淺析大型甲醇裝置壓縮機(jī)的研制

金 鑫 紀(jì)書焱

（1．沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司，遼寧 沈陽 110869；2 中國(guó)石油物資采購(gòu)中心，北京 100029）

0 前言

煤化工是以煤為原料，經(jīng)過化學(xué)加工使煤“氣化”，從而產(chǎn)成其他化學(xué)品。將煤最終轉(zhuǎn)化成為甲醇的過程稱為“煤制甲醇”。煤制甲醇工藝具有工藝流程長(zhǎng)、工藝結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)。典型的煤制甲醇工藝流程包括：氣化（煤）、變換（一氧化碳）、低溫甲醇洗以及甲醇合成等工段[1]。煤制甲醇的整個(gè)工藝流程涉及的各類壓縮機(jī)工作條件及介質(zhì)組分均不同，壓縮機(jī)的研制涉及氣動(dòng)分析、結(jié)構(gòu)分析、強(qiáng)度分析以及動(dòng)力學(xué)分析等多種專業(yè)交叉，設(shè)計(jì)和制造的難度大。對(duì)于年產(chǎn)200 萬t 以上的甲醇項(xiàng)目，國(guó)內(nèi)在其配套壓縮機(jī)的核心技術(shù)開發(fā)、關(guān)鍵零部件制造和機(jī)組長(zhǎng)周期安全平穩(wěn)運(yùn)行等方面一直沒有突破，所需的大型二氧化碳?jí)嚎s機(jī)、丙烯壓縮機(jī)和甲醇合成氣壓縮機(jī)等全部依賴進(jìn)口。該項(xiàng)目通過自主攻關(guān)和產(chǎn)學(xué)研合作，針對(duì)220 萬t/年的煤制甲醇項(xiàng)目，攻克了整個(gè)煤制甲醇工藝流程涉及的全部壓縮機(jī)組。

1 主要研究?jī)?nèi)容

該項(xiàng)目以國(guó)內(nèi)最大規(guī)模的年產(chǎn)220 萬t 煤制甲醇裝置為依托，針對(duì)煤制甲醇工藝流程中各類壓縮機(jī)運(yùn)行條件惡劣、性能要求嚴(yán)格、安全可靠性要求高以及加工制造難度大等特點(diǎn)，通過聯(lián)合攻關(guān)，突破了設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)和試驗(yàn)等多方面的技術(shù)關(guān)鍵，完成了大型甲醇裝置用丙烯壓縮機(jī)、二氧化碳?jí)嚎s機(jī)以及合成氣壓縮機(jī)組的國(guó)產(chǎn)化技術(shù)開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了大型煤制甲醇工藝流程用全部種類壓縮機(jī)的國(guó)產(chǎn)化，產(chǎn)品各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國(guó)際同類產(chǎn)品先進(jìn)水平，使我國(guó)完全具備大型甲醇裝置全工藝流程壓縮機(jī)組的設(shè)計(jì)、制造與成套的能力，能夠與國(guó)外知名廠商進(jìn)行同臺(tái)競(jìng)爭(zhēng)。

2 丙烯制冷壓縮機(jī)組研制

在甲醇的冷凍站設(shè)計(jì)中，介質(zhì)主要為氨氣和丙烯。氨壓機(jī)設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，但是投資較高，需要雙缸機(jī)組，葉輪數(shù)量一般需要14 級(jí)左右。丙烯機(jī)設(shè)計(jì)復(fù)雜，介質(zhì)較重，在壓縮過程中馬赫數(shù)較高，最高可達(dá)1.2 左右，對(duì)壓縮機(jī)制造廠的技術(shù)先進(jìn)性要求較高，一般廠家難以實(shí)現(xiàn)，但投資較低，單缸5～7 級(jí)機(jī)殼實(shí)現(xiàn)，因此目前大多數(shù)甲醇裝置低溫甲醇洗均采用丙烯制冷。根據(jù)以上制冷流程，進(jìn)入蒸發(fā)器液丙烯為0.6 MPa（a），-20 ℃。壓縮機(jī)最終出口壓力為1.83 MPa（a），滿足丙烯氣冷卻到40 ℃后，變成液態(tài)。最終方案：經(jīng)過多次設(shè)計(jì)計(jì)算，丙烯制冷壓縮機(jī)定為3MCL806，汽輪機(jī)機(jī)型為NK40/46/20，系統(tǒng)中設(shè)置1 ℃經(jīng)濟(jì)器和-20 ℃過冷器。3MCL806 丙烯壓縮機(jī)首級(jí)葉輪采用適用跨音速高赫數(shù)、大流量系數(shù)和高能量頭模型級(jí)[2]，有效提高了壓縮機(jī)效率，降低了功耗。壓縮機(jī)組和驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)采用公用底座如圖1 所示。

