裂解氣壓縮機(jī)結(jié)垢原因分析

翟鳳閣, 鄭磊, 楊培君, 惠存萬(wàn), 閆鳴宇, 叢軍

（中國(guó)石油撫順石化公司 烯烴廠(chǎng)，遼寧 撫順 113000）

裂解氣壓縮機(jī)結(jié)垢原因分析

翟鳳閣, 鄭磊, 楊培君, 惠存萬(wàn), 閆鳴宇, 叢軍

（中國(guó)石油撫順石化公司 烯烴廠(chǎng)，遼寧 撫順 113000）

裂解氣壓縮機(jī)是乙烯裝置的核心設(shè)備，起著承上啟下的作用。介紹了國(guó)內(nèi)某乙烯廠(chǎng)裂解氣壓縮機(jī)段間冷卻器和缸體結(jié)垢的原因和影響因素，并通過(guò)紅外色譜分析和500 ℃通空氣焙燒的方法對(duì)垢樣進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果制定針對(duì)性的解決方案。該乙烯裝置原設(shè)計(jì)中采用注油、注水的措施來(lái)防止聚合物的生成，未對(duì)壓縮機(jī)增設(shè)加注阻垢劑系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)同行業(yè)的調(diào)研了解到加注阻垢劑效果良好，該廠(chǎng)通過(guò)討論后確定了對(duì)裂解氣壓縮機(jī)增設(shè)阻垢劑系統(tǒng)的方案，方案實(shí)施后可減少聚合反應(yīng)的發(fā)生，延長(zhǎng)壓縮機(jī)運(yùn)行周期，保證壓縮機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行。

裂解氣壓縮機(jī); 結(jié)垢; 注水; 注油; 解決方案

大型壓縮機(jī)組作為石化行業(yè)用于輸送介質(zhì)的關(guān)健設(shè)備，機(jī)組運(yùn)行安全、可靠是企業(yè)對(duì)設(shè)備運(yùn)行的基本需求。裂解氣壓縮機(jī)是乙烯裝置的核心設(shè)備，主要作用是將急冷單元的裂解氣通過(guò)多段壓縮提壓后為深冷分離提供條件，在整個(gè)乙烯裝置起到承上啟下的作用，被稱(chēng)為是乙烯裝置的“心臟”[1]。同時(shí)，裂解氣壓縮機(jī)也是乙烯裝置的能耗大戶(hù)，壓縮機(jī)組運(yùn)行是否平穩(wěn)，對(duì)乙烯裝置的能耗影響較大。

國(guó)內(nèi)某烯烴廠(chǎng)乙烯裝置為SW工藝，裂解氣壓縮機(jī)為日本三菱生產(chǎn)制造的離心式壓縮機(jī)，蒸汽透平驅(qū)動(dòng)，由高中低壓三個(gè)缸體五段串聯(lián)組成，輸送介質(zhì)為裂解氣。該機(jī)組于2012年正式運(yùn)行，設(shè)計(jì)時(shí)采用了向壓縮機(jī)缸體內(nèi)級(jí)間注油和注水的方式來(lái)防止壓縮機(jī)結(jié)垢。2017年該乙烯裝置首次經(jīng)歷了四年一次大檢修，在開(kāi)蓋檢修裂解氣壓縮機(jī)時(shí)，發(fā)現(xiàn)段間冷卻器和缸體出現(xiàn)不同程度的結(jié)垢現(xiàn)象，給檢修下線(xiàn)清理和維修帶來(lái)了較大的困難。

1 裂解氣壓縮機(jī)結(jié)垢原因分析

該機(jī)組在大檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)垢問(wèn)題后，該廠(chǎng)立即組織對(duì)壓縮機(jī)段間換熱器垢樣進(jìn)行分析，對(duì)垢樣紅外色譜分析及500 ℃的通空氣焙燒實(shí)驗(yàn)，分析結(jié)果表明 ：垢樣中的有機(jī)物主要為含有苯環(huán)的二烯烴聚合物（聚苯乙烯、苯乙烯與1,3丁二烯共聚物、苯乙烯與碳五二烯烴的共聚物），且通過(guò)12 h高溫焙燒后的產(chǎn)物呈紅棕色粉末狀，有磁性，通過(guò)鑒定為鐵腐蝕產(chǎn)物。垢樣分析結(jié)果如表1。

