螺桿冷凍機(jī)組在聚丙烯裝置的應(yīng)用及選型探討

陳 杰

（中國石油化工集團(tuán)股份有限公司荊門分公司，湖北荊門 448002）

0 引言

冷凍機(jī)組是10 萬噸/年聚丙烯裝置重要機(jī)組之一，其作用是將含乙二醇的脫鹽水冷凍至2 ℃，提供給各冷凍水用戶，如主催化劑配制和儲存、催化劑預(yù)接觸和預(yù)聚反應(yīng)、造粒添加劑配制等來實(shí)現(xiàn)工藝過程。

荊門石化的2#聚丙烯裝置從1999 年裝置投產(chǎn)至今，先后用過3 臺螺桿冷凍機(jī)組：最早選用意大利Angelanoni 公司的機(jī)組，型號CRL-100WI-1A/EEX，單臺配置；2011 年新增武冷半封閉螺桿冷凍機(jī)組，型號LSBLG565，實(shí)現(xiàn)雙臺配置，一開一備；2014 年原Angelanoni 公司機(jī)組拆除，更新為煙臺冰輪的螺桿冷凍機(jī)組，型號YSLGF350A。

1 螺桿冷凍機(jī)組的主要特點(diǎn)和工作原理

聚丙烯裝置采用的螺桿冷凍機(jī)組屬整體撬裝設(shè)備，均由單級雙螺桿壓縮機(jī)、管殼式冷凝器（貯液器）、蒸發(fā)器、節(jié)流裝置和電控系統(tǒng)等組成：機(jī)組都采用PLC 可編程控制器，實(shí)現(xiàn)自動控制、能量自動調(diào)節(jié)；制冷劑采用R22；能量調(diào)節(jié)裝置使壓縮機(jī)可進(jìn)行10%（或15%）～100%無級調(diào)節(jié)，通過能量指示器顯示（對應(yīng)為滑閥的位移）；壓縮機(jī)均可實(shí)現(xiàn)自動減載啟動。

氣態(tài)制冷劑的混合氣經(jīng)壓縮機(jī)出口進(jìn)入油氣分離器進(jìn)行油氣分離后，制冷劑到冷凝器等壓冷凝成液態(tài)，液態(tài)制冷劑通過節(jié)流裝置如恒溫膨脹閥等嫡膨脹（煙臺冰輪采用蒸發(fā)器液控閥控制供液閥開度），溫度及壓力大大降低后，在蒸發(fā)器中進(jìn)一步蒸發(fā)膨脹，并吸收大量的熱，制冷劑相變成氣態(tài)返回壓縮機(jī)入口再次被螺桿壓縮機(jī)壓縮，實(shí)現(xiàn)循環(huán)制冷（圖1）。

圖1 機(jī)組制冷工作原理

2 機(jī)組出現(xiàn)的主要問題、原因分析和采取的措施

2.1 煙臺冰輪冷凍機(jī)組PK601C

機(jī)組2014 年6 月底安裝并調(diào)試完，7 月初驗(yàn)收后正式投入使用。機(jī)組運(yùn)行至7 月20 日以后，發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)器液位逐漸下降，甚至看不到液位。該機(jī)組蒸發(fā)器主供液閥+液控器采用的是丹佛斯機(jī)械液位控制PMFL+SV，即進(jìn)入蒸發(fā)器制冷劑的量根據(jù)蒸發(fā)器液位來控制，而非常規(guī)的膨脹閥調(diào)節(jié)。當(dāng)時蒸發(fā)器主供液閥供液不暢，已經(jīng)起不到調(diào)節(jié)蒸發(fā)器液位的作用。8 月上旬，因蒸發(fā)器液位過低導(dǎo)致壓縮機(jī)入口壓力低報聯(lián)鎖停機(jī)兩次。懷疑蒸發(fā)器內(nèi)漏及供液閥故障，聯(lián)系廠家到現(xiàn)場，逐項(xiàng)檢查確認(rèn)，發(fā)現(xiàn)主機(jī)軸封泄漏制冷劑、更換了密封。機(jī)組重新打壓查漏，未發(fā)現(xiàn)明顯漏點(diǎn)。拆供液主閥及蒸發(fā)器殼程（制冷劑）排放時發(fā)現(xiàn)大量冷凍機(jī)油。機(jī)組重新抽真空加油加制冷劑后開機(jī)。

