大型空分裝置筒式增壓機(jī)打氣量不足的問題分析與改造

胡 平 譚太敏 呂艷麗

(1.河南能源化工集團(tuán)貴州黔?；び邢挢?zé)任公司，貴州黔西，551500；2.貴州義龍新區(qū)農(nóng)業(yè)開發(fā)投資有限公司，貴州興義，562400)

1 項目改造的背景簡介

貴州某煤化工年產(chǎn)30萬噸/年煤制乙二醇裝置擁有最大制氧能力為48000Nm3/h的空分裝置，該裝置由河南開封空分制造安裝，主要向氣化、凈化、乙二醇裝置以及全廠提供合格高壓氧氣、低壓氧氣、高中壓氮氣、低壓氮氣、儀表空氣和工廠空氣等，同時副產(chǎn)液氧、液氮和液氬產(chǎn)品。該空分裝置是一套采用內(nèi)壓縮和前段預(yù)凈化流程裝置，主要由以下子系統(tǒng)組成：動力系統(tǒng)、凈化系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、熱交換系統(tǒng)、精餾系統(tǒng)、產(chǎn)品輸送系統(tǒng)、液體貯存系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等，同時設(shè)有液氮后備系統(tǒng)，采用ITCC與DCS集散控制系統(tǒng)控制?？諌簷C(jī)組采用陜鼓產(chǎn)品，膨脹機(jī)和低溫液體泵采用法國CRYOSTAR設(shè)備，高壓板換采用日本神鋼產(chǎn)品，該裝置已于2018年4月投產(chǎn)。

裝置投產(chǎn)運(yùn)行后暴露出一些設(shè)計缺陷，如空分裝置增壓機(jī)在性能考核時暴露出增氣量達(dá)不到設(shè)計值，要滿足裝置用氣量及各級壓力需求，增壓機(jī)至少要設(shè)計為三段七級壓縮才能滿足大型內(nèi)壓縮空分裝置的用氣量，裝置設(shè)計要求增壓機(jī)氣量需達(dá)到153500Nm3/h，一段出口壓力達(dá)到1.2MPa，二段出口壓力需達(dá)到2.7MPa，末級壓力需達(dá)到5.9 MPa才能滿足壓力等級5.1MPa、每小時生產(chǎn)能力為48000Nm3/h的高壓氧氣。該裝置增壓機(jī)實際設(shè)計為三段六級的筒式離心壓縮機(jī)，一段和二段均能滿足裝置所需的加工空氣工藝指標(biāo)，經(jīng)末級壓縮后出口設(shè)計壓力為4.9MPa，遠(yuǎn)達(dá)不到設(shè)計的5.9MPa的壓縮空氣，壓力等級達(dá)不到設(shè)計值；高壓空氣焓值低，導(dǎo)致高壓液氧在板式換熱器里得不到有效復(fù)溫，同時高壓空氣壓力低流經(jīng)板式換熱器液化后在節(jié)流閥處的溫降也減少，總冷量不能支撐整個空分裝置的滿負(fù)荷運(yùn)行。在空分裝置運(yùn)行時約有15%左右的冷量來自于節(jié)流閥，高壓空氣焓值降低造成整個板式換器跑冷可能對設(shè)備造成損壞?？辗盅b置的滿負(fù)荷安全穩(wěn)定運(yùn)行是保證整個黔?；っ褐埔叶佳b置達(dá)標(biāo)達(dá)產(chǎn)運(yùn)行的首要條件，空分的安全穩(wěn)定滿負(fù)荷運(yùn)行尤為重要。該裝置設(shè)計滿負(fù)荷運(yùn)行生產(chǎn)能力為48000Nm3/h氧氣及43600Nm3/h氮氣，負(fù)荷調(diào)節(jié)應(yīng)在空壓機(jī)流量變化范圍內(nèi)實現(xiàn)氧氣產(chǎn)量在設(shè)計工況的75%—105%范圍連續(xù)變化，然而該空分裝置在實際運(yùn)行過程中氧產(chǎn)量為43000Nm3/h，因設(shè)備的設(shè)計缺陷制約了空分裝置實際產(chǎn)能，產(chǎn)能不達(dá)標(biāo)，只有90%的負(fù)荷，不達(dá)標(biāo)的主要因素就是增壓機(jī)打氣量滿足不了裝置需求。

