┝?，使系統(tǒng)循環(huán)量減少，出口壓力不高于1.73MPa，壓力控制放空閥142PV204開(kāi)度僅為5%～10%，為放掉開(kāi)車(chē)過(guò)程中的不凝氣，改進(jìn)后不但操作方便而且還可以減少系統(tǒng)壓力高對(duì)冷凝器142E201的沖擊，保護(hù)設(shè)備，降低丙烯消耗，也縮短了開(kāi)車(chē)時(shí)間。

5 成效

丙烯制冷系統(tǒng)從2010年6月運(yùn)行至今，經(jīng)過(guò)上述技術(shù)改進(jìn)和優(yōu)化操作，實(shí)現(xiàn)了安全穩(wěn)定長(zhǎng)期運(yùn)行，丙烯制冷裝置丙烯消耗和蒸汽消耗降低，大大降低了生產(chǎn)成本，真正實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗。汽輪機(jī)耗蒸汽從優(yōu)化操作前（2010.6～2011.8）的 27t·h-1降到優(yōu)化操作后（2011.8～2012.6）的 22t·h-1；丙烯平均月耗從優(yōu)化前的24t減少到現(xiàn)在的1t；開(kāi)車(chē)時(shí)間也從4h縮短至2h，為公司節(jié)約了生產(chǎn)成本，也為以后的安全穩(wěn)定運(yùn)行奠定良好基礎(chǔ)，達(dá)到了系統(tǒng)改造及操作優(yōu)化的目的。