裂解氣離心壓縮機(jī)能效診斷方法

(機(jī)械工業(yè)儀器儀表綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所 網(wǎng)絡(luò)控制研究中心， 北京 100055)

符號說明

η——壓縮機(jī)效率，%

P內(nèi)——壓縮機(jī)裂解氣內(nèi)功率，kW

P內(nèi)i——壓縮機(jī)各壓縮段的裂解氣內(nèi)功率(i=1～5)，kW

Ps——壓縮機(jī)軸功率，kW

P——壓縮機(jī)輸出功率，kW

Pi——壓縮機(jī)各壓縮段輸出功率，kW

ηpo——壓縮機(jī)內(nèi)效率，%

ηpoi——壓縮機(jī)各壓縮段內(nèi)效率(i=1～5)，%

Y——壓縮機(jī)各壓縮段包含的壓縮級數(shù)

qm——裂解氣的工況質(zhì)量流量，kg/s

m——多變壓縮指數(shù)

mi——各壓縮段的多變壓縮指數(shù)(i=1～5)

Z1——進(jìn)氣條件下壓縮系數(shù)

Z2——排氣條件下壓縮系數(shù)

T1——進(jìn)氣溫度，K

T2——排氣溫度，K

ε——單級壓縮比

ε總——單個(gè)壓縮段的總壓縮比

ε總i——各壓縮段的總壓縮比(i=1～5)

p1——進(jìn)氣壓力，MPa

p2——排氣壓力，MPa

κ——絕熱指數(shù)

κi——各壓縮段的絕熱指數(shù)(i=1～5)

κ入——入口絕熱指數(shù)

κ出——出口絕熱指數(shù)

離心壓縮機(jī)是常見的氣體壓縮設(shè)備之一。受設(shè)計(jì)、制造、安裝、操作等過程因素影響，離心壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)常因喘振、轉(zhuǎn)子不平衡、轉(zhuǎn)子重心改變、聯(lián)軸器不平衡、軸承座松動(dòng)、壓縮機(jī)的基礎(chǔ)松動(dòng)或轉(zhuǎn)子彎曲等引起異常振動(dòng)故障，需要進(jìn)行檢修才能恢復(fù)正常使用，影響了裝置的長周期安全運(yùn)行[1-2]。

基于能效的設(shè)備診斷方法，根據(jù)振動(dòng)會(huì)造成壓縮機(jī)能量損失，對壓縮機(jī)振動(dòng)與壓縮機(jī)的能效進(jìn)行關(guān)聯(lián)，通過監(jiān)控壓縮機(jī)運(yùn)行過程中的能效，達(dá)到提前發(fā)現(xiàn)異常，找到對應(yīng)的故障和改進(jìn)點(diǎn)，然后進(jìn)行故障排除的目的，可有效提高企業(yè)的生產(chǎn)率并降低能源消耗[3-4]。

應(yīng)用基于能效的設(shè)備診斷方法，對撫順石化乙烯裝置裂解氣壓縮機(jī)進(jìn)行能效診斷計(jì)算。選取裂解氣離心壓縮機(jī)的效率作為能效診斷評價(jià)指標(biāo)[5-6]，通過逐一計(jì)算裂解氣離心壓縮機(jī)各個(gè)壓縮段的效率，獲取了整個(gè)裂解氣壓縮機(jī)的效率。將計(jì)算得到的整機(jī)效率確定為啟動(dòng)壓縮機(jī)檢修的效率判斷依據(jù)， 保證了裂解氣壓縮機(jī)長時(shí)間運(yùn)行的同時(shí)，最大限度減少了檢修工作。

1 乙烯裂解壓縮機(jī)能效診斷評價(jià)指標(biāo)

裂解氣離心壓縮機(jī)的效率按照式(1) 計(jì)算。

(1)

其中

(2)

(3)

(4)

(5)

ε=ε總1/Y

(6)

(7)

(8)

2 裂解氣離心壓縮機(jī)能效診斷模型

裂解氣離心壓縮機(jī)能效診斷模型見圖1[7-10]。裂解氣離心壓縮機(jī)輸入低壓裂解氣，輸出高壓裂解氣。通過壓縮做功過程， 壓縮機(jī)輸入的透平軸功率大部分轉(zhuǎn)化為裂解氣的內(nèi)功率，同時(shí)伴有葉輪蓋處裂解氣泄漏和葉輪內(nèi)外壁面與氣體摩擦產(chǎn)生的能量損失。

圖 1 裂解氣離心壓縮機(jī)能效診斷模型

3 裂解氣離心壓縮機(jī)能效診斷計(jì)算[11-13]

3.1 乙烯裂解裝置概況

中國石油天然氣股份有限公司撫順石化分公司(簡稱撫順石化)乙烯裝置采用美國S&W公司專利技術(shù)設(shè)計(jì)，由80萬t/a乙烯裂解和40萬t/a裂解汽油加氫2個(gè)部分組成[14]。乙烯裂解部分由原料預(yù)熱、裂解、急冷、壓縮、冷分離、熱分離、制冷、廢堿氧化、汽油加氫和公用工程等工藝單元組成[15]。乙烯裂解部分主要設(shè)備裂解爐為USC型管式裂解爐，急冷油塔、急冷水塔及堿洗塔采用S&W公司的波紋塔盤。低壓裂解氣采用離心壓縮機(jī)，分五段逐級完成壓縮升壓[16]。

3.2 計(jì)算輸入條件

撫順石化的乙烯裂解裝置裂解氣壓縮共有5個(gè)壓縮段，每一壓縮段的壓縮級數(shù)均為1，各個(gè)壓縮段裂解氣的質(zhì)量流量、入口和出口溫度、入口和出口壓力、入口和出口絕熱指數(shù)、進(jìn)氣口和出氣口壓縮系數(shù)等計(jì)算輸入?yún)?shù)見表1。

