丙烯壓縮機(jī)一入分離器液位高原因分析及對策

吉新杰

(新疆廣匯集團(tuán)哈密廣匯環(huán)?？萍加邢薰?，新疆 伊吾 839303)

0 引 言

新疆廣匯集團(tuán)哈密廣匯環(huán)?？萍加邢薰?簡稱哈密廣匯)400 kt/a荒煤氣制乙二醇項(xiàng)目(世界上首套荒煤氣制乙二醇裝置)于2019年9月開工建設(shè)，2021年10月初開始聯(lián)動試車，2021年10月24日產(chǎn)出合格乙二醇產(chǎn)品，2021年11月11日裝置停車進(jìn)行整體優(yōu)化，2022年3月裝置重啟，2022年6月10日通過性能考核，實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)達(dá)產(chǎn)。本項(xiàng)目利用新疆廣匯集團(tuán)10 000 kt/a煤炭分級提質(zhì)項(xiàng)目副產(chǎn)的28×108m3/a荒煤氣為原料[相較于荒煤氣常規(guī)利用方式——用作燃料(發(fā)電)，生產(chǎn)乙二醇可使荒煤氣的價(jià)值提升3倍左右]，荒煤氣通過壓縮、轉(zhuǎn)化、凈化、變壓吸附生產(chǎn)出乙二醇合成所需的CO和H2，乙二醇生產(chǎn)采用中國五環(huán)工程有限公司、華爍科技股份有限公司、鶴壁寶馬科技集團(tuán)有限公司聯(lián)合開發(fā)的“WHB合成氣制聚酯級乙二醇”第三代專利技術(shù)。

哈密廣匯乙二醇裝置試生產(chǎn)階段，荒煤氣壓縮、轉(zhuǎn)化系統(tǒng)進(jìn)行單系列試車(共分為兩個(gè)系列)，運(yùn)行負(fù)荷較低(低于50%)，為防止冷凍系統(tǒng)丙烯壓縮機(jī)喘振，只能通過開大二回一、二回二防喘振閥的方式來維持其運(yùn)行，出現(xiàn)丙烯壓縮機(jī)一段入口分離器(簡稱一入分離器)液位持續(xù)偏高、一段入口丙烯氣溫度高于設(shè)計(jì)值等問題，嚴(yán)重影響丙烯壓縮機(jī)及冷凍系統(tǒng)等的安全穩(wěn)定運(yùn)行。經(jīng)分析與研究，找到了癥結(jié)所在，進(jìn)行了相應(yīng)的優(yōu)化改造，滿足了丙烯壓縮機(jī)不同工況下穩(wěn)定運(yùn)行的要求。以下對有關(guān)情況作一簡介。

1 丙烯壓縮機(jī)概況

哈密廣匯冷凍系統(tǒng)有1臺丙烯壓縮機(jī)，為乙二醇裝置酸脫系統(tǒng)提供冷量，其型號為26MD750，屬水平剖分結(jié)構(gòu)，六級葉輪從低壓級到高壓級依次排列，分為兩段進(jìn)氣，前三級葉輪為一段(進(jìn)氣)，后三級葉輪為二段(補(bǔ)氣)，設(shè)計(jì)進(jìn)氣壓力為0.107 MPa(A)、排氣壓力為1.83 MPa(A)；丙烯壓縮機(jī)組采用汽輪機(jī)拖動，汽輪機(jī)通過膜片聯(lián)軸器與丙烯壓縮機(jī)聯(lián)結(jié)，為便于安裝找正，汽輪機(jī)、壓縮機(jī)安裝在一個(gè)公共底座上；丙烯壓縮機(jī)設(shè)計(jì)一段進(jìn)氣48 654 m3/h(標(biāo)態(tài)，下同)、二段補(bǔ)氣19 065 m3/h(丙烯壓縮機(jī)設(shè)計(jì)工藝參數(shù)見表1)。工藝上，從丙烯閃蒸罐來的丙烯氣直接進(jìn)入二段壓縮，一段氣體經(jīng)三級壓縮、冷卻后與二段補(bǔ)氣混合進(jìn)入二段，再經(jīng)過三級壓縮后進(jìn)入丙烯冷凝器；機(jī)組共設(shè)計(jì)有2個(gè)防喘振閥，分別設(shè)計(jì)在二回一、二回二管線上，由于二段出口氣溫度較高(89 ℃)，從丙烯閃蒸罐底部引出溫控管線，此股液態(tài)丙烯進(jìn)入二回一、二回二防喘振管線內(nèi)，通過液態(tài)丙烯霧化(液態(tài)丙烯通過軸流式實(shí)心圓錐型噴嘴霧化噴出)閃蒸的冷量對防喘振氣體進(jìn)行降溫，混合降溫后的氣體進(jìn)入一入分離器。