綜上所述要想空分裝置安全穩(wěn)定達(dá)標(biāo)達(dá)產(chǎn)運(yùn)行，更換增壓機(jī)已經(jīng)不可能，因為每套大型設(shè)備設(shè)計都是單一的，在遵循原有設(shè)備設(shè)計的基礎(chǔ)上對增壓機(jī)運(yùn)行中暴露出的缺陷經(jīng)過不斷研究和論證，實施葉輪和流道的技改，理論推算上技改后增壓機(jī)是能夠達(dá)到設(shè)計指標(biāo)的，通過技改后力爭實現(xiàn)裝置滿負(fù)荷運(yùn)行，在裝置達(dá)標(biāo)達(dá)產(chǎn)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)副產(chǎn)品液氧、液氮產(chǎn)量翻一番的愿景。

2 該套空分裝置增壓機(jī)運(yùn)行現(xiàn)狀

該壓縮機(jī)機(jī)組是為貴州某煤化工30萬噸/年乙二醇工項目的離心式原料空氣壓縮機(jī)。機(jī)組由陜鼓提供型號為EBZ45-6的筒式增壓機(jī)，設(shè)置三段六級壓縮。增壓機(jī)入口流量144000 Nm3/h，入口壓力0.57 MPa(A)，一段出口壓力1.2MPa(A)，抽取流量13500 Nm3/h作為全廠儀表空氣使用；二段出口壓力2.7 MPa(A),抽取流量55000Nm3/h去膨脹機(jī)做膨脹制冷給裝置提供冷量；三段出口壓力5.9 MPa(A),剩余約75000 Nm3/h高壓空氣去板式換熱器降溫節(jié)流后去精餾塔參與精餾。由于設(shè)計缺陷，當(dāng)前增壓機(jī)三段出口壓力最高只能達(dá)到4.9MPa，出口流量也達(dá)不到設(shè)計值，造成空分裝置的高壓空氣焓值低，使得高壓板翅式換熱器的熱空氣能量不夠，影響產(chǎn)品氧氣產(chǎn)量，最多只能向后系統(tǒng)提供34000 Nm3/h(設(shè)計值39000 Nm3/h)的高壓氧氣和8000Nm3/h(設(shè)計值9000Nm3/h)的低壓氧氣，達(dá)不到裝置設(shè)計產(chǎn)量。因此高壓板式換熱器熱空氣量不夠，大量的污(冷量)得不到從高壓板式換熱器復(fù)熱放出，只能從低壓板式換熱器復(fù)熱放出，因為低壓板式換熱器熱空氣總量設(shè)計上壓力較低，所含內(nèi)能較低，此時在低壓板翅式換熱器放出的冷量過多，熱空氣總量一定，那么污氮氣、氮氣出低壓板翅式換熱器復(fù)熱后的溫度過低，得不到有效復(fù)熱，跑冷十分嚴(yán)重，復(fù)熱后的污氮氣和氮氣的溫度最低時可達(dá)到-10℃以下，設(shè)計溫度為23℃，由于出板式換熱器后的管道設(shè)計材質(zhì)均采用碳鋼管道，碳鋼管道長期在低溫下帶壓運(yùn)行很容易發(fā)生脆性炸裂，同時在流經(jīng)板式換熱器的膨脹空氣溫度也較低，溫度過低的膨脹空氣進(jìn)入膨脹機(jī)經(jīng)噴嘴減壓發(fā)生等熵膨脹降溫后容易液化，造成膨脹機(jī)帶液，液化后的空氣打在高速旋轉(zhuǎn)的膨脹機(jī)葉輪上重則擊碎膨脹機(jī)葉輪，輕則液空在葉輪邊緣氣化破裂造成膨脹機(jī)葉輪損壞，這對空分裝置整個系統(tǒng)的運(yùn)行是十分不利的。

提高增壓機(jī)三段壓力和空氣量，保證進(jìn)高壓板翅式換熱器的熱空氣焓值足夠，經(jīng)液氧泵加壓后的高壓氧才能在高壓板式換熱器里邊吸收高壓空氣放出的能量產(chǎn)出更多的氧氣供給后工序。熱量充足才能將更多的冷量從高壓板翅式換熱器放出去，只有這樣才能縮小低壓板翅式換熱器的熱端溫差減少裝置的冷量損失，使裝置達(dá)標(biāo)達(dá)產(chǎn)降低能耗。同時，低壓板翅式換熱器的出口污氮氣、氮氣溫度提高，確保污氮氣、氮氣的碳鋼管道部分不會因為溫度過低而發(fā)生脆性斷裂。

