丙烯腈裝置空壓機優(yōu)化運行參數實現節(jié)能降耗

郝天真

（中國石油大慶石化公司化工二廠，黑龍江大慶163714）

某石化公司的丙烯腈裝置離心式空氣壓縮機C-101 于1987 年由日本整機引進，用背壓式蒸汽透平驅動?？諌簷CC-101出口流量55 700 kg/h，出口壓力0.23 MPa，溫度189.5 ℃，軸功率2 585 kW，轉速7 900 r/min，該機組已運行超30 a。

1 空壓機的工況

空壓機C-101主要向反應器提供工藝空氣，用來滿足反應需要，空壓機參數參數的調整必須與工藝系統聯系起來。2003 年丙烯腈裝置擴能改造，由 50 kt 擴到 80 kt，同時新增加了1 臺空壓機C-101A。C-101A 由電機驅動，增加了裝置能耗。經計算使用C-101A 將使每t 成品丙烯腈增加成本50元，全年成本增加400多萬元。裝置開始嘗試提高空壓機C-101 負荷，同時調整流量和壓力，以達單臺C-101能夠滿足生產需要，C-101A做為備用。

2 空壓機參數調整

對于離心式空壓機C-101，壓縮機消耗的有效功主要用于提高壓縮機出口的空氣流量和壓力，總功率保持一定的情況下，降低其出口壓力可提高出口流量。理論上壓縮機的功率可以完全消耗在流量方面，即壓縮機出口壓力等于入口壓力。采用降低壓縮機出口壓力、提高空壓機C-101出口流量的調整方法，保證壓縮機的出口流量滿足生產需要，但同時要保證壓縮機的出口壓力不低于反應所需的最小壓力。

2.1 空壓機出口壓力的調整

降低壓縮機出口壓力的關鍵在于確定壓縮機出口壓力P小值。改壓力主要用于3個方面：

（1）維持反應器的反應壓力P1。

該壓力由壓力表可以直接讀出，P1＝56 kPa，如果低于該壓力則反應不能進行。

（2）用于反應器催化劑流化時的壓力消耗P2。

根據反應器工藝設計：反應器空氣分布板處壓降為反應器床層流動總壓降的46%，用壓力表測出空氣分布板的壓降為26 kPa，可以推算出，反應器催化劑流動時的壓力消耗為P2＝56.5 kPa。

（3）用于氣體流動過程中的壓力損失P3。

空氣從壓縮機的出口輸送到反應器的沿程壓降損失可以用壓力表測得，P3＝15 kPa。

根據以上計算，空壓機出口最小壓力P值為：

P=P1+P2+P3=56+56.5+15＝127.5 kPa

出口壓力可以從0.23 MPa降到0.13 MPa，節(jié)省功率用于提高壓縮機出口流量。

2.2 空壓機出口流量的調整

反應器80 kt/a 的生產負荷，需要把空壓機出口流量由55 700 kg/h 提高到67 000～68 000 kg/h。該過程是否能夠達到，首先需要從理論角度進行計算分析，找到空壓機C-101的最大流量值。

（1）空壓機出入口壓力比為1 MPa 時的流量。該工況是空壓機出口壓力為0.099 8 MPa，壓縮機有用功都用來提高出口流量，根據性能曲線該種情況出口流量為80 000 kg/h，但其出口壓力不能低于0.127 5 MPa，所以這種情況不成立。

（2）空氣通過機組內的最小面積的流道（喉部）處的流速達到音速時的流量空氣通過機組內的最小面積的流道（喉部）處的流速達到音速時的流量，是壓縮機理想狀況下的最大流量，該種工況叫“阻塞工況”在實際生產中不可能達到這種情況。因為氣流在沒有達到音速時，一般就會發(fā)生（可能性很大）氣流的旋轉脫離和激波，此時氣體的流動損失會突然增加，造成壓縮機出口壓力急劇下降，流量也會發(fā)生較大波動，機組進入不穩(wěn)定運行的工況。為避免上述情況發(fā)生，一般把壓縮機內氣體的最大流速控制在265～289 m/s。

計算空壓機C-101出口最大流量：

Vax＝um×Fmin

式中V—空壓機的體積流量，m3/s；umax—在空壓機內的最大流速，m/s，取 265 m/s；Fmin—壓縮機內氣體流動過程中經過的最小面積，m2。

根據離心式壓縮機設計原理和實際工況，葉片之間的流道都是擴張形的，因此最小面積應該在葉輪流道入口處。該壓縮機有三級葉輪，第一級葉輪為半開式（有20 個葉片），第二級和第三級為三元閉式（各有相同的21個葉片）。根據葉輪結構并現場測量實物，第三級葉輪入口處面積最小，此處面積近似為長方形，計算得到Fmin＝0.056 m2。

則有：Vax＝u×Fmin＝265×0.056＝68 731 kg/h

可以看出以上計算出的最大流量可滿足生產需要，將空壓機出口流量逐步增加到68 731 kg/h。

2.3 流量與壓力的調整操作

以上對空壓機的出口流量和壓力在理論上進行了計算分析，分別得到了各自的調整范圍，在實際操作中，要充分的認識到影響空壓機的操作的因素比較多，例如空氣的溫度、濕度、粘度等等。所以在操作中要注意3個問題：