從垢樣分析結(jié)果反映出，該裂解氣壓縮機(jī)結(jié)垢原因主要是由于裂解氣中二烯烴的聚合和共聚所產(chǎn)生聚合物所導(dǎo)致。因?yàn)榱呀鈿獬煞直容^復(fù)雜，其中的不飽和烴在 85 ℃時(shí)會(huì)開(kāi)始發(fā)生聚合反應(yīng)，形成類(lèi)似焦油的粘稠沉淀物，粘附在壓縮機(jī)的構(gòu)件上，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的作用阻塞葉輪、隔板、機(jī)殼、流道和密封[2]。當(dāng)壓縮機(jī)葉輪、流道等部位發(fā)生阻塞后，會(huì)使壓縮機(jī)裂解氣的流通量減小，對(duì)壓縮機(jī)的做功效率造成嚴(yán)重影響。當(dāng)聚合物累積過(guò)多后，會(huì)在離心力的作用下發(fā)生脫落，此時(shí)，就會(huì)影響到轉(zhuǎn)子的平衡，造成壓縮機(jī)軸振動(dòng)值偏大，嚴(yán)重時(shí)發(fā)生高振值連鎖停車(chē)。

表1 垢樣組成表Table 1 Scale sample table

該機(jī)組連續(xù)運(yùn)行4年，在運(yùn)行中末期時(shí)，段間冷卻器出現(xiàn)冷卻能力不足的現(xiàn)象，在冷卻水溫度在正常溫度時(shí)，段間溫度最高值時(shí)在 90 ℃以上，此時(shí)已經(jīng)表現(xiàn)出結(jié)垢比較嚴(yán)重的現(xiàn)象。并且，在運(yùn)行末期，壓縮機(jī)振動(dòng)值經(jīng)常有上漲趨勢(shì)，甚至發(fā)生連鎖停車(chē)。表2為機(jī)組段間溫度運(yùn)行初末期對(duì)比。

表2 機(jī)組段間溫度運(yùn)行初末期對(duì)比表Table 2 Unit period temperature running at the beginning and terminal stages

圖1為壓縮機(jī)段間冷卻器結(jié)垢情況。

圖1 段間冷卻器結(jié)垢圖Fig.1 Cooler scaling drawing

2 裂解氣壓縮機(jī)結(jié)垢對(duì)系統(tǒng)的影響

2.1 負(fù)荷降低、排出溫度升高

由于壓縮機(jī)內(nèi)垢物的累積，造成壓縮機(jī)葉輪和流道內(nèi)的空間變小，隨著結(jié)垢的日益加重，流道的流通量會(huì)越來(lái)越少，壓縮機(jī)的操作工況發(fā)生偏離，使壓縮機(jī)的壓力不斷升高，負(fù)荷不斷減小，造成壓縮機(jī)的功率消耗增大。

當(dāng)壓縮機(jī)的流通量變小時(shí)，如果要保持原有的負(fù)荷，就要將壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)做出相應(yīng)的提高，但是轉(zhuǎn)數(shù)提高后勢(shì)必會(huì)造成壓力的上升，進(jìn)而壓縮機(jī)的排氣溫度上升，溫度的上升會(huì)加劇不飽和烯烴的聚合速度，形成惡性循環(huán)的現(xiàn)象。

2.2 壓縮機(jī)振動(dòng)值波動(dòng)

隨著壓縮機(jī)內(nèi)聚合物的不斷累積，當(dāng)累積到一定程度時(shí)，一旦裂解氣壓縮機(jī)的吸入流量由于裝置負(fù)荷發(fā)生變化、原料異常波動(dòng)等原因發(fā)生波動(dòng)時(shí)，流道內(nèi)的氣流會(huì)對(duì)黏附在葉輪等部位的聚合物造成沖擊脫落，此時(shí)轉(zhuǎn)子會(huì)由于垢物的脫落失去平衡，導(dǎo)致壓縮機(jī)的軸振動(dòng)值增大，甚至引起高振值連鎖停車(chē)，嚴(yán)重影響著乙烯裝置的長(zhǎng)周期安全平穩(wěn)運(yùn)行。

3 常規(guī)防結(jié)垢措施

3.1 注油

減緩壓縮機(jī)結(jié)垢最常用的技術(shù)是向壓縮機(jī)內(nèi)注入洗油，早在上世紀(jì)80年代時(shí)建設(shè)的乙烯裝置大部分采用注油的方式來(lái)控制壓縮機(jī)結(jié)垢。該機(jī)組采用注入加氫碳九作為洗油來(lái)防止結(jié)垢。洗油注入后，會(huì)在裂解氣流道上形成一層油膜，使聚合物不會(huì)黏附在流道表面或減輕黏附的作用。即使有聚合物生成，也能被洗油溶解而清除。因此注入洗油是防止段間冷卻器結(jié)垢的重要手段。洗油采取間斷性注入方式，注入量為裂解氣量的2%～3%左右[3]。