對于本次問題廠家的結(jié)論是工藝?yán)鋬鏊髁坎蛔銓?dǎo)致蒸發(fā)器換熱效果不好，液相制冷劑進(jìn)入壓縮機(jī)，影響氣液分離器工作，導(dǎo)致冷凍機(jī)油進(jìn)入蒸發(fā)器。實(shí)際上，冷凍水泵P601 出口閥常開并無截流或泵出口旁路閥調(diào)節(jié)，出口總流量DCS 室一直控制在45～60 t/h（出口分成兩股，一股類似小循環(huán)直接進(jìn)入蒸發(fā)器，另一股類似大循環(huán)去冷凍水用戶吸熱后再進(jìn)入蒸發(fā)器）。機(jī)組本身有冷凍水流量低報警開關(guān)，但并未報警。

根據(jù)事后對壓縮機(jī)運(yùn)行狀況分析，導(dǎo)致問題發(fā)生的原因主要有兩個。

（1）壓縮機(jī)軸封泄漏導(dǎo)致機(jī)組內(nèi)制冷劑不足，進(jìn)出蒸發(fā)器液相制冷劑總量逐漸減少，隨著制冷劑由飽和態(tài)逐漸轉(zhuǎn)向過熱態(tài)，吸熱能力進(jìn)一步下降、冷凍水溫上升、壓縮機(jī)自動加載，破壞了原有建立的穩(wěn)定循環(huán)，壓縮機(jī)入口吸力增大、若進(jìn)入壓縮機(jī)吸氣管路壓力瞬間低于蒸發(fā)器當(dāng)時溫度下的飽和蒸汽壓，蒸發(fā)器部分液相制冷劑未來得及氣化膨脹就吸入壓縮機(jī)。另外，每年的七八月份是一年中最熱的季節(jié)，用戶熱量不會降低，而冷凝器采用的冷卻水使用循環(huán)水水溫較高，機(jī)組冷凝器冷凝效果下降，循環(huán)回收的液相制冷劑供應(yīng)量相對減少，如果系統(tǒng)有漏點(diǎn)則會加速問題出現(xiàn)。

（2）機(jī)組油氣分離效果達(dá)不到用戶需求。不僅油氣分離器在結(jié)構(gòu)設(shè)計上要滿足制冷劑和冷凍機(jī)油能較好地分離，如內(nèi)部采用分子篩濾芯的目數(shù)和數(shù)量適當(dāng)，機(jī)組還應(yīng)達(dá)到穩(wěn)定適當(dāng)?shù)呐艢鉁囟?。過低的排氣溫度下制冷劑溶于油中難以氣化分離，而過高的排氣溫度機(jī)組處于過熱態(tài)，制冷劑不足制冷效果下降冷凍水溫升高。

從聚丙烯裝置各冷凍水用戶產(chǎn)熱量變化來看，在生產(chǎn)負(fù)荷不變的情況下，主催配置后降溫和造粒添加劑冷卻時（屬于間歇工藝操作），熱量增加明顯、冷凍水溫明顯上升、機(jī)組能量（載位）增加；另外冷凍水用量受環(huán)境氣溫影響很大，冬季和夏季明顯有別，機(jī)組平均能量（載位）最高相差30%以上，即使沒有熱量明顯增加的工藝操作，在以分鐘為時間單位觀察十?dāng)?shù)分鐘機(jī)組實(shí)際能量（載位）變化趨勢，可以發(fā)現(xiàn)能量最高波動幅度也能達(dá)到30%，相應(yīng)地冷凍水溫上下波動在1 ℃左右。正是因?yàn)榫郾┭b置冷凍機(jī)機(jī)組能量調(diào)節(jié)頻繁，運(yùn)行參數(shù)有一定的波動幅度，排氣溫度不穩(wěn)定，難以達(dá)到穩(wěn)定的油氣分離效果。

從該機(jī)型配置來看，沒有排氣溫度檢測和相應(yīng)的報警提示，不能直觀地觀察排氣溫度的變化。但增加了引射回油管線，即將蒸發(fā)器一路低壓管線與壓縮機(jī)出口一路高壓管線通過引射體連通后進(jìn)入壓縮機(jī)吸氣管路。其原理是：高壓氣體的高速氣流進(jìn)入引射體后在氣流周圍形成局部負(fù)壓，將蒸發(fā)器中的油吸走。從實(shí)踐來看引射回油效果，最初數(shù)次引射回油操作，可以肉眼觀察到進(jìn)入蒸發(fā)器油明顯減少，油氣分離器油位有所回升。但是隨著機(jī)組運(yùn)行時間增加，蒸發(fā)器頻繁奔油已經(jīng)不能用引射回油方式將油回收，回油調(diào)節(jié)手閥定期調(diào)整等措施也沒有實(shí)質(zhì)性改善。