表1 丙烯壓縮機(jī)設(shè)計(jì)工藝參數(shù)

2 運(yùn)行問題

哈密廣匯400 kt/a乙二醇裝置于2021年10月初開始聯(lián)動試車，初始試生產(chǎn)階段，運(yùn)行負(fù)荷較低，酸脫系統(tǒng)閃蒸出來的丙烯氣較少，相應(yīng)地丙烯壓縮機(jī)的運(yùn)行負(fù)荷也較低，為防止機(jī)組喘振，只能通過開大二回一、二回二防喘振閥的方式來維持其運(yùn)行。低負(fù)荷運(yùn)行過程中，丙烯壓縮機(jī)一入分離器液位一直居高不下，并且一段入口丙烯氣溫度高達(dá)10 ℃(遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)值-43 ℃)、二段出口氣溫度高達(dá)120 ℃(遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)值89 ℃)；隨著丙烯溫控管線上閥門開度開大，一入分離器液位快速上漲，為維持丙烯壓縮機(jī)的運(yùn)行，只能頻繁地啟動一入分離器底部的丙烯輸送泵，將一入分離器內(nèi)的液態(tài)丙烯輸送到丙烯儲槽，但此舉會造成如下幾個(gè)方面的不良影響。

2.1 對干氣密封及丙烯系統(tǒng)的影響

丙烯壓縮機(jī)組使用的是串聯(lián)式兩級干氣密封，正常運(yùn)行情況下，一級密封使用的是丙烯壓縮機(jī)二段出口丙烯氣(二段出口氣設(shè)計(jì)溫度為89 ℃，不能超過100 ℃)，而初始試生產(chǎn)階段丙烯壓縮機(jī)二段出口氣溫度高達(dá)120 ℃，如繼續(xù)使用壓縮機(jī)二段出口丙烯氣作為密封氣，會造成干氣密封超溫，對干氣密封里面的O型圈造成嚴(yán)重影響乃至損壞。為防止干氣密封損壞，只能使用氮?dú)庾鳛橐患壝芊鈿猓@樣一來會造成丙烯系統(tǒng)中的氮?dú)庠絹碓蕉?，氮?dú)庾鳛椴荒龤庠谙到y(tǒng)中大量積聚會嚴(yán)重影響丙烯壓縮機(jī)的運(yùn)行，為維持機(jī)組的運(yùn)行，被迫開大不凝氣冷卻器頂部放空閥，在將不凝氣排至火炬的同時(shí)，大量的丙烯氣也被排至火炬，造成丙烯的大量浪費(fèi)。

2.2 對機(jī)組運(yùn)行的影響

由于丙烯壓縮機(jī)組長時(shí)間偏離設(shè)計(jì)參數(shù)運(yùn)行，一入分離器液位偏高，閃蒸的丙烯氣量有限，機(jī)組長期處于喘振區(qū)域附近運(yùn)行，振值一直偏大，會加速丙烯壓縮機(jī)零部件的疲勞，甚至有出現(xiàn)裂紋的風(fēng)險(xiǎn)；并且一入分離器液位偏高，易出現(xiàn)氣體帶液的情況，不利于機(jī)組的安全、穩(wěn)定、長期運(yùn)行。

