烯烴分離產(chǎn)品氣壓縮機(jī)組節(jié)能降耗的研究

李元乾，王勇，張箭飛(國能新疆化工有限公司，新疆 烏魯木齊 830000)

0 引言

某煤化工企業(yè)某裝置配置有離心式產(chǎn)品氣壓縮機(jī)組一套，目的是將上游甲醇制烯烴裝置來的富含乙烯丙烯的混合氣產(chǎn)品進(jìn)行多級多段壓縮增壓，方便后續(xù)的高壓精餾系統(tǒng)利用相對揮發(fā)度的不同進(jìn)行提純，得到高純度聚合級乙烯、聚合級丙烯等產(chǎn)品。同時在壓縮過程中，實(shí)現(xiàn)介質(zhì)的初步分離：將大部分C4 和C5 及以上重組分抽出，以便減輕后續(xù)精餾系統(tǒng)負(fù)荷，同時也節(jié)能。但自該機(jī)組原始開機(jī)以來，便存在著機(jī)組原動機(jī)中壓汽輪機(jī)的蒸汽實(shí)際消耗量較設(shè)計值偏大約17% 的情況，直接表現(xiàn)即為機(jī)組100% 負(fù)荷下四返四防喘閥開度必須維持60% 左右，大循環(huán)運(yùn)行下機(jī)組系統(tǒng)中壓(4.1 MPa)蒸汽實(shí)際用量達(dá)到55 t/h，而設(shè)計量僅為46.8 t/h，能耗明顯過高。另外，機(jī)組調(diào)整過程中還衍生出四段出口管線振動偏大等安全問題，最終機(jī)組不得不在高能耗下監(jiān)護(hù)運(yùn)行，并時刻提防管線振動等可能導(dǎo)致的安全問題。

1 工藝及設(shè)備概述

該裝置系統(tǒng)采用的是惠生工藝包技術(shù)，由北京寰球設(shè)計院詳細(xì)設(shè)計，主要目的為將甲醇制烯烴裝置來的0.052 MPaG 富含乙烯、丙烯的混合反應(yīng)氣通過離心式壓縮機(jī)組兩缸四段壓縮，升壓至3.275 MPaG 后進(jìn)入精餾系統(tǒng)物理分離，提取出聚合級乙烯、丙烯、混合C4 以及燃料氣等產(chǎn)品。壓縮過程中，在三段壓縮后設(shè)置水洗、堿洗及干燥系統(tǒng)方便清除介質(zhì)中含有的微量的二氧化碳、酮、水等毒物，并同時將大部分C4 及 C4 以上的重組份分離抽出；C3、C2 以及甲烷等輕組分則通過四段壓縮后進(jìn)入精餾系統(tǒng)，其流程如圖1 所示。

圖1 混合器處理流程圖

產(chǎn)品氣壓縮機(jī)機(jī)組系統(tǒng)概述：壓縮機(jī)組由沈陽鼓風(fēng)機(jī)有限公司按照惠生工藝包理論參數(shù)進(jìn)行設(shè)計并制造，型號：2MCL905+2MCL706，壓縮機(jī)組設(shè)兩缸共四段，一段和二段布置在低壓缸內(nèi)，共九級；三段和四段布置在高壓缸內(nèi)，共六級；原動機(jī)則由杭州汽輪機(jī)廠配套設(shè)計并制造的工業(yè)汽輪機(jī)組，型號：NK40/45/40，功率：11 854 kW，進(jìn)氣量：45.2 t/h，進(jìn)氣壓力：4.1 MPaG，排氣壓力：0.0245 MPaA。

2 現(xiàn)象與問題

自2016 年裝置正式投產(chǎn)后，該產(chǎn)品氣壓縮機(jī)組在設(shè)計負(fù)荷下，壓縮機(jī)本體運(yùn)行穩(wěn)定，機(jī)組在線狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)顯示壓縮機(jī)高、低壓缸體振動、位移、溫度均符合設(shè)計要求，工藝方面各項(xiàng)控制參數(shù)達(dá)到設(shè)計要求，機(jī)組三返一、三返三、四返四防喘振控制線喘振閥門也全部能完全關(guān)閉。但是，在現(xiàn)場檢查中發(fā)現(xiàn)：壓縮機(jī)四段出口管線到出口冷卻器前以及四返回喘振線等所有管線、閥門存在明顯振動，管道內(nèi)部流體存在脈沖現(xiàn)象。通過摸索調(diào)整發(fā)現(xiàn)，只要維持壓縮機(jī)四返四喘振閥開度60%以上，異?，F(xiàn)象則消失。結(jié)果就是產(chǎn)品氣壓縮機(jī)四段只能維持大循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)，循環(huán)量則導(dǎo)致過多的無效做功，致使機(jī)組汽輪機(jī)的中壓蒸汽消耗量平均超設(shè)計值約8 t/h，同時中間系統(tǒng)脫丙烷塔負(fù)荷因循環(huán)量大而超標(biāo)20%，影響系統(tǒng)能耗同時還降低脫丙烷塔的操作彈性。

