煉油廠高壓加氫裝置循環(huán)氫壓縮機(jī)組的選型及控制分析

趙 鈺

(中石化洛陽工程有限公司)

循環(huán)氫壓縮機(jī)作為高壓加氫裝置的核心設(shè)備，其進(jìn)出口壓力由工藝所選定的反應(yīng)壓力和在操作周期中可預(yù)見的壓力降來決定。它的作用是將脫除H2S后的循環(huán)氫進(jìn)行升壓，升壓后的循環(huán)氫分為兩部分，一部分與由氫壓縮機(jī)來的新氫混合后循環(huán)回反應(yīng)部分；另一部分作為急冷氫去控制反應(yīng)器入口溫度(運(yùn)轉(zhuǎn)末期需要排放部分廢氫)。循環(huán)氫壓縮機(jī)一旦故障，常會引起反應(yīng)系統(tǒng)飛溫，裝置緊急停車，出現(xiàn)重大生產(chǎn)事故，因此，一定要選擇可靠、穩(wěn)定的機(jī)型作為循環(huán)氫壓縮機(jī)?；诖?，筆者對循環(huán)氫壓縮機(jī)組的工程選型及控制方法等要點(diǎn)進(jìn)行了分析。

1 壓縮機(jī)型式的選擇

目前，除了沸騰床渣油加氫裝置因循環(huán)氫壓比較大(2.3左右)而采用往復(fù)壓縮機(jī)升壓外，高壓加氫(固定床渣油加氫、加氫裂化)裝置中，在壓縮機(jī)入口狀態(tài)流量Vs>900m3/h時(shí)[1]，通常選用離心式筒形(雙殼體)壓縮機(jī)，通過變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)以適應(yīng)多工況的操作要求。典型的高壓加氫裝置循環(huán)氫壓縮機(jī)的選型情況如下：

最終用戶裝置名稱 中石化長嶺分公司1.7Mt/a渣油加氫處理裝置

壓縮機(jī)型號 BCL409

入口壓力(G) 15.0MPa

出口壓力(G) 18.5MPa

入口狀態(tài)流量 1 876m3/h

入口溫度 58℃

分子量 5.19

額定功率 2 381kW

從以上數(shù)據(jù)可以看出，循環(huán)氫壓縮機(jī)采用國產(chǎn)BCL系列壓縮機(jī)，根據(jù)入口狀態(tài)流量的不同，主要以BCL400、BCL450系列的機(jī)型為主，目前，該系列機(jī)型在各大煉油廠的加氫精制、加氫裂化和連續(xù)重整裝置中應(yīng)用廣泛。沈鼓部分葉輪模型級的流量范圍見表1。

表1 沈鼓部分葉輪模型級的流量范圍

2 確定效率保證工況點(diǎn)

操作工況點(diǎn)較多是循環(huán)氫壓縮機(jī)工藝操作的特點(diǎn)之一，包括開工初期的反應(yīng)系統(tǒng)干燥、氣密(介質(zhì)為氮?dú)夂蜌錃?、催化劑的硫化和正常操作中的不同階段(指隨著反應(yīng)的深入，反應(yīng)器床層積垢造成壓力降加大)，循環(huán)氫壓縮機(jī)均應(yīng)能適應(yīng)工況要求，并平穩(wěn)、可靠地連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，因此壓縮機(jī)的選型要兼顧所有工況。

某渣油加氫裝置循環(huán)氫壓縮機(jī)的操作參數(shù)見表2。

表2 某渣油加氫裝置循環(huán)氫壓縮機(jī)操作參數(shù)

在選取壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)工況時(shí)，首先其性能應(yīng)滿足最苛刻工況，即額定工況(壓差最大、流量最大)要求，其次應(yīng)使其設(shè)計(jì)的高效區(qū)靠近經(jīng)常操作的正常初期工況點(diǎn)，以節(jié)省能耗。但由于離心壓縮機(jī)能量頭對分子量的變化比較敏感，實(shí)際操作中，分子量變小，壓縮機(jī)需要提供的能量頭增加，因此在轉(zhuǎn)速不變的前提下，壓縮機(jī)的操作工況點(diǎn)會向小流量區(qū)移動(dòng)，靠近防喘振線，這就要求壓縮機(jī)在根據(jù)額定工況初步確定選型后，需復(fù)核在開工初期可能出現(xiàn)的小分子量情況，在已確定的最大連續(xù)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，盡可能包住所有的運(yùn)行工況點(diǎn)，以滿足工藝操作的要求。