技改增壓機(jī)使增壓機(jī)各級工藝指標(biāo)達(dá)標(biāo)達(dá)產(chǎn)滿足生產(chǎn)需求不僅有利于產(chǎn)品產(chǎn)量的增加，還能使當(dāng)前整個裝置的設(shè)備安全得到更進(jìn)一步的改善，保護(hù)裝置安全穩(wěn)定運(yùn)行。對增壓機(jī)流道的技改迫在眉睫。

為了改變上述情況，黔希化工針對空分裝置增壓機(jī)流道改造成立了專門的攻關(guān)小組，聯(lián)系廠家技術(shù)人員到廠根據(jù)設(shè)備當(dāng)前的運(yùn)行狀況，討論將現(xiàn)有設(shè)備葉輪流道削寬能否使設(shè)備達(dá)到原設(shè)計時的工藝參數(shù)，流道削寬后勢必會使葉輪邊緣變薄，在這樣的情況下增壓機(jī)葉輪的強(qiáng)度是否能夠承受得住等等問題，最后得出結(jié)論：不改變材質(zhì)固有頻率不會發(fā)生改變，增壓機(jī)的轉(zhuǎn)速未發(fā)生改變，臨界轉(zhuǎn)速也隨之不會發(fā)生改變，技改后不會對設(shè)備造成損壞。為確?？辗盅b置長、滿、優(yōu)運(yùn)行，決定根據(jù)論證得出的結(jié)論技改增壓機(jī)流道來滿足生產(chǎn)工藝需求。

3 該裝置增壓機(jī)進(jìn)行技改路線以及改造后的主要性能指標(biāo)

3.1 改造路線及實施

(1)對增壓機(jī)影響葉輪流道的靜葉柵的末梢處進(jìn)行倒角處理，使其更加圓滑，削弱流體阻力。

(2)整條轉(zhuǎn)子的葉輪從第1到第4級葉片要進(jìn)行手工修磨，其中包括：①對1-4級的葉輪出口處的輪背面進(jìn)行修型處理，修型后各級葉輪出口厚度見表1。各級葉輪所修型長度為20mm，各級葉輪修型打磨處和未處理的交界處進(jìn)行光滑過渡，削弱阻力，修型過的葉輪表面粗糙度要優(yōu)于Ra6.3。②對于第2級葉輪的處理，主要是對輪蓋和輪盤的焊縫進(jìn)行打磨削薄處理，在處理和未處理的交界處光化過渡，表面粗糙度要求優(yōu)于Ra6.3。③對于第5級和第6級葉輪則主要對擴(kuò)壓器葉片修長以及擴(kuò)壓器的隔板進(jìn)行修型，削弱各級流體阻力。

表1 各級葉輪流道改造后數(shù)據(jù)

圖2 技改削寬后的增壓機(jī)葉輪流道

表2 增壓機(jī)各級擴(kuò)壓器改造數(shù)據(jù)(mm)

(3)注意事項：①圖1中R1、R2、R3′、D3、R5、L3、h3均為代號而非實際數(shù)據(jù)，所對應(yīng)數(shù)據(jù)見表2。②對葉輪和流道修磨前先進(jìn)行劃線，明確設(shè)計意圖，確保加工后轉(zhuǎn)子與隔板之間的匹配性以及加工質(zhì)量，防止損毀葉輪。③加工過程中要確保各加工件的光滑過渡性，切忌出現(xiàn)毛刺和尖角。④確保葉輪的各加工件表面粗糙度要優(yōu)于Ra6.3。⑤未注圓角R2和未注倒角2×45°。

圖1 葉輪擴(kuò)壓器修磨設(shè)計圖

3.2 裝置改造后運(yùn)行的主要性能指標(biāo)

增壓機(jī)流道改造后主要技術(shù)性能指標(biāo)如下：

(1)增壓機(jī)三段壓力(回流閥有11%的開度)：5.44MPa，關(guān)小回流閥達(dá)到5.9MPa。

(2)增壓機(jī)三級壓力和流量均達(dá)到設(shè)計指標(biāo)：在二三段回流閥均未全關(guān)的情況下三段流量達(dá)到設(shè)計值75000Nm3/h，壓力5.44MPa，能滿足生產(chǎn)要求，如果全關(guān)二三段回流閥，三段出口壓力達(dá)到設(shè)計值5.9MPa是完全可能的。

