裂解氣壓縮機(jī)組氮?dú)庠囓囘^程問題的分析

郭飛虎 徐鵬 韓帥 高萬程

（沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司， 遼寧 沈陽 110869）

1 背景

裂解氣壓縮機(jī)組是乙烯裝置的核心動設(shè)備，是乙烯裝置的龍頭。裂解氣壓縮機(jī)將裂解氣組份壓力提升以節(jié)約后續(xù)深冷分離階段冷量的需求[1]。乙烯裝置在實物料工藝投用前，需要進(jìn)行空負(fù)荷和帶負(fù)荷試車。其中空負(fù)荷試車的目的是對壓縮機(jī)組和輔助設(shè)備以及控制系統(tǒng)進(jìn)行校驗，考核設(shè)備的機(jī)械性能、對儀表進(jìn)行校驗并測試聯(lián)鎖控制系統(tǒng)。在空負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)完畢后需要利用裂解氣壓縮機(jī)對整個壓縮系統(tǒng)進(jìn)行空氣吹掃。其中帶負(fù)荷試車的主要目的是考察壓縮機(jī)以及驅(qū)動機(jī)的操作性能、機(jī)械性能，同時為裝置后序管網(wǎng)的吹掃、氣密和干燥做準(zhǔn)備，為減小裝置開車前期的火炬排放，近年來各石化企業(yè)開始采用氮?dú)獾冉橘|(zhì)取代裂解氣來進(jìn)行壓縮機(jī)開車[2]。利用氮?dú)忾_車，可以對后續(xù)系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)冷同時能避免深冷分離系統(tǒng)因泄漏而導(dǎo)致的開車階段裂解氣的消耗[3]。

本文針對某新建大型乙烯裝置用裂解氣機(jī)組在現(xiàn)場氮?dú)鈳ж?fù)荷試車過程中出現(xiàn)的各種問題進(jìn)行分析，并進(jìn)行有針對性的分析總結(jié)。

2 存在問題

2.1 機(jī)組簡介

裂解氣壓縮機(jī)由3缸4段14級組成。其中低壓缸為第1段，2級葉輪雙吸背靠背布置（2+2）。中壓缸為第2段和3段，5級葉輪背靠背布置（2+3）。高壓缸為第4段和5段，7級葉輪背靠背布置（3+4）。壓縮機(jī)組共設(shè)有3個防喘振回路：1、2、3段為一個防喘振回路，4段和5段分別為單獨(dú)的防喘振回路，每個防喘振回路下游均設(shè)置有單向閥，防止故障緊急停機(jī)狀態(tài)下系統(tǒng)管網(wǎng)內(nèi)高壓氣體向壓縮機(jī)內(nèi)部反向流道，從而使壓縮機(jī)產(chǎn)生反轉(zhuǎn)，損壞設(shè)備[4]。壓縮機(jī)流程見圖1。

圖1 裂解氣壓縮機(jī)流程簡圖

裂解氣壓縮機(jī)在氮?dú)夤r試運(yùn)轉(zhuǎn)之前，通過切斷閥將上、下游裂解爐、碳二加氫等系統(tǒng)隔離，堿洗塔不投用。全開3返1、4返4和5返5共3個防喘振回路，通過外部管網(wǎng)對一段吸入罐進(jìn)行氮?dú)獬鋲褐?50kPaG左右，在機(jī)組運(yùn)行過程中實時監(jiān)測壓縮機(jī)一段吸入罐頂所測量的氮?dú)鈮毫χ?，隨時通過外部管網(wǎng)向一段吸入罐補(bǔ)充氮?dú)?。為保護(hù)下游系統(tǒng)、防止系統(tǒng)超壓，壓縮機(jī)出口安全閥壓力設(shè)定值為2.5MPaG。由于機(jī)組過臨界時升速速率較快，會導(dǎo)致壓縮機(jī)吸入流量急劇增加[5]，為避免外部氮?dú)饬抗?yīng)不足，額外臨時增加一段吸入罐外部氮?dú)?0″補(bǔ)氣管線，防止因升速過程中機(jī)組氣量不足而導(dǎo)致機(jī)組喘振。設(shè)計預(yù)期的氮?dú)夤r運(yùn)轉(zhuǎn)條件見表1。

