閃蒸氣壓縮機級間改造技術(shù)應用實踐

喻友均 陶 建 宋天佐 胡豫吉 王吉福

中國石油塔里木油田公司, 新疆 庫爾勒 841000

0 前言

某聯(lián)合站閃蒸氣壓縮機是裝置中回收低壓閃蒸氣的重要設備。自2015年投產(chǎn)以來,由于閃蒸氣分離效果不理想,閃蒸氣攜帶大量固液雜質(zhì)及重烴組分等進入壓縮機,造成氣閥故障、活塞桿和填料磨損而頻繁停機[1-4]。2018年對壓縮機級間工藝流程進行改造,并將原工藝上的重力、旋流分離器改造成高效旋流過濾分離器[5-6]。經(jīng)過一年多的運行,效果較好,節(jié)約了大量的人力和成本,提高了設備的本質(zhì)安全。

1 設備工藝流程

某聯(lián)合站現(xiàn)有2臺閃蒸氣壓縮機,每臺設計處理氣量17×104～24×104m3/d,額定功率1 250 kW,機組設計為往復式4缸4列。主要用于將凝析油處理系統(tǒng)中不同壓力的閃蒸氣，通過閃蒸氣壓縮機三級增壓后輸送至脫硫裝置進一步凈化處理。

閃蒸氣壓縮機組工藝流程見圖1,重力分離器(運行壓力0.30 MPa、運行溫度40 ℃)氣相經(jīng)閃蒸氣壓縮機一級增壓及空冷器冷卻至運行壓力0.80 MPa、運行溫度35 ℃后,與中壓旋流分離器(運行壓力0.80 MPa、運行溫度40 ℃)氣相和高壓旋流分離(運行壓力0.80 MPa、運行溫度40 ℃)氣相一起經(jīng)閃蒸氣壓縮機二級增壓及空冷器冷卻至2.1 MPa、35 ℃,再經(jīng)閃蒸氣壓縮機三級增壓、空冷器冷卻至7.1 MPa、35 ℃后輸送至脫硫裝置。其中高壓旋流分離氣相初始流程是作為壓縮機的三級插入氣,但是裝置投產(chǎn)運行后,緩沖罐的實際運行壓力(1.50 MPa)低于設計壓力(3.3 MPa),從而造成高壓旋流分離氣相出口壓力低于壓縮機三級入口壓力(2.1 MPa),高壓旋流分離氣相無法進入三級壓縮缸,后經(jīng)過工藝流程優(yōu)化,將分離后的高壓閃蒸氣由去三級壓縮缸流程改為去二級壓縮缸。

重力分離器是利用密度差來分離氣提塔來的氣相所攜帶的固液雜質(zhì)及重烴組分,確保進入閃蒸氣壓縮機一級入口氣相的清潔。

中、高壓旋流分離器是在離心力的作用下分離出三相分離器、緩沖罐來的氣相所攜帶的固液雜質(zhì)及重烴組分,確保插入閃蒸氣壓縮機二級入口氣相的清潔。

圖1 閃蒸氣壓縮機組工藝流程示意圖Fig.1 Schematic diagram of process flow of the flash gas compressor unit

2 壓縮機故障分析

2.1 故障描述

自2015年投產(chǎn)開始,閃蒸氣壓縮機故障停機頻次明顯增加,壓縮機頻繁故障停機原因大多是壓縮機配件如自動排液閥、氣閥、壓縮缸等異常磨損和損壞,原因統(tǒng)計分類見圖2。

圖2 閃蒸氣壓縮機故障停機原因統(tǒng)計分類圖Fig.2 Statistical classification of cause of fault shutdown of the flash gas compressor

通過拆檢壓縮機發(fā)現(xiàn),壓縮缸進排氣閥彈簧、緩沖片等組件損壞嚴重,氣閥內(nèi)存在少量固體雜質(zhì),氣閥平均使用壽命僅720 h[1];二、三級壓縮缸內(nèi)油膜稀薄,潤滑油流動性過大,流掛嚴重,潤滑性能差,二、三級壓縮缸被嚴重磨損,其中三級壓縮缸尤為嚴重,一級壓縮缸未受異常磨損,潤滑正常;中體填料內(nèi)存在細砂狀固體雜質(zhì),堵塞填料環(huán);活塞桿與填料接觸部位呈現(xiàn)軸向均勻磨損、徑向存在拉劃痕跡,平均使用壽命2 000 h[2-3]。經(jīng)對比,閃蒸氣壓縮機各配件壽命遠小于合理使用壽命或同類設備同類配件使用壽命。