圖1 丙烯制冷壓縮機(jī)組布置圖

丙烯壓縮機(jī)的介質(zhì)分子量較大，轉(zhuǎn)子長(zhǎng)徑比L/D 接近10，由于轉(zhuǎn)子-支撐系統(tǒng)的技術(shù)難度大，因此為了保證轉(zhuǎn)子長(zhǎng)周期負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性，該項(xiàng)目通過對(duì)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)轉(zhuǎn)子橫向振動(dòng)及受氣體介質(zhì)影響的穩(wěn)定性進(jìn)行了詳細(xì)的分析，各項(xiàng)結(jié)果都達(dá)到API617 標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 二氧化碳?jí)嚎s機(jī)組研制

在甲醇裝置工藝流程中，二氧化碳?jí)嚎s機(jī)有單軸和多軸2 種方案。因?yàn)槎噍S二氧化碳?jí)嚎s機(jī)效率較高，但是運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)定，檢維修復(fù)雜，周期長(zhǎng)，所以目前行業(yè)內(nèi)接受的還是單軸方案。針對(duì)單軸二氧化碳?jí)嚎s機(jī)，也有2 種不同的方案：1）方案一為2 個(gè)缸直連，中間不加變速機(jī)，即壓縮機(jī)機(jī)型為2MCL906+BCL606，該方案的優(yōu)點(diǎn)是壓縮機(jī)與汽輪機(jī)直連，無變速機(jī)，故障點(diǎn)少，缺點(diǎn)是機(jī)組效率較低，且投資較大。2） 方案二的壓縮機(jī)機(jī)型為2MCL904+2BCL455，通過汽輪機(jī)+2MCL904+變速機(jī)+2BCL455 的方式來實(shí)現(xiàn)，該方案機(jī)組效率高，同時(shí)投資較低，缺點(diǎn)是多齒輪箱，故障點(diǎn)較多。綜合以上方案，該項(xiàng)目采用方案二，但變速機(jī)由國(guó)產(chǎn)變更為進(jìn)口，雖然投資與方案一基本一致，但是效率高了很多，機(jī)組動(dòng)力學(xué)好，同時(shí)機(jī)組檢維修成本也較低。原動(dòng)機(jī)采用凝氣式汽輪機(jī)。整臺(tái)機(jī)組安裝在雙層布置的半封閉廠房?jī)?nèi)，其中低壓缸為水平剖分結(jié)構(gòu)，高壓缸為垂直剖分結(jié)構(gòu)，如圖2 所示，壓縮機(jī)有1 次抽氣，分成4 段共9 級(jí)葉輪組成。介質(zhì)主要成分為二氧化碳。其中第1 段2 個(gè)葉輪，第2 段2 個(gè)葉輪，第3段2 個(gè)葉輪，第4 段3 個(gè)葉輪，共9 級(jí)葉輪。為了提高該裝置的壓縮機(jī)的效率，壓縮機(jī)全部采用高效三元葉輪。

二氧化碳?jí)嚎s機(jī)的低壓缸轉(zhuǎn)子剛性較好，通過常規(guī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)即可滿足API617 對(duì)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)的要求。而高壓缸由于壓力高、介質(zhì)密度大、轉(zhuǎn)子尺寸小功率大和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度大，因此，主要針對(duì)高壓缸轉(zhuǎn)子進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

轉(zhuǎn)子一級(jí)穩(wěn)定性分析結(jié)果：QA為預(yù)期的交叉耦合剛度，Q0為產(chǎn)生零對(duì)數(shù)衰減率所要求的交叉耦合剛度。當(dāng)軸承間隙取最大值時(shí)，Q0/QA=2.39，對(duì)數(shù)衰減率δA=0.48136，從一級(jí)穩(wěn)定性篩選圖可以看出，不需要進(jìn)行二級(jí)穩(wěn)定性分析。當(dāng)軸承間隙取最小值時(shí)，Q0/QA=1.31，對(duì)數(shù)衰減率δA=0.08368，從一級(jí)穩(wěn)定性篩選圖可以看出，需要進(jìn)行二級(jí)穩(wěn)定性分析。在最小軸承安裝間隙的情況下，進(jìn)行下一步的二級(jí)穩(wěn)定性分析。

從圖3 可知，轉(zhuǎn)子在最大連續(xù)轉(zhuǎn)速下的最終對(duì)數(shù)衰減率為0.158，滿足API617 的標(biāo)準(zhǔn)要求（＞0.07） 。