開工硫化工況就是一個(gè)典型的例子，該工況在高壓加氫裝置開工初期必不可少，它的作用是通過硫化劑的注入與硫化油混合后激活催化劑，循環(huán)氫主要為99%的純氫，分子量約2.3左右，這時(shí)就要復(fù)核在滿足反應(yīng)系統(tǒng)氫氣循環(huán)壓差的前提下，壓縮機(jī)通過提高轉(zhuǎn)速(不能超過最大連續(xù)轉(zhuǎn)速)能達(dá)到的最大流量，如果循環(huán)壓差較大，且該工況轉(zhuǎn)速與額定工況轉(zhuǎn)速相差較大，也可將該轉(zhuǎn)速定義為最大連續(xù)轉(zhuǎn)速，需要注意的是，該工況一般出現(xiàn)在開工初期，只有2～3d左右，不能作為壓縮機(jī)選型和高效區(qū)選取的依據(jù)。

3 壓縮機(jī)關(guān)鍵選型參數(shù)的確定

循環(huán)氫壓縮機(jī)屬于入口高壓、小壓比(壓比一般在1.24左右)、處理氣體的分子量較小的多級離心壓縮機(jī)，在壓縮機(jī)選型中葉輪材料、葉輪直徑、葉輪頂尖轉(zhuǎn)速和葉輪級數(shù)是壓縮機(jī)的主要參數(shù)，同時(shí)它們也相互關(guān)聯(lián)、相互影響。每個(gè)工況下，壓縮氣體所需的多變能量頭Hp為：

(1)

式中Hp——多變能量頭，J/kg；

K——等熵指數(shù)；

M——?dú)怏w分子量；

p1——入口壓力(A)，MPa；

p2——出口壓力(A)，MPa；

T1——入口溫度，K；

ηp——多變效率。

不同轉(zhuǎn)數(shù)下，離心式葉輪對氣體提供的理論多變能量頭可根據(jù)轉(zhuǎn)速計(jì)算：

(2)

(3)

式中D——葉輪直徑，m；

Hp′——葉輪提供的理論多變能量頭，J/kg；

n——轉(zhuǎn)速，r/min；

u2——葉輪圓周速度，m/s；

φpol——多變能量頭系數(shù)，一般取0.4～0.5。

壓縮機(jī)選型工作就是要使各個(gè)工況下的Hp=Hp′，從而滿足工藝操作的要求。從式(2)、(3)可以看出，葉輪圓周速度u2的增大對Hp′的影響較為顯著，呈平方關(guān)系，所以加大葉輪直徑或提高壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速都能增加Hp′，但u2的提高是受到限制的，較高的u2意味著葉輪在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)會產(chǎn)生較大的應(yīng)力，容易在應(yīng)力集中區(qū)產(chǎn)生氫腐蝕開裂和H2S應(yīng)力腐蝕。工程選型時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制葉輪可能產(chǎn)生的最大應(yīng)力值，并使葉輪任意方向的應(yīng)力在壓縮機(jī)100%轉(zhuǎn)速下不超過該葉輪材料最低屈服強(qiáng)度的60%。離心式循環(huán)氫壓縮機(jī)采用的是閉式銑制焊接葉輪，對于閉式葉輪來說，旋轉(zhuǎn)時(shí)其應(yīng)力最大的區(qū)域位于前盤內(nèi)徑處。

同時(shí)，避免H2S應(yīng)力腐蝕、減小材料應(yīng)力水平最直接的方法就是降低材料的屈服強(qiáng)度和硬度，在葉輪材料選取時(shí)，首先應(yīng)按照API617規(guī)定的(處理含氫氣的介質(zhì)，氫氣分壓大于0.689MPa

或氫含量大于90%)葉輪材料的屈服限不應(yīng)大于827MPa、硬度應(yīng)小于RC34的要求選擇，其次，由于循環(huán)氫中常含有H2S(特別是開工初期的硫化工況H2S含量可達(dá)2%wt)，需按照NACE MR0175的規(guī)定(介質(zhì)氣中H2S的分壓應(yīng)大于0.36kPa)選擇滿足該標(biāo)準(zhǔn)要求的相關(guān)材料，如果采用的材料不滿足NACE MR0175的要求，那么應(yīng)限制其最大屈服限為620MPa、硬度不超過RC22，并且焊接部位應(yīng)做焊后熱處理以保證焊縫和熱影響區(qū)滿足以上要求。通常沈鼓對于富氫場合選擇的葉輪材料是FV520B(- S)沉淀硬化不銹鋼，該材料等同17- 4PH，對應(yīng)的國內(nèi)牌號是0Cr17Ni4Cu4Nb。該材料符合NACE MR0175的相關(guān)規(guī)定，其屈服強(qiáng)度不大于827MPa。