表1 氮?dú)庠囓嚬r預(yù)期設(shè)計參數(shù)

2.2 開車過程

裂解氣氮?dú)膺\(yùn)轉(zhuǎn)時，將外部管網(wǎng)氮?dú)庖朊芊獗P站作為密封氣源，并先投用干氣密封系統(tǒng)隔離氣。待隔離氣壓力滿足啟動油泵條件后，潤滑油系統(tǒng)開始運(yùn)行。用界區(qū)外鍋爐送來的高壓蒸汽引入汽輪機(jī)，對汽輪機(jī)蒸汽管網(wǎng)進(jìn)行暖管。按照汽輪機(jī)單機(jī)試運(yùn)轉(zhuǎn)的步驟建立復(fù)水系統(tǒng)水循環(huán)、并對汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行盤車。由控制系統(tǒng)確認(rèn)滿足啟車條件后按照汽輪機(jī)升速曲線進(jìn)行升速，在升速過程中隨時關(guān)注壓縮機(jī)組以及汽輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)振動、位移等狀態(tài)參數(shù)并及時進(jìn)行調(diào)整。機(jī)組升速曲線見圖2。

圖2 機(jī)組升速曲線圖

啟動時整個機(jī)組升速具體過程為：1）從0轉(zhuǎn)速開始，以12rpm/s升速至800rpm并保持此轉(zhuǎn)速對汽輪機(jī)進(jìn)行一次暖機(jī)。正常冷態(tài)啟動下暖機(jī)60分鐘，熱態(tài)啟動下暖機(jī)15分鐘。2）以12rpm/s升速至1200rpm并保持此轉(zhuǎn)速進(jìn)行二次暖機(jī)。冷態(tài)啟動下暖機(jī)30分鐘，熱態(tài)啟動下暖機(jī)10分鐘。3）以35rpm/s快速通過臨界轉(zhuǎn)速區(qū)域（1280rpm～2700rpm）后在最低運(yùn)行轉(zhuǎn)速3050rpm下保持此轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，冷態(tài)啟動下穩(wěn)定10分鐘，熱態(tài)啟動下穩(wěn)定5分鐘。之后機(jī)組轉(zhuǎn)速由汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)接管進(jìn)行自動控制。

2.3 存在問題

機(jī)組按照上訴過程進(jìn)行氮?dú)庳?fù)荷試車工況的進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，數(shù)次過程中存在以下問題：

1) 由于機(jī)組在沖臨界過程中升速速率較快，壓縮機(jī)的吸入能力急劇增加，相應(yīng)的氮?dú)庑枨罅恳布眲≡龃?，?dǎo)致外部輸送氮?dú)夤芫W(wǎng)的壓力迅速下降，壓力波動明顯。由于外部氮?dú)馔瑫r給裂解氣高、中、低三個缸體干氣密封系統(tǒng)作為密封氣源供氣，外部氮?dú)鈮毫Φ牟▌佑绊懜蓺饷芊庀到y(tǒng)氣源壓力及流量，有損壞干氣密封的風(fēng)險。

2) 壓縮機(jī)組在沖臨界過程中，驅(qū)動汽輪機(jī)超高壓蒸汽進(jìn)汽量高于200t/h。由于此過程中汽輪機(jī)并未投用抽汽系統(tǒng)，使汽輪機(jī)凝汽系統(tǒng)凝液量大幅增加。按照控制邏輯，凝汽器液位高后凝液泵備泵自動啟動。但此時備用泵出現(xiàn)負(fù)荷過載而導(dǎo)致停泵，需要電氣復(fù)位。而此過程中凝汽器液位迅速上漲，CCS顯示已達(dá)100%。通過現(xiàn)場手動打開凝汽器倒淋口進(jìn)行凝液緊急排放，同時投用汽輪機(jī)抽汽。當(dāng)抽汽系統(tǒng)建立完畢后，凝汽器系統(tǒng)凝液量恢復(fù)正常，備用凝液泵電氣復(fù)位完成，進(jìn)入備用狀態(tài)。