2.2 原因分析

檢查發(fā)現(xiàn),閃蒸氣壓縮機各級入口氣液分離器排液頻繁,二、三級壓縮缸入口氣液分離器每25 s排液一次,說明閃蒸氣或者經(jīng)過增壓、冷卻的級間閃蒸氣(簡稱級間氣)含有大量的液態(tài)組分[7]。

通過對二、三級級間氣取樣化驗分析組分,一級壓縮機進氣中C3及以上組分為18.06%,C4及以上組分為12%,見表1。經(jīng)過增壓降溫,壓力0.80 MPa,溫度35 ℃[3],部分較重烴類組分液化。由于壓縮機二級入口氣液分離器處理能力有限,部分液態(tài)烴類被閃蒸氣攜帶進入壓縮缸,造成液擊而導致氣閥損壞。進入壓縮缸的液態(tài)組分主要是液態(tài)烴,與缸內(nèi)潤滑油相容,潤滑油的潤滑性能下降,導致壓縮缸、活塞桿被磨損。同時,填料內(nèi)存在微量固體雜質(zhì)(閃蒸氣還攜帶一定固體雜質(zhì)),固體雜質(zhì)進入填料內(nèi)沉積,導致填料的補償密封性能下降,也對活塞桿具有一定磨損作用。

表1 閃蒸氣壓縮機二、三級級間氣組分化驗數(shù)據(jù)表

Tab.1 Analysis data of gas components between second and third stage of the flash gas compressor

組分三級入口組分含量(摩爾分數(shù))/(%)二級入口組分含量(摩爾分數(shù))/(%)CH467.820 071.060 0C2H614.120 06.341 0C3H82.797 06.333 0iC4H101.735 02.377 0nC4H103.085 04.760 0iC5H120.973 11.649 0nC5H120.957 91.610 0C6H140.654 91.030 0C7H160.184 80.265 5C8-200.026 00.042 6N20.599 22.464 0O20.130 70.097 7CO26.380 01.642 0H2S0.541 50.326 2相對密度0.847 10.875 5

同樣,對三級進氣取樣化驗分析,C3H8及以上組分為9.46%,閃蒸氣經(jīng)過二級增壓冷卻,壓力升至2.1 MPa,溫度降至35 ℃,更輕的烴類組分發(fā)生液化并進入壓縮缸,導致壓縮機零部件的一系列磨損。

綜上分析,閃蒸氣壓縮機故障頻發(fā)的主要原因是閃蒸氣壓縮機工藝介質(zhì)復雜,經(jīng)過一、二級增壓冷卻后閃蒸氣中有大量烴類組分液化并含有部分固體雜質(zhì)。

3 解決方案

3.1 提高分離器分離能力

重力分離器未能有效分離固液雜質(zhì)，旋流分離器處理精度低不適用于處理含有固液雜質(zhì)的閃蒸氣。若使用過濾分離器則需要頻繁更換濾料,實際生產(chǎn)過程中運行維護困難。

若采用“先分離+后過濾”的分離方法[8-12],先用旋流分離元件分離出大部分固液雜質(zhì)后,再進入過濾分離元件分離液沫及細小的固體雜質(zhì),提高對閃蒸氣的分離效果,同時延長濾料更換周期[13-15]。兩種優(yōu)勢互補的方式,總分離效率好、過濾精度高,適合現(xiàn)場條件。

因此某聯(lián)合站閃蒸氣壓縮機進行了改造，將原重力分離器、中壓旋流分離器、高壓旋流分離器分別更換為具備“高效旋風分離+中空纖維過濾”功能的低、中、高壓旋流過濾分離器,各設計參數(shù)保持不變,提高旋流分離和過濾效果(總除雜質(zhì)效率可大于99.9%),減少閃蒸氣中雜質(zhì)含量。過濾元件采用多層結(jié)構(gòu)形式(即設置成多個過濾箱體),每個箱體內(nèi)部填裝具有強吸附能力的特制中空纖維作為濾料,由下至上按密度(或空隙率)逐步從疏松到致密,這種結(jié)構(gòu)使粒度較大的固體及液滴等雜質(zhì)在下層較粗的濾料得到截留,而粒度較小的固體及液滴等雜質(zhì)在上層較密的濾料得到捕集,即雜質(zhì)在多層濾料中呈立體分布;同時由于特制纖維的“中空”結(jié)構(gòu),纖維還具備對液體“吸附”效應及“聚結(jié)”作用,可大幅提高對液相雜質(zhì)的捕集能力。