最近幾套高壓加氫裝置循環(huán)氫壓縮機(jī)葉輪的選型參數(shù)見表3，可以看出，對于加氫裝置的循環(huán)氫壓縮機(jī)，由于介質(zhì)氣中含有H2S氣體，且當(dāng)其濃度超過NACE標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的安全區(qū)時(shí)，100%轉(zhuǎn)速下葉輪圓周速度一般不超過250m/s；對于不含H2S氣體的機(jī)組(如重整裝置的循環(huán)氫壓縮機(jī)和增壓機(jī))，其葉輪圓周速度一般不超過300m/s。工程選型和評定制造廠報(bào)價(jià)時(shí)，如果葉輪圓周速度超過以上限制值，就應(yīng)考慮用在葉輪直徑不變的情況下增加葉輪級數(shù)或在轉(zhuǎn)速不變的情況下減小葉輪直徑的方法來降低葉輪圓周速度。另外，通過對比國外主要壓縮機(jī)制造商的選型數(shù)據(jù)，加氫裝置離心壓縮機(jī)的單級葉輪能量頭一般不超過30kJ/kg，當(dāng)計(jì)算出壓縮氣體所需的能量頭后，級數(shù)即可初步確定，可用于復(fù)核制造廠報(bào)價(jià)。

表3 幾套高壓加氫裝置循環(huán)氫壓縮機(jī)的葉輪選型參數(shù)

4 壓縮機(jī)性能曲線的復(fù)核

壓縮機(jī)的性能曲線應(yīng)包括所有操作工況，每個(gè)操作工況應(yīng)提供在不同轉(zhuǎn)速下的性能曲線。某廠渣油加氫循環(huán)氫壓縮機(jī)性能曲線如圖1所示。

圖1 某廠渣油加氫循環(huán)氫壓縮機(jī)性能曲線

其中，A點(diǎn)為正常末期工況操作點(diǎn)；B點(diǎn)為正常初期工況操作點(diǎn)；C點(diǎn)為額定工況操作點(diǎn)；同時(shí)，按照API617對離心壓縮機(jī)幾個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速的定義，Q1曲線為100%轉(zhuǎn)速曲線；Q2為最大連續(xù)轉(zhuǎn)速曲線；Q3為機(jī)械跳閘轉(zhuǎn)速曲線；Q4為一階臨界轉(zhuǎn)速曲線。

對于圖1，在正常工況下的性能曲線應(yīng)檢查從100%轉(zhuǎn)速曲線上的額定流量點(diǎn)(D點(diǎn))到飛動(dòng)點(diǎn)(E點(diǎn))的流量范圍(稱為穩(wěn)定性)和從額定點(diǎn)(C點(diǎn))到額定點(diǎn)等壓力線與飛動(dòng)線交點(diǎn)(F點(diǎn))的距離(稱為調(diào)節(jié)范圍)。需要復(fù)核在105%轉(zhuǎn)速(最大連續(xù)轉(zhuǎn)速)和跳閘轉(zhuǎn)速下葉輪的周速、應(yīng)力水平和應(yīng)具備的安全系數(shù)是否足夠。

對所有操作工況下性能曲線的復(fù)核應(yīng)注意的問題有：

a. 每一個(gè)操作點(diǎn)與相對應(yīng)喘振點(diǎn)應(yīng)有足夠的安全距離避免出現(xiàn)喘振，一般地，初期、末期、額定工況操作點(diǎn)最好位于對應(yīng)性能曲線的中間稍靠后位置；

b. 操作轉(zhuǎn)速與臨界轉(zhuǎn)速的隔離裕度應(yīng)充足避免出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)；

c. 蒸汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，氮?dú)夤r的操作轉(zhuǎn)速是否在調(diào)速器的控制范圍內(nèi)。

5 驅(qū)動(dòng)機(jī)的選擇

工藝操作的特點(diǎn)決定了壓縮機(jī)需要從裝置運(yùn)行的初期至末期適應(yīng)循環(huán)氫分子量的變化、反應(yīng)器壓降的變化及循環(huán)氫流量的變化等因素，因此，通常需要變轉(zhuǎn)速操作。驅(qū)動(dòng)機(jī)通常選用蒸汽輪機(jī)或變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的異步電動(dòng)機(jī)。配置形式如下：