表1 乙烯裂解氣壓縮機(jī)能效診斷計(jì)算輸入?yún)?shù)

3.3 能效分段計(jì)算

3.3.1一段壓縮

一段絕熱指數(shù)K1=(1.215+1.196)/2=1.206，一段總壓縮比ε總1= 0.354/0.225=1.573，一段內(nèi)效率ηpo1=lg(0.354/0.225)/lg(359.7/313.2)/[1.206/(1.206-1)]=56.1%，一段多變壓縮指數(shù)m1=1/[1- lg(359.7/313.2)/ lg(0.354/0.225)]=1.439，一段壓縮機(jī)輸出功率N1=9.807×10-3×89.78×1.439/(1.439-1) ×29.8×(0.995+0.993)/2×313.2×[1.573(1.439-1)/1.439-1]=3 962.88 (kW)，一段內(nèi)功率N內(nèi)1=3 962.88/0.561=7 063.96 (kW)。

3.3.2二段壓縮

二段絕熱指數(shù)K2=(1.223+1.204)/2=1.214,二段總壓縮比ε總2= 0.571/0.33=1.730,二段內(nèi)效率ηpo2=lg(0.571/0.330)/lg(357.9/310.1)/[1.214/(1.214-1)]=67.6%，二段多變壓縮指數(shù)m2=1/[1- lg(357.9/310.1)/ lg(0.571/0.330)]=1.353，二段壓縮機(jī)輸出功率N2=9.807×10-3×86.92×1.353/(1.353-1) ×29.8×(0.991+0.989)/2×310.1×[1.730(1.353-1)/1.353-1]=4 578.38(kW)，二段內(nèi)功率N內(nèi)2=4 578.38/0.676=6 772.75(kW)。

3.3.3三段壓縮

三段絕熱指數(shù)K3=(1.232+1.215)/2=1.224，三段總壓縮比ε總3= 1.005/0.543=1.851，三段內(nèi)效率ηpo3=lg(1.005/0.543)/lg(359.2/310.7)/[1.224/(1.224-1)]=77.6%，三段多變壓縮指數(shù)m3=1/[1- lg(359.2/310.7)/ lg(1.005/0.543)]=1.309，三段壓縮機(jī)輸出功率N3=9.807×10-3×83.72×1.309/(1.309-1) ×29.8×(0.984+0.980)/2×310.7×[1.851(1.309-1)/1.309-1]=4 933.04(kW)，三段內(nèi)功率N內(nèi)3= 4 933.04/0.776=6 357.01(kW)。

3.3.4四段壓縮

四段絕熱指數(shù)K4= (1.250+1.236)/2=1.243，四段總壓縮比ε總4= 1.880/0.971=1.936，四段內(nèi)效率ηpo4=lg(1.880/0.971)/lg(359.9/310.8)/[1.243/(1.243-1)]=87.7%，四段多變壓縮指數(shù)m4=1/[1- lg(359.9/310.8)/ lg(1.880/0.971)]=1.287，四段壓縮機(jī)輸出功率N4=9.807×10-3×80.40×1.287/(1.287-1) ×29.8×(0.970+0.963)/2×310.8×[1.936(1.287-1)/1.287-1]=5 032.16(kW)，四段內(nèi)功率N內(nèi)4=5 032.16/0.877=5 737.92(kW)。

3.3.5五段壓縮

五段絕熱指數(shù)K5= (1.329+1.314)/2=1.322，五段總壓縮比ε總5= 4.071/1.630=2.497，五段內(nèi)效率ηpo5=lg(4.071/1.630)/lg(351.1/280.5)/[1.322/(1.322-1)]=98.9%，五段多變壓縮指數(shù)m5=1/[1- lg(351.1/280.5)/ lg(4.071/1.630)]=1.322，五段壓縮機(jī)輸出功率N5=9.807×10-3×77.05×1.322/(1.322-1) ×29.8×(0.937+0.93)/2×280.5×[2.497(1.322-1)/1.322-1]=5 979.82(kW)，五段內(nèi)功率N內(nèi)5= 5 979.82/0.989=6 045.19(kW)。

3.4 整機(jī)功率計(jì)算及能效診斷

對計(jì)算出的一段～五段的分段壓縮內(nèi)功率求和，得到裂解氣離心壓縮機(jī)的整機(jī)內(nèi)功率Ni=7 063.96+6 772.75+6 357.01+5 737.92+6 045.19=31 976.83(kW)。已知K-1300裂解氣離心壓縮機(jī)的軸功率設(shè)計(jì)值Ns為4 0171 kW，則壓縮機(jī)的整機(jī)能效η=31 976.83/40 171=79.6%。根據(jù)計(jì)算的裂解氣離心壓縮機(jī)整機(jī)能效可以判斷，當(dāng)裂解氣離心壓縮機(jī)的效率低于79.6%時(shí)，需要檢查尋找具體原因。

4 結(jié)語

為了保證裂解氣壓縮機(jī)長時(shí)間運(yùn)行，最大限度減少檢修工作，采用能效診斷的方法監(jiān)控裂解氣壓縮機(jī)的工作狀況。選取裂解氣離心壓縮機(jī)的效率作為能效診斷評價(jià)指標(biāo)，通過計(jì)算獲得了撫順石化乙烯裝置裂解氣離心壓縮機(jī)的正常效率值，為排除不必要檢修提供了依據(jù)，為提高企業(yè)生產(chǎn)率和降低能源消耗提供了途徑。