圖 2 二氧化碳?jí)嚎s機(jī)裝配圖

4 甲醇合成氣壓縮機(jī)組研制

甲醇合成氣壓縮機(jī)有缸內(nèi)混合和缸外混合2 種形式，同時(shí)也有單缸機(jī)組和雙缸機(jī)組2 種區(qū)別，新鮮段葉輪數(shù)量在3級(jí)～15 級(jí)，循環(huán)段在1 級(jí)～2 級(jí)。上述方案取決于工藝包的要求。目前沈鼓集團(tuán)擁有100 余臺(tái)甲醇合成氣壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)和制造經(jīng)驗(yàn)。從早期的通用模型級(jí)到專屬模型級(jí)，專屬模型級(jí)從第1 代到第3 代，氣動(dòng)模型級(jí)技術(shù)得到了大幅度的提高，壓縮機(jī)組的效率指標(biāo)與國(guó)外機(jī)組站在了同一平臺(tái)上。合成氣壓縮機(jī)分子量小，機(jī)組馬赫數(shù)低，但是密度大，機(jī)組功率較高，易發(fā)生氣體激振等復(fù)雜工況，對(duì)壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)范圍要求很大，對(duì)新鮮段和循環(huán)段的匹配上要求很高。機(jī)組一般至少有初期正常和額定，末期正常和額定、開車工況、還原工況等。該項(xiàng)目在方案論證階段，也考慮了2 個(gè)方案：1）方案一新鮮段和循環(huán)段在同1 臺(tái)壓縮機(jī)內(nèi)，壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加復(fù)雜。同時(shí)為保證機(jī)組的動(dòng)力學(xué)指標(biāo)，包括振動(dòng)指標(biāo)和穩(wěn)定性指標(biāo)，機(jī)組的L/D 又不能太大[3]，一般小于12。為了保證效率指標(biāo)，要求機(jī)組有較寬的跨距。綜合上述的條件要求，壓縮機(jī)的機(jī)型為3BCL908，效率相對(duì)較低。2） 方案二為新鮮段和循環(huán)段分別做1 個(gè)缸，機(jī)型為BCL806+BCL802，該方案由于動(dòng)力學(xué)充裕，并且直徑較小，機(jī)組效率較高，因此在與汽輪機(jī)搭配時(shí)，轉(zhuǎn)速也在汽輪機(jī)的高效點(diǎn)。

因此針對(duì)220 萬t/年甲醇合成氣壓縮機(jī)組的工藝參數(shù)，通過采用壓縮機(jī)集成優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件進(jìn)行技術(shù)方案配置，反復(fù)優(yōu)化計(jì)算結(jié)果，壓縮機(jī)最終采用雙缸兩段壓縮方案，即新鮮氣和循環(huán)氣分別為兩缸壓縮，在最終出口混合。采用汽輪機(jī)雙出軸方案，新鮮氣壓縮機(jī)與循環(huán)氣壓縮機(jī)分別位于汽輪機(jī)兩側(cè)，使機(jī)組檢修更方便。新鮮氣壓縮機(jī)全部采用了最新開發(fā)的第三代高能頭輕介質(zhì)高效率模型級(jí)“LR 系列”，機(jī)組型號(hào)為BCL806；循環(huán)氣壓縮機(jī)則全部采用了最新開發(fā)的大流量系數(shù)、高效率模型級(jí)“NC 系列”，機(jī)組型號(hào)為BCL802。該機(jī)組采用進(jìn)口膜盤聯(lián)軸器，保證機(jī)組的動(dòng)力學(xué)安全性。原動(dòng)機(jī)采用凝汽式汽輪機(jī)和壓縮機(jī)單獨(dú)底座，驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)則直接安裝在水泥墩結(jié)構(gòu)上，如圖4 所示。

圖3 轉(zhuǎn)子一階正進(jìn)動(dòng)的對(duì)數(shù)衰減率隨轉(zhuǎn)速的變化曲線

圖4 合成氣壓縮機(jī)組布置圖

5 結(jié)語

針對(duì)220 萬t/年甲醇裝置，開發(fā)出大型丙烯制冷壓縮機(jī)組、二氧化碳?jí)嚎s機(jī)組以及合成氣壓縮機(jī)組成套設(shè)計(jì)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了甲醇裝置核心壓縮機(jī)組的全部國(guó)產(chǎn)化。該壓縮機(jī)組開發(fā)成功，打破了國(guó)外在該領(lǐng)域技術(shù)和產(chǎn)品的長(zhǎng)期壟斷，產(chǎn)品各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國(guó)際同類產(chǎn)品先進(jìn)水平，預(yù)計(jì)未來3 年有20 余套200 萬t/年甲醇裝置。該項(xiàng)目的研發(fā)成功，不僅滿足了國(guó)家能源戰(zhàn)略發(fā)展的需要，使我國(guó)國(guó)產(chǎn)化甲醇合成氣壓縮機(jī)組技術(shù)與國(guó)際先進(jìn)水平保持同步，同時(shí)也為企業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。