因油氣分離效果不佳，氣相制冷劑夾帶冷凍機(jī)油從油氣分離器出口經(jīng)冷凝器、主供液閥竄入蒸發(fā)器，蒸發(fā)器因進(jìn)入大量冷凍機(jī)油換熱能力明顯下降，蒸發(fā)器內(nèi)液相制冷劑不能充分吸熱氣化，部分液相制冷劑進(jìn)入壓縮機(jī)，降低了排氣溫度，進(jìn)一步惡化了油氣分離效果。同時因制冷劑不能充分氣化降低了蒸發(fā)器壓力，導(dǎo)致壓縮機(jī)吸氣壓力下降，因此出現(xiàn)了壓縮機(jī)多次吸氣壓力低報停機(jī)。

隨后機(jī)組運(yùn)行過程中油分器油位低現(xiàn)象已成為常態(tài)，同時因油分器油位低對油壓造成影響。2017 年5 月20 日晚間，機(jī)組因油壓低報聯(lián)鎖停機(jī)，油氣分離器看不到油位。經(jīng)檢查確認(rèn)油分器回油線暢通，當(dāng)時初步判斷可能是油分器內(nèi)部油氣濾芯有破損或者靜密封有漏點(diǎn)所致。通過本公司物采中心聯(lián)系煙臺冰輪廠家采購一套油氣濾芯（包括配套密封圈）型號SLXA600/240。待更換油氣濾芯時發(fā)現(xiàn)原濾芯并無破損，各處靜密封也完好。處理完重新開機(jī)，油分器油位仍持續(xù)下降。油分器油分效果差無法解決，只能采取措施每天白班投用引射回油，盡量將蒸發(fā)器油回收。巡檢和專檢時重點(diǎn)關(guān)注油壓變化。之后一度計劃增加在線加油設(shè)施，當(dāng)油分器油位過低時實(shí)現(xiàn)不停機(jī)加油來穩(wěn)定油壓。

2018 年檢修后機(jī)組油分器油分效果仍不理想，蒸發(fā)器奔油的現(xiàn)象無法徹底解決。為了穩(wěn)定油壓采取引射回油操作時間延長，直至機(jī)組運(yùn)行期間引射回油常開。實(shí)踐證明，引射回油穩(wěn)定油壓效果明顯，此前大致每年都因油壓低被動或主動停機(jī)處理，自引射回油操作改為常開后油壓一直可以穩(wěn)定在2 bar（0.2 MPa）以上。2018 年下半年至今，近3 年來機(jī)組未再發(fā)生因油壓低被迫停機(jī)事件。

2.2 武冷冷凍機(jī)組PK601B

該機(jī)組是半封閉螺桿機(jī)組，油氣分離系統(tǒng)和潤滑油系統(tǒng)及螺桿機(jī)封閉布置在壓縮機(jī)機(jī)體內(nèi)部，潤滑油通過軸頭泵建立油壓給螺桿機(jī)各部潤滑并提供由電磁閥控制的液壓油改變滑閥位移，從而改變機(jī)組能量（載位）。節(jié)流裝置采用了兩臺膨脹閥，其他配置則與PK601C 機(jī)組類似。

機(jī)組2011 年6 月底完成安裝、進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試過程中意外發(fā)生壓縮機(jī)機(jī)械故障，壓縮機(jī)拆走送指定修理廠大修。下半年第二次調(diào)試完試機(jī)各參數(shù)正常，制冷能力強(qiáng)勁。

2018 年以前機(jī)組運(yùn)行總體平穩(wěn)，常見的問題是運(yùn)行一段時間后壓縮機(jī)吸氣壓力下降，需定期補(bǔ)充制冷劑；電動供液截止閥開機(jī)時意外沒有打開導(dǎo)致吸氣壓力零，將截止閥改為常開；壓縮機(jī)機(jī)體結(jié)冰結(jié)霜、排氣溫度偏低，無有效手段解決，對機(jī)組運(yùn)行的影響可以接受。機(jī)械和電儀方面沒有出現(xiàn)影響較大的問題。