蒸汽輪機(jī) 背壓式汽輪機(jī)+壓縮機(jī)、凝汽式汽輪機(jī)+壓縮機(jī)(用于蒸汽、冷卻水富裕的場合)

異步電機(jī) 變頻調(diào)節(jié)異步電機(jī)+齒輪箱+壓縮機(jī)、異步電機(jī)+齒輪箱+液力耦合器+壓縮機(jī)(用于蒸汽、冷卻水缺乏，電能富裕的場合)

在煉油廠內(nèi)，由于蒸汽具有穩(wěn)定、可靠性高的特點(diǎn)，因此，在蒸汽條件具備的現(xiàn)場，蒸汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)得到廣泛應(yīng)用，成為驅(qū)動(dòng)機(jī)的首選。

5.1蒸汽輪機(jī)的選擇

蒸汽輪機(jī)按出口壓力可分為背壓式和凝汽式兩種，按獲得能量的方式可分為沖動(dòng)式和反動(dòng)式兩種。對于沖動(dòng)式蒸汽輪機(jī)，蒸汽在噴嘴或靜葉中完全膨脹，動(dòng)葉中不再有壓降；而反動(dòng)式蒸汽輪機(jī)，蒸汽在靜葉和動(dòng)葉中都有壓降。不管是哪一類，蒸汽總是通過壓力和速度的降低，把壓力能和動(dòng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，從而實(shí)現(xiàn)蒸汽和轉(zhuǎn)子之間的能量傳遞。背壓式透平一般位于全廠蒸汽平衡系統(tǒng)的前段或中段，排出的低壓(或中壓)蒸汽進(jìn)入相應(yīng)的管網(wǎng)；而凝汽式透平一般位于全廠蒸汽平衡系統(tǒng)的末段，排出的蒸汽凝結(jié)成水后，泵送回鍋爐循環(huán)。

相同進(jìn)汽條件和負(fù)載情況的兩種汽輪機(jī)特點(diǎn)比較見表4。

表4 兩種汽輪機(jī)的特點(diǎn)比較

通常，蒸汽輪機(jī)采用背壓式還是凝汽式取決于煉油廠全廠蒸汽平衡的結(jié)果，但對于壓縮機(jī)機(jī)型和功率較大的場合，配置凝汽式透平驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)對壓縮機(jī)的選型是有利的。對于工程設(shè)計(jì)選型來說，蒸汽輪機(jī)選用的原則是在最小能量條件(即最低進(jìn)氣壓力、溫度，最高排氣條件)下，所選汽輪機(jī)能提供被驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)需要的額定軸功率。

5.2蒸汽耗量的計(jì)算

蒸汽耗量為：

QST=α×W

式中QST——蒸汽耗量，kg/h；

W——壓縮機(jī)額定工況軸功率，kW；

α——汽耗率，kg/(kW·h)。

α的選取可參考表5。

表5 α的取值

當(dāng)選用凝汽式汽輪機(jī)并用空冷器(ACC)冷卻時(shí)，選型中應(yīng)注意的問題有[2]：

a. 正常全負(fù)荷時(shí)乏氣的正常工作真空度高于20kPa(A)。環(huán)境大氣設(shè)計(jì)溫度的范圍一般是60～110℉(15. 5～43. 3℃)。但ACC 的設(shè)計(jì)溫度至少不能低于同裝置工藝空冷的設(shè)計(jì)溫度，最高環(huán)境溫度可以確定某種規(guī)格的ACC 在全負(fù)荷工況下透平的允許最低真空度；最低環(huán)境溫度主要用于確定防凍溫度和措施。對于ACC無論是雙排管還是單排管，其迎風(fēng)面積都是非常重要的參數(shù)，同時(shí)，ACC的蒸汽總管和支管中還應(yīng)有可靠的不凝氣排出手段以保證換熱效果和排氣真空度。

b. 支撐冷凝器管束的鋼結(jié)構(gòu)在充分考慮風(fēng)載、雪載及地震等因素影響的同時(shí)可采用共同底座結(jié)構(gòu)，這樣便于安裝和集中布置。

c. ACC的布置應(yīng)考慮到裝置內(nèi)其他空冷和熱源的影響，夏天主要考慮換熱性能問題，冬天主要考慮防凍問題。

d. 為便于節(jié)能，ACC多采用自扇冷變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)的風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)葉片頂尖轉(zhuǎn)速應(yīng)盡量低，葉片盡量多，葉片寬度盡量寬。