3) 壓縮機(jī)氮?dú)膺\(yùn)轉(zhuǎn)停機(jī)后，按照要求需在汽輪機(jī)停機(jī)后對機(jī)組進(jìn)行連續(xù)盤車。由于汽輪機(jī)非驅(qū)動端頂軸油壓低不能滿足盤車允許啟動條件，導(dǎo)致機(jī)組盤車裝置無法投用?，F(xiàn)場緊急調(diào)整頂軸油支路供油壓力，但由于油壓存在波動，機(jī)組電動盤車裝置無法按照要求長時間連續(xù)運(yùn)行。故現(xiàn)場采用人工進(jìn)行盤車，待7小時后發(fā)現(xiàn)汽輪機(jī)上、下缸溫差仍將近60℃。隨后投用汽輪機(jī)缸體電加熱器對缸體進(jìn)行加熱，汽輪機(jī)上、下缸溫差隨即逐步減小。后經(jīng)現(xiàn)場調(diào)整汽輪機(jī)非驅(qū)動端頂軸油壓力正常滿足盤車要求。但由于汽輪機(jī)在停機(jī)后缸體溫度在大于120℃時汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子曾長時間未正常盤車，再下次啟機(jī)時發(fā)現(xiàn)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子振動明顯增加，無法順利通過臨界轉(zhuǎn)速區(qū)域。后增加一次、二次暖機(jī)時間后，機(jī)組順利跨過臨界區(qū)域并運(yùn)行正常。

4) 壓縮機(jī)氮?dú)膺\(yùn)行階段，機(jī)組振動儀表經(jīng)常出現(xiàn)假指示，容易產(chǎn)生誤報或聯(lián)鎖。

3 解決措施

針對以上過程中出現(xiàn)的問題，進(jìn)行有針對性分析并采取以下措施：

1) 對于升速過臨界過程氮?dú)夤芫W(wǎng)壓力波動問題，經(jīng)判斷機(jī)組在升速過臨界階段，壓縮機(jī)一段吸入罐的壓力明顯高于原設(shè)計值，即外部補(bǔ)充氮?dú)饬砍渥?。同時在可運(yùn)行畫面顯示壓縮機(jī)實際運(yùn)行點(diǎn)距預(yù)期喘振點(diǎn)有足夠流量域度，不會導(dǎo)致壓縮機(jī)組喘振。為避免機(jī)組升速過程對干氣密封供氣系統(tǒng)產(chǎn)生影響，在升速過臨界前，關(guān)小一段入口罐氮?dú)夤芫W(wǎng)補(bǔ)入閥門開度，適當(dāng)降低壓縮機(jī)一段吸入罐的氮?dú)庋a(bǔ)入量。另外，在機(jī)組再次氮?dú)庳?fù)荷運(yùn)行階段，隨時觀察壓縮機(jī)一段吸入罐壓力，若有壓力低于或接近原設(shè)計參數(shù)時，加大吸入罐補(bǔ)氣閥門開度補(bǔ)充氮?dú)饬俊Ｍ瑫r更改壓縮機(jī)出口放火炬線設(shè)定值為2.8MPaG，以減少氮?dú)馀欧帕浚ＷC氮?dú)夤芫W(wǎng)消耗量。