2018 年2 月問題開始集中出現(xiàn)。2 月26 日機(jī)組因油位低報停機(jī)數(shù)次，檢查油濾芯正常并重新加油、抽真空、加制冷劑。開機(jī)后嘗試關(guān)小冷凝器上水閥開度減小冷凝器供液量來提高排氣溫度，但排氣溫度上升同時（冷凍水溫并未同步立即上升）載位自動上升、電流同步上升較快、排氣壓力上漲較快，負(fù)載最高自動加載100%，必須時常手動降負(fù)載，不便于控制。隨后再次開機(jī)排放過量制冷劑、提高蒸發(fā)器出水溫度報警設(shè)定值，運(yùn)行一天后再次出現(xiàn)油位低報停機(jī)。停機(jī)后觀察油看窗油位正常，說明油位低報不是機(jī)組缺潤滑油所致。

分析認(rèn)為，PK601B 名義制冷量567 kW，較老冰機(jī)PK601A高約200 kW，與實(shí)際用戶熱量相比制冷量過大、膨脹閥開度設(shè)置偏大，進(jìn)入蒸發(fā)器制冷劑較多處于過冷態(tài)，需要控制在較低載位下運(yùn)行，往常機(jī)組運(yùn)行載位顯示一般在10%～25%，最高不超過30%，蒸發(fā)器出水溫度即能降到-2 ℃。過量液相制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)未充分氣化造成蒸發(fā)器壓力較低，此時加大載位壓縮機(jī)排氣量增大將部分液相制冷劑也吸入壓縮機(jī)，同時局部瞬間負(fù)壓還將潤滑油也吸走造成奔油現(xiàn)象。因此，載位控制過高是造成油位低報的主因。

壓縮機(jī)能量調(diào)節(jié)此時已不受控，直接現(xiàn)象是減載不以設(shè)定蒸發(fā)器出水溫度動作（出水溫度低于水溫設(shè)定值仍在加載）、排氣溫度與自動加載同步、手動方式手動加減載后能量不能穩(wěn)定、持續(xù)高載位運(yùn)行不能自動減載、載位波動幅度過大，隨之壓縮機(jī)排氣溫度、蒸發(fā)器出水溫度、電機(jī)電流都有大幅波動。

因該機(jī)組PLC 程序和控制邏輯圖等技術(shù)資料武冷并沒有提供（機(jī)組控制系統(tǒng)非武冷生產(chǎn)是由分包商提供），而武冷已被兼并，該機(jī)型已被廠方淘汰，了解該機(jī)型的廠方技術(shù)人員流失，通過原制造廠家提供技術(shù)支持的途徑已中斷。

為了解決油位頻繁低報和機(jī)組能量不受控的問題，分別聯(lián)系到其他制冷公司到現(xiàn)場技術(shù)服務(wù)，調(diào)整了膨脹閥開度，機(jī)組排氣溫度有所上升，機(jī)體結(jié)冰現(xiàn)象有好轉(zhuǎn)，但因膨脹閥選型偏大，蒸發(fā)器過冷態(tài)仍然存在?？刂葡到y(tǒng)問題并不能通過參數(shù)調(diào)整來解決。當(dāng)年與武漢另一家制造商達(dá)成了機(jī)組維修技術(shù)方案，主要是更換機(jī)頭組件和更新控制系統(tǒng)。但因故商務(wù)合同未簽，此維修方案未能實(shí)施。

目前儀表技術(shù)人員準(zhǔn)備擇機(jī)將機(jī)組能量控制部分由PLC改進(jìn)DCS 控制，以便更好地精確控制載位，在低載位運(yùn)行狀態(tài)下保持機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。如果改為DCS 控制仍不能穩(wěn)定機(jī)組運(yùn)行再根據(jù)運(yùn)行狀況確定是否還有能量電磁閥或是滑閥問題，分別確定維修方案直至考慮機(jī)組整體更新。

2.3 意大利Angelanoni 公司機(jī)組PK601A

該機(jī)組1999 年9 月聚丙烯裝置投產(chǎn)時投用，2014 年4 月拆除。常見問題與另兩臺機(jī)組大同小異，具體情況不再贅述。

3 根據(jù)螺桿冷凍機(jī)組的實(shí)際應(yīng)用在選型時需要關(guān)注的事項(xiàng)

（1）根據(jù)冷凍水用戶熱量確定合適的制冷量，避免選用過大的機(jī)組。因PK601B 機(jī)組制冷量選取過大，膨脹閥和壓縮機(jī)排氣量選型偏大，進(jìn)入蒸發(fā)器液相制冷劑過多造成一系列問題，不得不長期處于低載位運(yùn)行，這樣不僅能效低，長期過低溫度也會影響設(shè)備壽命。