3.2 壓縮機級間工藝流程改造

由于二、三級壓縮缸入口氣液分離器處理能力小,已達極限,為提高對二、三級級間氣的分離效果,將經(jīng)過一級壓縮并降溫的級間氣進入二級壓縮缸流程改為進入新增中壓旋流過濾分離器,與插入氣一同經(jīng)過中壓旋流過濾分離器分離后,再進入二級壓縮缸壓縮,原流程加球閥、盲板隔斷;將經(jīng)過二級壓縮并降溫的級間氣進入三級壓縮缸流程改為進入新增高壓旋流過濾分離器,經(jīng)過分離過濾后,再進入三級壓縮缸壓縮,原流程加球閥、盲板隔斷;新增一條高壓旋流過濾分離器出口至壓縮機三級增壓入口流程。利用處理量更大、分離能力更強的分離器有效分離液態(tài)烴類組分及固態(tài)雜質(zhì)[16-20],減輕壓縮機入口氣液分離器的處理負荷,保證進入壓縮機的閃蒸氣氣質(zhì)更加清潔,設備工藝流程改造見圖3。

圖3 閃蒸氣壓縮機設備工藝流程改造圖Fig.3 Technological process modification diagram of the flash gas compressor

4 改造效果評價

4.1 工藝設備改造效果評價

自2018年9月工藝設備改造至今(2019年11月),2臺閃蒸氣壓縮機機組異常故障停機僅發(fā)生2次,設備故障率下降95%,改造效果良好。

1)閃蒸氣壓縮機運行穩(wěn)定,二、三級壓縮缸入口氣液分離器排液頻次由25 s 1次延長到15 min 1次,說明中、高壓旋流過濾分離器能夠有效過濾二、三級級間氣中的固體雜質(zhì)和烴組分。

2)壓縮機改造完平穩(wěn)運行至4 000 h,拆檢壓縮機發(fā)現(xiàn):氣閥表面清潔,二、三級氣閥組件完好,氣閥無液擊損壞現(xiàn)象;中體填料中未發(fā)現(xiàn)固體雜質(zhì),潤滑油分布均勻,填料無磨損,膨脹收縮功能良好,累計運行4 000 h未更換。氣閥、填料等配件使用壽命明顯增加。

3)壓縮機歷次例行拆檢發(fā)現(xiàn),壓縮缸內(nèi)潤滑油分布均勻,無流掛現(xiàn)象,壓縮缸內(nèi)徑測量數(shù)值相較于改造前未增大,磨損現(xiàn)象得到有效遏制，見表2。

表2 壓縮缸磨損情況對比表

Tab.2 Comparison of compression cylinder wear

壓縮機改造前缸徑改造后缸徑水平/mm垂直/mm水平/mm垂直/mm三級一缸210.10210.15210.12210.15二級三缸311.02311.68311.18311.69

4)中體填料和活塞桿得到有效潤滑,活塞桿與填料未發(fā)生互磨現(xiàn)象。

4.2 經(jīng)濟效益評價

閃蒸氣壓縮機級間改造總費用458萬元。改造后,設備運行時率增加,每年可減少放空天然氣量240×104m3;同時可減少壓縮缸、活塞桿等零部件消耗113套,節(jié)約設備維修成本281萬元,共計產(chǎn)生經(jīng)濟效益531萬元/a。

5 結(jié)論

1)閃蒸氣壓縮機故障頻發(fā)主要原因是閃蒸氣中還有大量液化烴和固體雜質(zhì),導致壓縮機配件磨損異常嚴重,配件使用壽命短。

2)“先分離+后過濾”的分離方法,結(jié)合了旋流分離器和過濾分離器的優(yōu)勢,使分離器對閃蒸氣分離能力大大增強且延長了濾料更換周期。

3)閃蒸氣壓縮機二、三級增壓入口再增加一級氣液分離,有效降低了壓縮機入口氣液分離器的處理負荷,閃蒸氣氣質(zhì)更加清潔,同時也降低了壓縮機配件的磨損速率。