2) 對于汽輪機(jī)抽汽及凝汽系統(tǒng)問題，根據(jù)此前發(fā)生的現(xiàn)象同汽輪機(jī)廠家溝通，確定汽輪機(jī)在超高壓蒸汽進(jìn)氣量大于200t/h時，機(jī)組即投用抽汽系統(tǒng)。同時對于凝液泵過載問題進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)由于泵入口管線及閥門設(shè)計的規(guī)格較大導(dǎo)致凝液泵出現(xiàn)了過載保護(hù)。故現(xiàn)場操作時對凝液返回凝汽器的控制閥進(jìn)行手動限位，以防止備泵自啟時電機(jī)過載。

3) 對于汽輪機(jī)停機(jī)階段由于頂軸系統(tǒng)壓力波動使盤車裝置無法啟動，而導(dǎo)致汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子振動問題，經(jīng)分析汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子在上述過程中可能已出現(xiàn)了不可恢復(fù)性熱形變，這與盤車裝置沒有長時間連續(xù)投用有直接關(guān)系。在汽輪機(jī)停機(jī)后由于蒸汽運(yùn)行切斷，導(dǎo)致汽輪機(jī)上、下缸溫差非常大，而盤車不及時使汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子受熱不均勻而發(fā)生熱形變。

4) 針對軸系監(jiān)測儀表，對儀表進(jìn)行校驗。在校驗結(jié)束后，對振動聯(lián)鎖進(jìn)行復(fù)位方可重新投用聯(lián)鎖。

針對上述分析結(jié)果，采取有效措施后，重新進(jìn)行氮?dú)庳?fù)荷試車。機(jī)組從零轉(zhuǎn)速升速至3500rpm過程中，壓縮機(jī)組、輔助設(shè)備以及控制系統(tǒng)運(yùn)行正常，氮?dú)夤r運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)束。

4 總結(jié)

本次氮?dú)庳?fù)荷試車，對裂解氣壓縮機(jī)組及其輔助系統(tǒng)進(jìn)行了全面的監(jiān)測，為下一步實物料工藝氣投用進(jìn)行了風(fēng)險及故障點(diǎn)排查，同時也總結(jié)了以下經(jīng)驗：

1) 汽輪機(jī)缸體溫度在大于120℃時嚴(yán)禁停用盤車裝置，汽輪機(jī)缸體電加熱器在盤車期間嚴(yán)禁停用。

2) 汽輪機(jī)啟動前，為使汽輪機(jī)凝汽系統(tǒng)迅速建立真空度，應(yīng)當(dāng)在盤車狀態(tài)下向軸封送汽，防止轉(zhuǎn)子上、下受熱不均勻，必須避免在轉(zhuǎn)子靜止?fàn)顟B(tài)下向軸封送汽。在向汽輪機(jī)軸封系統(tǒng)送汽后，根據(jù)凝汽系統(tǒng)真空度的變化情況及時調(diào)整送汽量，同時軸封送汽后應(yīng)盡快使汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)，以免汽封部分上、下缸溫差過大[6]。

3) 汽輪機(jī)停機(jī)過程中，當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速降至約300rpm時頂軸裝置應(yīng)自動投用。在轉(zhuǎn)子完全停止轉(zhuǎn)動后，必須對汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行長時間電動或手動盤車，盤車時間不小于3小時。此后更改為定期盤車，先每隔30分鐘、4小時后每隔60分鐘將轉(zhuǎn)子盤轉(zhuǎn)180°，24小時后每隔2小時盤轉(zhuǎn)180°，以校正、減少轉(zhuǎn)子發(fā)生熱彎曲變形。

4) 對于汽輪機(jī)缸體加熱器，在啟車前或停機(jī)后階段可能會出現(xiàn)缸體上、下缸溫差較大的情況。當(dāng)上、下缸體溫度大于35℃時，應(yīng)啟動殼體加壓器消除此溫差。

5) 機(jī)組運(yùn)行或停機(jī)期間，對于輔助系統(tǒng)出現(xiàn)的故障必須有有效應(yīng)對措施，降低裝置運(yùn)行風(fēng)險、避免對設(shè)備造成損壞，必要時對系統(tǒng)進(jìn)行危險和可操作性分析。