（2）優(yōu)先選擇的機(jī)組制造廠家應(yīng)在行業(yè)內(nèi)技術(shù)水平先進(jìn)，可以獨(dú)立制造整機(jī)，或?qū)ψ酉到y(tǒng)、重要部件的分包商的資質(zhì)和供貨技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)提出明確要求。選用的機(jī)型應(yīng)設(shè)計成熟可靠，供貨商對機(jī)組各系統(tǒng)均能提供可靠的技術(shù)支持。

（3）機(jī)組考慮采用DCS 控制，如仍采用PLC 控制應(yīng)設(shè)置最低和最高載位設(shè)定。因裝置冷凍水用戶熱量不穩(wěn)定，尤其冬季和夏季受環(huán)境氣溫影響較大，冬季機(jī)組長期自動控制在0%～20%載位（顯示值）運(yùn)行（而手動載位難以穩(wěn)定調(diào)節(jié)），長期低載位運(yùn)行能效低、產(chǎn)生異常噪聲，降低設(shè)備壽命。另外機(jī)組受環(huán)境和用戶熱量變化的影響很大、參數(shù)不易穩(wěn)定，能量頻繁調(diào)節(jié)、波動范圍大，設(shè)定最低載位和最高載位，可以在實(shí)際應(yīng)用中設(shè)置比較穩(wěn)定的符合當(dāng)前條件下的能量調(diào)節(jié)區(qū)間，增加操作彈性，穩(wěn)定機(jī)組運(yùn)行。

（4）通過對比，考慮優(yōu)先選用半封閉式螺桿機(jī)組。半封閉螺桿機(jī)組結(jié)構(gòu)緊湊，機(jī)頭、油系統(tǒng)和油氣分離內(nèi)置，無動密封，靜密封點(diǎn)密封性更可靠不易泄漏，機(jī)組實(shí)際上定期補(bǔ)充制冷劑的周期遠(yuǎn)小于開式螺桿機(jī)組。只要沒有過量液相制冷劑進(jìn)入蒸發(fā)器和機(jī)體造成過冷態(tài)，一般不會發(fā)生油氣難以分離的情況。半封閉螺桿機(jī)組操作簡便，對控制系統(tǒng)的可靠性要求較高。選擇能力適當(dāng)、控制系統(tǒng)可靠的機(jī)組，機(jī)組運(yùn)行相對更穩(wěn)定。另外，機(jī)組整體造價低、日常維護(hù)少、故障率低，但是半封閉式螺桿機(jī)維修難度較大，單次維修費(fèi)用較高，在有備機(jī)的情況下可以優(yōu)先考慮。

（5）需要油氣分離的機(jī)組，蒸發(fā)器應(yīng)選用干式蒸發(fā)器。PK601C采用的蒸發(fā)器屬于滿液式蒸發(fā)器，而PK601A 和PK601B 都采用干式蒸發(fā)器。最主要的區(qū)別是，滿液式蒸發(fā)器管程走冷凍水、殼程走制冷劑，而干式正好相反。實(shí)際上，滿液蒸發(fā)器回油困難且不穩(wěn)定，回油積留在殼程內(nèi)降低蒸發(fā)器換熱能力，并直接導(dǎo)致后續(xù)一系列異常工況。具體情況前文已介紹，不再重復(fù)。而且因冷凍水走管程，阻力損失大，影響冷凍水流速。一旦冷凍水中乙二醇濃度下降溶液冰點(diǎn)上移，在冷凍水流速下降（阻力損失或臟、堵）、蒸發(fā)器溫度過低的狀況下，傳熱管容易凍裂。而干式蒸發(fā)器制冷劑走管程容易將回油帶走，不會出現(xiàn)后續(xù)一系列異常工況，傳熱管也不易凍裂。

4 結(jié)束語

螺桿冷凍機(jī)組日常操作簡單，正常情況下不需要人為進(jìn)行調(diào)整，但一旦發(fā)生異常情況調(diào)整到正常穩(wěn)定工況比較困難。因此機(jī)組控制系統(tǒng)可靠性、機(jī)型與裝置匹配性、機(jī)組各系統(tǒng)性能特點(diǎn)和配件產(chǎn)品質(zhì)量決定了設(shè)備運(yùn)行是否穩(wěn)定可靠。實(shí)踐表明，在選型時就已確定設(shè)備的常見問題。為了避免設(shè)備出現(xiàn)“先天不足”的問題，耗費(fèi)大量人力和資源采取應(yīng)急和補(bǔ)救措施，需要高度重視設(shè)備前期管理，在選型環(huán)節(jié)嚴(yán)格把關(guān)。本文對螺桿冷凍機(jī)組選型需要注意的事項(xiàng)做了技術(shù)總結(jié)，以供借鑒。