3 原因分析

針對產(chǎn)品氣壓縮機(jī)機(jī)組系統(tǒng)運(yùn)行中實(shí)際能耗過高問題，從系統(tǒng)的設(shè)計、管道設(shè)備的制造和安裝以及工藝操作等方面分階段逐步進(jìn)行全面的剖析。

第一階段，初步原因排查：

(1)排查安裝因素：對所有管道、設(shè)備的安裝重新三查四定，查找是否存在安裝遺漏、錯誤或缺陷，排查結(jié)果為所有項(xiàng)目均按圖紙施工，完全符合安裝規(guī)范，過程也受控，不存在安裝質(zhì)量問題。

(2)排查設(shè)計因素：由北京寰球設(shè)計院對機(jī)組系統(tǒng)外圍的管道、設(shè)備等設(shè)計多次復(fù)核，壓縮機(jī)廠家沈鼓根據(jù)設(shè)計參數(shù)重新計算，各廠家在各自的責(zé)任范圍內(nèi)均反饋不存在設(shè)計偏差。

通過初步排查，結(jié)合實(shí)際操作，系統(tǒng)存在的問題基本與安裝及使用關(guān)系不大。產(chǎn)品氣壓縮機(jī)機(jī)組系統(tǒng)復(fù)雜，融合了多專業(yè)，多專利商等，系統(tǒng)工程需要聯(lián)合各專業(yè)、各廠家對接，從整體上分析系統(tǒng)各部分的銜接度、匹配度是否合理；各自為戰(zhàn)是不能解決問題的。

第二階段，深度根源剖析：

針對機(jī)組正常而管路存在振動的問題，對機(jī)組四段出口管線就地采集數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析查找振源：四段出口管道振動偏大時監(jiān)測發(fā)現(xiàn)存在頻率約 22.5 Hz 左右的激振源，其振動頻率剛好落入管道系統(tǒng) 25 Hz 固有頻率的共振區(qū)間內(nèi)；而壓縮機(jī)組四段葉輪旋轉(zhuǎn)分離為激振源的唯一來源，基本確定導(dǎo)致系統(tǒng)循環(huán)量被動增大的原因與機(jī)組本身結(jié)構(gòu)設(shè)計有關(guān)。

機(jī)組軸系分析：雖然機(jī)組在線狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)中振動監(jiān)控值穩(wěn)定，表象不明顯波動，機(jī)組本身也未見異常。但是考慮到CCS 系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控值的采集頻率，且經(jīng)過過濾處理，狀態(tài)監(jiān)控不能高敏度反應(yīng)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)。其次，該機(jī)組喘振控制系統(tǒng)實(shí)際為理論值控制，當(dāng)管路異常時不排除機(jī)組實(shí)際已出現(xiàn)喘振所導(dǎo)致的。另外，通過在專業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行專業(yè)頻譜的分析：當(dāng)出口管線振動出現(xiàn)后，隨著循環(huán)量的降低，對應(yīng)的機(jī)組振動頻譜顯示基頻及以下、高倍頻也隨之呈現(xiàn)無規(guī)律變大趨勢，符合機(jī)組喘振現(xiàn)象。

(3)設(shè)計參數(shù)對比：對機(jī)組介質(zhì)取樣分析，主要數(shù)據(jù)對比機(jī)組設(shè)計參數(shù)如表1 和表2 所示。

表1 四段組分分析表(體積百分比)