2.3 對冷凍系統(tǒng)及酸脫系統(tǒng)的影響

正常生產(chǎn)情況下，丙烯壓縮機(jī)二段出口氣經(jīng)丙烯凝汽器冷卻降溫至37 ℃變?yōu)橐簯B(tài)丙烯，送往酸脫系統(tǒng)。由于二段出口氣溫度高達(dá)120 ℃(設(shè)計(jì)值為89 ℃)，而丙烯冷凝器的換熱面積是一定的，入口丙烯氣溫度的升高使得送往酸脫系統(tǒng)的液態(tài)丙烯的溫度達(dá)到40 ℃以上(設(shè)計(jì)值為37 ℃)，造成酸脫系統(tǒng)深冷器溫度降不到設(shè)計(jì)值，凈化氣中H2S、CO2含量一直處于指標(biāo)上限，影響酸脫系統(tǒng)的運(yùn)行，進(jìn)而影響整個(gè)裝置的運(yùn)行。

3 一入分離器液位偏高原因分析及改造方案

3.1 原因分析

丙烯壓縮機(jī)組一入分離器液位偏高問題出現(xiàn)之后，哈密廣匯組織相關(guān)技術(shù)人員與設(shè)計(jì)院、壓縮機(jī)廠家溝通，通過對丙烯壓縮機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)的對比以及咨詢使用類似機(jī)組的相關(guān)企業(yè)，認(rèn)為本丙烯系統(tǒng)的設(shè)計(jì)存在如下方面的問題。

(1)對比分析發(fā)現(xiàn)，許多丙烯壓縮機(jī)組一入分離器為臥式結(jié)構(gòu)，從酸脫系統(tǒng)閃蒸出來的丙烯氣以及防喘振閥過來的丙烯氣均是由設(shè)備下部進(jìn)入，如此設(shè)計(jì)的好處是，即使設(shè)備底部存有一部分液態(tài)丙烯，經(jīng)過與大量丙烯氣的充分混合后，液態(tài)丙烯不但會閃蒸變成氣態(tài)，同時(shí)也對一入分離器內(nèi)的丙烯氣進(jìn)行了降溫；而哈密廣匯冷凍系統(tǒng)的一入分離器為立式結(jié)構(gòu)，從酸脫系統(tǒng)閃蒸出來的丙烯氣以及防喘振閥過來的丙烯氣均是由設(shè)備中部進(jìn)入，這樣丙烯氣就無法與設(shè)備底部的液態(tài)丙烯充分混合，使得設(shè)備底部一直存有液態(tài)丙烯且無法及時(shí)閃蒸為氣態(tài)。

(2)丙烯壓縮機(jī)二回一防喘振管線上的溫控閥和噴嘴設(shè)計(jì)最大噴液量接近54 000 kg/h，但噴嘴距離一入分離器只有5 m，在5 m長的防喘振管線內(nèi)，溫控閥過來的液態(tài)丙烯很難實(shí)現(xiàn)與回流的氣態(tài)丙烯充分混合而汽化，設(shè)計(jì)嚴(yán)重偏離實(shí)際生產(chǎn)所需。

(3)丙烯壓縮機(jī)二回一防喘振溫控管線上設(shè)計(jì)有3個(gè)噴嘴，每個(gè)噴嘴的噴液量約18 000 kg/h，3個(gè)噴嘴的總噴液量約53 960 kg/h，對應(yīng)防喘振氣量為73 199 kg/h，總氣量達(dá)到127 159 kg/h，而設(shè)計(jì)上機(jī)組的進(jìn)氣量為91 399 kg/h(見表1)，3個(gè)噴嘴噴液量對應(yīng)的防喘振總氣量是設(shè)計(jì)進(jìn)氣量的1.39倍。據(jù)計(jì)算，正常生產(chǎn)情況下需要的最大噴液量為36 000 kg/h，對應(yīng)防喘振氣量為55 462 kg/h，總氣量為91 462 kg/h?？梢姡匾环来駵乜毓芫€上噴嘴的設(shè)計(jì)存在問題——噴嘴的噴液量遠(yuǎn)大于實(shí)際生產(chǎn)所需，由此會造成液態(tài)丙烯霧化效果不好，大量的液態(tài)丙烯并沒有被霧化為氣態(tài)，而是以液態(tài)的形式進(jìn)入一入分離器內(nèi)，導(dǎo)致一入分離器液位居高不下。