（1）調整速度要緩慢

調整速度過快會造成機組運行的波動，從而影響工藝系統。

（2）壓力與流量同時調整

在實際操作過程中，壓力和流量的設定值是串級的，如果保持壓縮機總功率不變，提高流量的同時，必須降低出口壓力，防止機組負荷過大。

（3）考慮氣溫的影響

空壓機所能夠消耗的最大功率是固定的，運行過程中不能超負荷。在影響壓縮機功率的各個參數中，如果其它參數不變，則粘度越大，功率越大。對于空氣來說，溫度越高氣體粘度越大，所以空壓機在夏季氣溫較高時，為了保證機組總的負荷不超，就要適當的降低空氣的流量或者壓力。

丙烯腈裝置的空壓機在裝置擴能改造后，按照以上的調整原則和注意事項，經過多次的調整，逐步的把流量和壓力調整到了能夠滿足工藝生產的要求狀態(tài)。現在實際運行的參數為：

出口流量為67 000～67 500 kg/h，出口壓力為0.15～0.17 MPa，溫度165 ℃，軸功率2 500 kW，轉速7 780～7 900 r/min。

以上狀態(tài)既能保證生產（80 kt/a 的負荷，其空氣量并不是固定的，還受反應物料配比等因素的影響），又使機組的主要參數控制在預先的計算數值之內。

3 機組運行狀況分析

空壓機經參數調整后，運行工況點發(fā)生變化。

3.1 流量分析

空壓機出口實際流量是設計流量的1.2 倍，對于離心式空壓機來說，允許最大流量達到設計流量的1.15～1.2倍，而且從前面計算得知，此時的實際流量低于計算得出的機組的最大穩(wěn)定流量，所以該流量是穩(wěn)定的。

3.2 壓力分析

空壓機實際運行壓力高于生產所要的壓力為0.02 MPa，是穩(wěn)定的。

3.3 轉速分析

實際轉速是設計轉速的98.5%～100%，低于最大轉速8 295 r/min，轉子的最大線速度和扭距都低于或者等于設計值，對材料的強度方面不會產生影響。

3.4 機組性能曲線的繪制

根據機組出廠前在實驗室做出的性能曲線的基礎上，結合空壓機的實際運行中的調整，繪制出了機組的實際運行的性能曲線，見圖1。

圖1 丙烯腈裝置空壓機C-101性能曲線

（1）喘振線：機組出口流量達到喘振線時，會發(fā)生喘振，運行中要嚴格控制好出口流量。

（2）防護線：為防止機組喘振，設計了防護線，當流量達到防護線的位置時，機組的防喘振裝置開始動作，防護流量是喘振流量的1.05倍。

（3）設計的最大流量線：對于離心式壓縮機，最大流量是額定轉速下流量的1.15～1.2 倍（空壓機C-101設計流量55 700 kg/h，目前實際運行中的流量達到設計值的1.2倍）。

（4）穩(wěn)定工況的極限流量：此條線表示機組最大流量，超過此流量機組就會進入不穩(wěn)定工況。

（5）工藝需要的最小壓力線：表示空壓機在正常運行過程中，不能低于該壓力。

（6）阻塞線：該線表示如果機組出口流量達到該值，機組會發(fā)生壓力、流量波動，進入阻塞工況。

（7）最小轉速：是指調速器最小轉速，在此以上運行才可調整轉速，正常運行不能低于該轉速。

（8）第一臨界轉速：指壓縮機的第一臨界轉速，開停車和運行過程中堅決不允許該改轉速附近運行，否則會引起共振。

（9）設計轉速：空壓機設計轉速7 900 r/min。

（10）機組正常轉速：空壓機C-101 正常轉速是設計轉速的98.5%，即7 780 r/min。

（11）機組最高轉速：該轉速為設計轉速的1.05 倍，即7 900×1.05＝8 295 r/min，該轉速也是調速器的最大轉速。

（12）機組穩(wěn)定運行工況區(qū)域：圖中陰影部分，它是由機組防護線、機組最小轉速、工藝需要的最小壓力、穩(wěn)定工況的最大流量線和機組的最高轉速線圍成的面積，運行工況越在該陰影的內部，運行越平穩(wěn)，反之處于不穩(wěn)定工況。

4 結束語

通過對空壓機各參數的調整，保證空壓機消耗的總功率不變的情況下，降低壓力，提高流量，使之能夠滿足生產需要，節(jié)約了大量的生產成本，降低了裝置的能耗，減少了員工的勞動強度。在滿足生產的前提下，節(jié)約電能1 000 kW·h 以上，節(jié)約循環(huán)水超過200 t/h。機組在新的工況點穩(wěn)定運行，但是如果流量再提高就可能會進入不穩(wěn)定運行工況，在實際生產中一定要避免這種情況的發(fā)生，所以流量方面也要有一定的富余量。