注入洗油的缺點(diǎn)是大量的碳九組分進(jìn)入壓縮機(jī)循環(huán)，不僅造成壓縮機(jī)功耗增大，而且也造成碳九的大量浪費(fèi)。碳九的注入雖然能在葉輪、隔板等部位形成油膜，防止聚合物黏附，但是無(wú)法降低壓縮機(jī)段間的溫度[4]。

3.2 注水

壓縮機(jī)的級(jí)間注水主要是利用水汽化潛熱的原理來(lái)降低裂解氣的排出溫度，防止不飽和烴的聚合，同時(shí)也可以降低壓縮機(jī)的功率。該機(jī)組注入的水來(lái)至鍋爐給水，水質(zhì)符合要求。注水位置在每級(jí)葉輪的入口彎道上。注入的水通過(guò)噴嘴迅速汽化后隨裂解氣進(jìn)入葉輪，進(jìn)而會(huì)降低進(jìn)入下一級(jí)葉輪的裂解氣溫度，達(dá)到降低裂解氣段間溫度的目的。

雖然該乙烯裝置裂解氣壓縮機(jī)采用了注油和注水的方法來(lái)降低結(jié)垢的措施，但未能有效減少聚合物的生成。通過(guò)本次大檢修發(fā)現(xiàn)了嚴(yán)重的結(jié)垢問(wèn)題，裝置技術(shù)人員與同類(lèi)裝置的調(diào)研了解，大部分裝置采用了壓縮機(jī)段間注入阻垢劑的方法來(lái)進(jìn)一步防止聚合物生成，并且取得了很好的效果。

4 確定防結(jié)垢方案

目前國(guó)內(nèi)乙烯行業(yè)裂解氣壓縮機(jī)大多新增段間注入阻垢劑的方式來(lái)防止壓縮機(jī)結(jié)垢。該阻垢劑有兩個(gè)作用，一是能夠穩(wěn)定裂解氣中自由基，在壓縮機(jī)過(guò)程中遇見(jiàn)裂解時(shí)產(chǎn)生的自由基后，該組分會(huì)與自由基結(jié)合生成穩(wěn)定的分子，終止聚合反應(yīng)。二是起到分散清洗的作用，當(dāng)裂解氣壓縮機(jī)內(nèi)部有聚合物生成時(shí)，該組分會(huì)將聚合物進(jìn)行分散后隨裂解氣帶走，避免了聚合在壓縮機(jī)內(nèi)累計(jì)，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定操作。

大慶乙烯采用的新型EC3144A型阻垢劑，應(yīng)用于350 kt/a的乙烯裝置。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)踐證明，該阻垢劑的成本低、運(yùn)行效果好，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

盤(pán)錦乙烯在 1995年就對(duì)壓縮機(jī)加注阻垢劑的技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用，注入阻垢劑型號(hào)為EC-3144，通過(guò)向洗油中注入阻垢劑帶入系統(tǒng)，加注后兩年效果得到驗(yàn)證，壓縮機(jī)的結(jié)垢情況大大減少，并且垢質(zhì)松散易于清理。壓縮機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定，周期可延長(zhǎng)1年以上，達(dá)到了預(yù)期效果[5]。

該烯烴廠(chǎng)乙烯裝置裂解氣壓縮機(jī)在設(shè)計(jì)中采用了注油和注水的方式來(lái)防止壓縮機(jī)結(jié)垢，同時(shí)在沖洗水冷卻器換熱器（E-1342）工藝側(cè)出口管線(xiàn)上設(shè)計(jì)了注劑預(yù)留口。本次大檢修發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)發(fā)生結(jié)垢后，該廠(chǎng)通過(guò)與同行業(yè)了解和設(shè)計(jì)院溝通后，確定利用原設(shè)計(jì)的預(yù)留口對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行加注阻垢劑解決方案。由于該乙烯裝置的注洗油系統(tǒng)采用每周注入兩次的方式進(jìn)行注入，無(wú)法滿(mǎn)足阻垢劑連續(xù)注入。但注水采用連續(xù)注入的方式，故采用解決方案為增設(shè)一套阻垢劑注入系統(tǒng)，包括阻聚劑罐、兩臺(tái)阻聚劑泵及輔助設(shè)施，阻聚劑泵出口管線(xiàn)與裂解氣壓縮機(jī)沖洗水冷卻器換熱器出口管線(xiàn)的注劑預(yù)留口處進(jìn)行連接實(shí)現(xiàn)連續(xù)注入。