3.2 優(yōu)化改造方案

3.2.1 幾種備選方案

通過對整個(gè)冷凍系統(tǒng)的分析，一入分離器液位居高不下的根本原因就是二回一防喘振溫控管線內(nèi)的液態(tài)丙烯沒有被充分混合而汽化，為此，分析與討論了如下幾種改造方案。

(1)方案一：將一入分離器由當(dāng)前的立式結(jié)構(gòu)改為臥式結(jié)構(gòu)，從酸脫系統(tǒng)閃蒸出來的丙烯氣以及防喘振閥過來的丙烯氣均由設(shè)備下部進(jìn)入，大量的丙烯氣與設(shè)備底部的液態(tài)丙烯充分混合，使液態(tài)丙烯汽化。

(2)方案二：增加混合段管線長度，使液態(tài)丙烯與氣態(tài)丙烯充分混合而汽化。

(3)方案三：將一入分離器的防喘振回路入口改為內(nèi)伸管形式——內(nèi)伸至一入分離器液位計(jì)下接口處，讓液態(tài)丙烯在一入分離器內(nèi)與丙烯氣充分混合而汽化。

(4)方案四：在噴嘴與一入分離器之間增設(shè)管道混合器，增加丙烯混合汽化空間；同時(shí)，對二回一防喘振溫控管線上噴嘴安裝方式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，由當(dāng)前的3個(gè)噴嘴安裝在同一條管線上改為分成兩路進(jìn)入二回一管線——一路安裝2個(gè)噴嘴、一路安裝1個(gè)噴嘴，分別加裝控制閥，通過節(jié)流的方式增強(qiáng)霧化效果，如此一來，全回流的情況下2個(gè)噴嘴的噴液量加上防喘振氣量即可滿足機(jī)組的運(yùn)行所需，壓縮機(jī)運(yùn)行負(fù)荷50%以上時(shí)從酸脫系統(tǒng)閃蒸出來的丙烯氣與1個(gè)噴嘴的噴液量加上防喘振氣量即可滿足機(jī)組運(yùn)行所需。

3.2.2 優(yōu)化改造方案的確定

對四種優(yōu)化改造方案進(jìn)行反復(fù)比較：方案一，需改動設(shè)備基礎(chǔ)，改動較大，實(shí)施比較困難，且耗時(shí)較長、改造成本較高；方案二，由于現(xiàn)場管線布置緊湊，改造空間受限，難以實(shí)施；方案三，牽涉到壓力容器的改造，且可能造成氣態(tài)丙烯鼓泡時(shí)對液位變送器產(chǎn)生影響——丙烯壓縮機(jī)一入分離器有液位三取二跳車聯(lián)鎖，存在跳車的風(fēng)險(xiǎn)；方案四，改造難度較小、實(shí)施更加方便，且耗時(shí)較短、改造成本較低。綜合各方面的因素及技改實(shí)施的可行性，決定實(shí)施第四種改造方案，具體改造內(nèi)容如圖1。

圖1 改造后丙烯壓縮機(jī)組系統(tǒng)工藝流程簡圖

4 優(yōu)化改造

4.1 第一次改造

據(jù)確定的改造方案，將原先安裝在同一條管線上的3個(gè)噴嘴分開布置，分為兩路，一路設(shè)置2個(gè)噴嘴、一路設(shè)置1個(gè)噴嘴，分別對應(yīng)丙烯壓縮機(jī)不同的運(yùn)行負(fù)荷；同時(shí)，為提高液態(tài)丙烯的霧化效果，在霧化噴嘴后的二回一防喘振管線上增設(shè)1臺管道混合器，并在溫控閥后增設(shè)1個(gè)就地壓力表(便于觀察溫控閥后的實(shí)際壓力)。本項(xiàng)改造于2022年2月完成，整體優(yōu)化結(jié)束后乙二醇裝置于2022年3月重啟，丙烯壓縮機(jī)處于全回流狀態(tài)時(shí)，使用設(shè)置2個(gè)噴嘴的那路管線對二回一氣體進(jìn)行降溫，發(fā)現(xiàn)一入分離器液位依然上漲較快，丙烯壓縮機(jī)一段入口丙烯氣溫度高達(dá)8 ℃、二段出口丙烯氣溫度高達(dá)112 ℃；為檢驗(yàn)噴嘴的實(shí)際噴液量，在丙烯壓縮機(jī)全回流狀態(tài)下，將設(shè)置1個(gè)噴嘴的那路管線全開、設(shè)置2個(gè)噴嘴的那路管線全關(guān)，發(fā)現(xiàn)1個(gè)噴嘴的噴液量加上防喘振氣量即可滿足機(jī)組的運(yùn)行所需，只是一入分離器液位依然較高，一段入口丙烯氣溫度仍高達(dá)5 ℃、二段出口丙烯氣溫度仍高達(dá)105 ℃，但工況有所改善，表明噴嘴的設(shè)計(jì)富裕量太大、霧化效果太差。