表2 介質(zhì)運(yùn)行參數(shù)對比表

通過機(jī)組系統(tǒng)的介質(zhì)對比，介質(zhì)的組分較理論值是存在一定偏差，系統(tǒng)介質(zhì)為MTO 裝置甲醇催化反應(yīng)后形成的混合氣，介質(zhì)的組分受到催化劑類型、控制參數(shù)等影響而存在變化。參數(shù)對比可知：混合氣中重組分實(shí)際是較設(shè)計值偏大的，而機(jī)組流程采用中間抽出工藝，重組分通過中間抽出，同等進(jìn)料下就會導(dǎo)致進(jìn)入高壓缸四段輕組分流量減少。另外，機(jī)組采用高、低壓缸分開設(shè)計布局，設(shè)計上各自具有相應(yīng)的操作彈性，因此當(dāng)單獨(dú)設(shè)計核算能力時，復(fù)核自然均能滿足生產(chǎn)要求。然而，由于高、低壓缸轉(zhuǎn)子串聯(lián)，共用原動機(jī)的設(shè)置布局。在實(shí)際操作中，汽輪機(jī)負(fù)荷控制則必須匹配高負(fù)荷壓縮機(jī)組的需求，在同等條件下高壓缸卻因?qū)嶋H流量偏低，負(fù)荷需求則低于低壓缸。為穩(wěn)定運(yùn)行不得已只能通過增加循環(huán)量的方式提高高壓缸四段負(fù)荷，以匹配低壓缸轉(zhuǎn)速需求，最終產(chǎn)生了不必要的能源浪費(fèi)。

第三階段，反向論證：通過多方面原因分析，基本確定導(dǎo)致系統(tǒng)能耗偏高的基本原因?yàn)閷?shí)際介質(zhì)組分的偏差導(dǎo)致的流量差異最后致使高、低壓缸負(fù)荷不匹配導(dǎo)致，同時衍生出管線振動等安全問題。因此通過外界條件控制，在保持前三段負(fù)荷不變的情況下，系統(tǒng)額外增加四段流量進(jìn)行了測試驗(yàn)證：

機(jī)組入口100% 負(fù)荷，穩(wěn)定轉(zhuǎn)速5 729 r/min，系統(tǒng)入口負(fù)荷保持穩(wěn)定； 三段出口補(bǔ)充乙烯回?zé)捔? t/h驗(yàn)證，四返四喘振閥開度由穩(wěn)定狀態(tài)62%開度以1%的幅度 緩慢下關(guān)，監(jiān)控出口管線振動及軸系頻譜，直到開度關(guān)小至29% 左右時，四段出口管線出現(xiàn)振動現(xiàn)象，機(jī)組軸系頻譜種半倍頻等開始增大，喘振跡象出現(xiàn)。

機(jī)組入口102% 負(fù)荷；穩(wěn)定轉(zhuǎn)速5 765 r/min，系統(tǒng)入口負(fù)荷始終保持穩(wěn)定。三段出口補(bǔ)充回?zé)捯蚁? t/h，回?zé)挶? t/h；四返四喘振閥開度由穩(wěn)定狀態(tài)55%開度以1%的幅度緩慢下關(guān)，監(jiān)控出口管線振動及軸系頻譜，直到開度關(guān)小至10%左右，四段出口管線出現(xiàn)振動現(xiàn)象，機(jī)組軸系頻譜中半倍頻等開始增大，喘振跡象出現(xiàn)。

通過測試的結(jié)果表明，單純提高四段負(fù)荷，在不改變機(jī)組能耗的基礎(chǔ)上，依舊能夠滿足機(jī)組安全運(yùn)行要求及工藝需求。

總結(jié)：通過分階段多維度分析可知，該系統(tǒng)為集成系統(tǒng)，需將不同廠家的不同技術(shù)融合在一起才能達(dá)到目的。但是在實(shí)際運(yùn)作中，大家各自為戰(zhàn)，沒有有效溝通，也沒有有效的技術(shù)交流，最終組合成一個整體后。技術(shù)整合后缺少調(diào)校，各自技術(shù)的彈性就為融合后的成品埋下了禍根，彈性的疊加導(dǎo)致本項(xiàng)目問題的出現(xiàn)，反證了前期自查原因無果的事實(shí)。技術(shù)整合不力是導(dǎo)致機(jī)組能耗偏高根本原因。因此，團(tuán)結(jié)各方力量，交流溝通，做好銜接是“節(jié)能降耗”最終研究調(diào)整的方向。