e. ACC系統(tǒng)的控制一般在透平出口法蘭處測量壓力，并通過壓力的變化來調(diào)整，通過管束的冷卻風(fēng)量來實(shí)現(xiàn)，冷卻風(fēng)量可以靠改變電機(jī)轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)。

f. 熱井與凝結(jié)水泵的相對安裝高度應(yīng)滿足凝結(jié)水泵最小汽蝕余量的要求，通常為5m。

g. ACC還應(yīng)考慮冬季開車的防凍問題，根據(jù)需要設(shè)置暖機(jī)旁路，制造廠應(yīng)提供防凍最小蒸汽流量，最小蒸汽流量與環(huán)境溫度的關(guān)系如圖2所示。

圖2 最小蒸汽流量與環(huán)境溫度的關(guān)系

6 壓縮機(jī)的負(fù)荷調(diào)節(jié)和防喘振控制

6.1循環(huán)氫壓縮機(jī)負(fù)荷調(diào)節(jié)

在控制過程中，工藝過程要求壓縮機(jī)出口壓力穩(wěn)定，而流量可以在不使機(jī)組發(fā)生喘振的情況下適當(dāng)調(diào)節(jié)，一般采用變更轉(zhuǎn)速的方法來改動(dòng)壓縮機(jī)負(fù)荷。在不同的性能曲線下，以壓縮機(jī)出口壓力控制離心機(jī)的轉(zhuǎn)速做等壓力調(diào)節(jié)(出口壓力不變，改變流量)，此方法調(diào)節(jié)范圍大，不會引起額外損失，經(jīng)濟(jì)性好。

6.2壓縮機(jī)防喘振控制

喘振對離心壓縮機(jī)的危害很大，也是生產(chǎn)操作中必須避免的。根據(jù)離心式壓縮機(jī)喘振現(xiàn)象產(chǎn)生的機(jī)理，可以得出：引起離心式壓縮機(jī)喘振的根本原因就是排氣背壓增高、氣體分子量變小和循環(huán)壓降增大導(dǎo)致的壓縮機(jī)流量過小，這使得壓縮機(jī)能頭(排壓)不足以克服管網(wǎng)壓降，從而導(dǎo)致喘振。防止壓縮機(jī)喘振有兩種控制方法：

a. 固定極限流量防喘振控制[3]。只要保證壓縮機(jī)入口流量始終大于某一極限值，就能保證壓縮機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。其中固定流量極限值為大于任何轉(zhuǎn)速下的喘振點(diǎn)流量，一旦入口流量小于極限值，則喘振返回調(diào)節(jié)閥自動(dòng)打開，一部分出口返回入口，以保證入口流量大于固定流量的極限值，從而防止喘振發(fā)生。固定極限流量防喘振控制方法簡單、可靠性高，但壓縮機(jī)在低轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)能耗較大。

b. 可變極限流量防喘振控制(隨動(dòng)防喘振流量控制)[3]。變速運(yùn)行的離心壓縮機(jī)宜采用隨動(dòng)防喘振流量控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)將隨壓縮機(jī)的不同工況自動(dòng)改變防喘振流量調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，從而克服了固定極限流量防喘振控制能耗較大的缺點(diǎn)。如圖1所示，在壓縮機(jī)喘振線右側(cè)畫一條與其平行的直線即為防喘振流量控制給定線，兩個(gè)直線間距x為7%～10% 流量值。通常此種方法應(yīng)用較多。

7 結(jié)束語

循環(huán)氫壓縮機(jī)組作為高壓加氫裝置的核心動(dòng)設(shè)備，選型工作中機(jī)型的確定、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速與驅(qū)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的匹配、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速與葉輪級數(shù)的合理選取，對于加氫裝置平穩(wěn)操作意義重大，另外，選型時(shí)還應(yīng)充分考慮在壓縮機(jī)效率變化不大的前提下，為裝置操作幾個(gè)周期后可能的擴(kuò)能改造在轉(zhuǎn)速可調(diào)空間上留有余量。筆者對高壓加氫裝置中循環(huán)氫壓縮機(jī)及其驅(qū)動(dòng)機(jī)在工程選型、工程設(shè)計(jì)、操作控制中需要著重考慮的問題進(jìn)行了分析，列舉了一些工程實(shí)例。結(jié)合以上分析和討論，希望能對循環(huán)氫壓縮機(jī)的工程選型提供一定的幫助。

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