4.2 第二次改造

由于第一次改造后沒有達(dá)到預(yù)期效果，哈密廣匯相關(guān)技術(shù)人員與設(shè)計(jì)院、壓縮機(jī)廠家對當(dāng)前使用的噴嘴型號再次進(jìn)行分析與計(jì)算，核算發(fā)現(xiàn)1個(gè)噴嘴在溫控閥30%～47%開度下的過液富裕量為50%～63%，表明流過噴嘴未霧化的液態(tài)丙烯太多；另外，在丙烯壓縮機(jī)全回流狀態(tài)下全開設(shè)置1個(gè)噴嘴的那路管線時(shí)，溫控閥后的就地壓力表示數(shù)為0.6 MPa，與原設(shè)計(jì)的0.6 MPa壓差一致，這就進(jìn)一步表明液態(tài)丙烯帶入一入分離器為噴嘴霧化效果不好所致，雖然第一次改造沒有達(dá)到預(yù)期效果，但是問題有所改善，改造方向是對的，只需對設(shè)置1個(gè)噴嘴的那路管線上的噴嘴進(jìn)行改造——由1個(gè)大流量的噴嘴改為3個(gè)小流量的噴嘴并縮小噴嘴噴吹孔徑(相同的壓差下可增強(qiáng)霧化效果)，設(shè)置2個(gè)噴嘴的那路管線關(guān)閉控制閥即可(其噴嘴不再改造及使用)。

2022年8月乙二醇裝置大修期間對丙烯壓縮機(jī)二回一防喘振溫控管線上的噴嘴再次進(jìn)行改造，2022年9月裝置重啟，對丙烯壓縮機(jī)進(jìn)行了0～50%負(fù)荷的全面試驗(yàn)，機(jī)組在不同的負(fù)荷下，通過調(diào)整防喘振管線溫控閥開度，再也沒有出現(xiàn)過一入分離器液位升高的現(xiàn)象，同時(shí)丙烯壓縮機(jī)各段進(jìn)/出口氣溫度也達(dá)到了設(shè)計(jì)值，完全滿足了機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的要求。技改前后丙烯壓縮機(jī)0～50%負(fù)荷下有關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)的對比見表2。

表2 技改前后丙烯壓縮機(jī)0～50%負(fù)荷下運(yùn)行數(shù)據(jù)的對比

5 結(jié)束語

通過對哈密廣匯丙烯壓縮機(jī)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的一入分離器液位較高、壓縮機(jī)進(jìn)/出口氣溫度較高等問題進(jìn)行分析與研究，找到了癥結(jié)所在；對丙烯壓縮機(jī)防喘振溫控管線進(jìn)行改造以及噴嘴重新設(shè)計(jì)選型后，機(jī)組進(jìn)行了全面的試運(yùn)行；2022年9月丙烯壓縮機(jī)重啟后運(yùn)行至今，期間由于其他裝置生產(chǎn)方面的原因本機(jī)組曾2次運(yùn)行負(fù)荷降至50%以下，通過調(diào)整改造后的防喘振溫控管線，均再未出現(xiàn)過一入分離器液位升高的情況，表明本項(xiàng)改造是成功的，滿足了機(jī)組在不同工況下安全、穩(wěn)定、長周期運(yùn)行的要求，達(dá)到了預(yù)期效果。