4 優(yōu)化措施

通過從設(shè)計、制造、操作等全方位分析可知：導(dǎo)致系統(tǒng)能耗偏高的直接表象為四段循環(huán)量過大導(dǎo)致，根本原因則為介質(zhì)的實(shí)際組分較理論組分的偏差并疊加機(jī)組設(shè)計時的彈性過大，致使機(jī)組實(shí)際運(yùn)行時高、低壓缸負(fù)荷不匹配導(dǎo)致。四段所在的高壓缸實(shí)際負(fù)荷設(shè)計偏大，循環(huán)量過多造成能源的浪費(fèi)。那么，節(jié)能只能從介質(zhì)組分調(diào)整或者機(jī)組本體考慮，在介質(zhì)方面，上游MTO 來混合氣受催化劑及操作參數(shù)影響，穩(wěn)定后不可能有大的變化，調(diào)整余量有限，不可能為了滿足設(shè)備運(yùn)行而有大的改變。因此只能從優(yōu)化機(jī)組設(shè)計方面考慮，機(jī)組原設(shè)計一段和二段所在的低壓缸基本與實(shí)際相符，高壓缸的三段設(shè)計與實(shí)際也匹配，僅有四段存在機(jī)組設(shè)計負(fù)荷較實(shí)際偏大的情況。從操作的經(jīng)濟(jì)性、可行性角度出發(fā)，僅對壓縮機(jī)四段進(jìn)行改造為最佳選擇。首先，通過對近幾年實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集，通過取平均值提供給壓縮機(jī)生產(chǎn)廠家復(fù)核設(shè)計；然后，壓縮機(jī)廠家在原機(jī)組的基礎(chǔ)上進(jìn)行局部改變，首先將四段葉輪的直徑增大以滿足壓縮比，然后將葉輪的流道變窄以匹配實(shí)際流量減少的事實(shí)，同時將配套隔板、氣封進(jìn)行更換。轉(zhuǎn)子的主軸規(guī)格則保持不變方便利舊原殼體、軸承、干氣密封等，以降低改造成本。最后利用停工檢修的機(jī)會完成更換、測試合格后正式投用，原轉(zhuǎn)子則留為應(yīng)急備件。

5 整合結(jié)果

結(jié)合實(shí)際情況，通過對產(chǎn)品氣壓縮機(jī)機(jī)組的局部改造，對比改造前、后的運(yùn)行狀況，以平均負(fù)荷計算。改造前機(jī)組的中壓蒸汽消耗量平均為55 t/h,改造后直接降低到平均為50 t/h;裝置中壓蒸汽單耗由改造前的1.457 降低到1.387，遠(yuǎn)低于同類裝置1.47 的中壓蒸汽單耗水平。在沒有增加其他任何運(yùn)行成本的情況下，按照公司當(dāng)前中壓蒸汽的價格，節(jié)約蒸汽的價值平均每年約304 萬元。另外，中間系統(tǒng)脫丙烷塔再沸器低低壓蒸汽量實(shí)際使用量4.4 t/h，改造后減少1.0 t/h，年可減少28 萬元的低低壓蒸汽消耗量。改造后合計將減少價值332 萬元蒸汽的消耗量，通過調(diào)研， 對比同類裝置。對比優(yōu)化的一次性投入，不到兩年即可回收成本，產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益，并且消除了管線振動導(dǎo)致的泄漏甚至爆炸等安全隱患，間接效益不可估量。另外，還產(chǎn)生良好的社會效益。烯烴分離產(chǎn)品氣壓縮機(jī)節(jié)能降耗”項(xiàng)目研究很好地契合當(dāng)前政策方針，逐步改變煤制烯烴行業(yè)即為高能耗行業(yè)的形象，更好推動該行業(yè)健康發(fā)展。

6 結(jié)語

開展節(jié)能降耗是國家和社會發(fā)展的戰(zhàn)略要求,也是企業(yè)生存發(fā)展的重要舉措。我國能源資源嚴(yán)重緊缺，開展“節(jié)能降耗”不僅是公司自身發(fā)展的需要，還對促進(jìn)我國建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會也有著重要意義。在煤化工行業(yè)中，煤制烯烴是公認(rèn)可行的發(fā)展方向，但整個煤制烯烴行業(yè)自身所面臨的經(jīng)濟(jì)性問題主要為投資大，融資難度大；原材料及能耗大，水耗高等；尤其是離心式壓縮機(jī)組作為關(guān)鍵設(shè)備在工業(yè)化生產(chǎn)中大量利用，雖滿足了各項(xiàng)生產(chǎn)需求，但是能耗、效率一直是橫亙在眼前的一道坎。與國外機(jī)組相比，國內(nèi)壓縮機(jī)效率較低，效率普遍約為66%～70%，而國外壓縮機(jī)效率基本為78%～81%，還有優(yōu)化提升空間。但若單從機(jī)組來說，機(jī)組多年的研究發(fā)展導(dǎo)致未來的提升空間終將越來越有限，單純依靠挖潛能已經(jīng)無法滿足節(jié)能降耗的目標(biāo)需求，只有不斷地開發(fā)新工藝、新技術(shù)才是發(fā)展之道。比如，發(fā)展燃?xì)廨啓C(jī)替代現(xiàn)有蒸汽輪機(jī)等，才能真正解決煤制烯烴行業(yè)面臨的問題，更好推動該行業(yè)健康發(fā)展。