阻垢劑和水混合后通過(guò)霧化噴嘴汽化后順著裂解氣的氣流進(jìn)入葉輪，注入的水經(jīng)過(guò)噴嘴幾乎全部汽化，分布效果良好，可將阻垢劑均勻分布于裂解氣中，將裂解氣中的不穩(wěn)定的自由基轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的分子，從而減少聚合反應(yīng)的發(fā)生。同時(shí)該阻垢劑也有分散的作用，可將已經(jīng)產(chǎn)生的垢進(jìn)行分散，避免大量垢物在缸體及換熱器中累積，對(duì)壓縮的穩(wěn)定運(yùn)行造成影響。

本次開(kāi)工后，該車(chē)間對(duì)注水量進(jìn)行了適當(dāng)?shù)脑龃笳{(diào)整，降低壓縮機(jī)段間排出溫度至 80 ℃左右，段間溫度降低后也可減少聚合反應(yīng)的發(fā)生。

通過(guò)段間注水量的調(diào)整和加入阻垢劑的方案實(shí)施后，可減輕壓縮機(jī)的聚合問(wèn)題，延長(zhǎng)了運(yùn)行周期，保證了機(jī)組的平穩(wěn)運(yùn)行。

圖2為增加壓縮機(jī)注入阻垢劑流程示意圖。

圖2 示意圖Fig.2 Sketch map

5 結(jié)束語(yǔ)

該烯烴廠(chǎng)乙烯裝置連續(xù)運(yùn)行四年，在大檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)裂解氣壓縮機(jī)結(jié)垢較嚴(yán)重。機(jī)組原設(shè)計(jì)中采用注油、注水措施防止壓縮機(jī)結(jié)垢，通過(guò)本次檢修表現(xiàn)出注油、注水防結(jié)垢效果欠佳。發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后該廠(chǎng)積極與同行業(yè)交流，了解壓縮機(jī)運(yùn)行情況，并針對(duì)壓縮機(jī)結(jié)垢特點(diǎn)采取相應(yīng)措施。最終該廠(chǎng)確定了增加注入阻垢劑系統(tǒng)方案，該方案實(shí)施后，可大大減少聚合反應(yīng)的發(fā)生，延長(zhǎng)壓縮機(jī)運(yùn)行周期，保證機(jī)組平穩(wěn)運(yùn)行。

［1］王松漢, 等. 乙烯裝置技術(shù)[M]. 北京：中石化出版社，1994:168-191.

［2］馬鵬飛, 等. 裂解氣壓縮機(jī)結(jié)焦分析及改造［J］. 化工機(jī)械，2009，36 (2): 151-153.

［3］李吉輝. 抑制裂解氣壓縮機(jī)結(jié)焦的技術(shù)措施[J]. 化學(xué)工業(yè)與工程技術(shù)，2010, 31 (4)：46-48.

［4］張平林, 等. 注洗油改為注水對(duì)裂解氣壓縮機(jī)組的影響[J]. 乙烯工業(yè)，2015,17(2)：47-50.

［5］趙宇寰, 等. 裂解氣壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子防結(jié)垢措施[J]. 乙烯工業(yè)，1999，11 (3)：43-46.

Reason Analysis of Cracking Gas Compressor Scaling

ZHAI Feng-ge, ZHENG Lei, YANG Pei-jun, HUI Cun-wan, YAN Ming-yu, CONG Jun
（PetroChina Fushun Petrochemical Company Olefin Plant, Liaoning Fushun 113109, China）

Pyrolysis gas compressor is the key equipment of ethylene unit. In this paper, reasons and affecting factors of interstage cooler and cylinder scaling of pyrolysis gas compressor were introduced, and the scale sample was analyzed by chromatographic analysis and air calcination at 500 ℃, then the solution was put forward based on the analysis result. The original design of the plant uses the methods of oiling and water injection to prevent from generating polymer, without the design of adding scale inhibitor into compressor. The well result of adding scale inhibitor is known through the investigation. The method of adding scale inhibitor will reduce the possibility of polyreaction, prolong the compressor’s running cycle, make sure compressor running stably.

Pyrolysis gas compressor; Scaling; Water injection;Oil injection; Modification scheme

TQ 052

A

1671-0460（2017）11-2363-03

2017-07-11

翟鳳閣（1965-），男，遼寧省撫順市人，高級(jí)程師，1989年畢業(yè)于沈陽(yáng)化工學(xué)院，研究方向：高分子化工。E-mail：zhaifengge@petrochina.com.cn。

鄭磊（1985-），男，遼寧省撫順市人，中級(jí)職稱(chēng)，2010年畢業(yè)于北京化工大學(xué)，研究方向：化學(xué)工程與工藝。E-mail：zhenlyxyx@petrochina.com.cn。