(3)增壓機(jī)軸振動：24.1um。

(4)增壓機(jī)軸位移：0.068mm。

(5)高壓氧流量(高壓液氧泵未滿負(fù)荷)：36000 Nm3/h(提高高壓液氧泵負(fù)荷達(dá)到39000Nm3/h完全能夠達(dá)到，當(dāng)前膨脹機(jī)制冷量完全滿足，膨脹機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行時膨脹空氣量設(shè)計值55000Nm3/h，滿足后系統(tǒng)滿負(fù)荷運(yùn)行時制冷量為44500Nm3/h)。

(6)在滿足生產(chǎn)需求的情況下，裝置原設(shè)計日產(chǎn)液氧29t/d，增壓機(jī)改造后日產(chǎn)液氧75t/d。

4 增壓機(jī)改造后的應(yīng)用成果總結(jié)

增壓機(jī)流道改造前裝置因高壓空氣焓值低，氧產(chǎn)量提不上來，在高壓板式換熱器液空節(jié)流閥處產(chǎn)生的冷量減少，氧提取率低，改造前在保證后續(xù)系統(tǒng)氣態(tài)氧供應(yīng)的前提下無法生產(chǎn)副產(chǎn)品液氧。裝置原設(shè)計液體副產(chǎn)品產(chǎn)量500Nm3/h，合計日均產(chǎn)出20t/d，但是由于增壓機(jī)打氣量不足排氣壓力和流量達(dá)不到設(shè)計值，改造前液氧日均實際產(chǎn)出量不足20t。

增壓機(jī)流道改造后在滿足生產(chǎn)的情況下實際液氧日均產(chǎn)量約75t/d，比原設(shè)計每天可以多產(chǎn)55t液氧，一年裝置設(shè)計運(yùn)行時間按300天計算，一年的液氧產(chǎn)量為16500t，按照每噸液氧平均價格為700元計算，一年可創(chuàng)收1100余萬元。

當(dāng)前空分裝置已經(jīng)發(fā)展到第六代大型內(nèi)壓縮流程，內(nèi)壓縮空分流程增壓機(jī)是必不可少的設(shè)備，國內(nèi)有能力制造大型內(nèi)壓縮空分裝置核心設(shè)備離心式壓縮機(jī)的廠家只有陜鼓和沈鼓兩家，兩家在增壓機(jī)的設(shè)計上都使用筒式結(jié)構(gòu)。增壓機(jī)的設(shè)置是解決內(nèi)壓縮空分裝置高壓液氧在高壓板式換熱器中通過吸收高壓空氣的內(nèi)能使液氧在出冷箱前就已達(dá)到生產(chǎn)所需壓力，無需增設(shè)氧氣透平壓縮機(jī)增壓，裝置安全性提高。內(nèi)壓縮流程上增壓機(jī)的使用合理地把空分裝置熱交換系統(tǒng)更完整地進(jìn)行冷量回收，減少冷損降低能耗。在高壓板式換熱器中將高壓液氧的低溫冷量盡可能地轉(zhuǎn)換成同等質(zhì)量的高壓空氣吸收的低溫冷量，并盡可能地減少不可逆損失，使裝置的能耗降低。

增壓機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行是空分裝置穩(wěn)定運(yùn)行的必要條件，對增壓機(jī)流道進(jìn)行改造，解決了其打氣量不足和排氣壓力低的問題。本裝置在設(shè)計缺陷上的改造案例，可以給同行業(yè)在前期設(shè)計裝置設(shè)備選型上遺留下來的同樣問題提供借鑒，同時此次成功技改對以后廠家在設(shè)計同等裝置時也提供了寶貴的經(jīng)驗。同等裝置可以直接選擇型號為EBZ45-6的增壓機(jī)，不用選用EBZ45-7三段七級壓縮的設(shè)備，相對用戶而言在裝置建設(shè)上可以減少前期的設(shè)備資金投入，對生產(chǎn)廠家而言，在今后同等裝置機(jī)組生產(chǎn)制造時提供了寶貴的技術(shù)經(jīng)驗。