煤制甲醇裝置汽驅(qū)離心式壓縮機(jī)運(yùn)行問題及解決

成家琛

(新鄉(xiāng)中新化工有限責(zé)任公司，河南 獲嘉 453800)

0 引 言

新鄉(xiāng)中新化工有限責(zé)任公司(簡(jiǎn)稱中新化工)200 kt/a煤制甲醇裝置(現(xiàn)實(shí)際產(chǎn)能達(dá)300 kt/a)采用航天爐粉煤加壓氣化、低水氣比寬溫耐硫變換、大連理工低溫甲醇洗、華東理工甲醇合成工藝，裝置于2011年11月投產(chǎn)，整體運(yùn)行情況較好；本甲醇裝置中共有2臺(tái)透平驅(qū)動(dòng)(汽驅(qū))的離心式壓縮機(jī)——合成氣壓縮機(jī)和氨冰機(jī)，均由沈陽鼓風(fēng)機(jī)(集團(tuán))有限公司制造，其驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)均為杭州汽輪機(jī)股份有限公司制造，型號(hào)分別為NK32/36/16和NK25/28/25，均采用3.8 MPa、420 ℃過熱蒸汽作為動(dòng)力，汽輪機(jī)與壓縮機(jī)均由膜片式撓性聯(lián)軸器連接。合成氣壓縮機(jī)為一缸兩段八級(jí)葉輪結(jié)構(gòu)，缸體為垂直剖分式，第一段為新鮮氣壓縮段(由7級(jí)葉輪組成)，第二段為循環(huán)氣壓縮段(由1級(jí)葉輪組成)，段間分別設(shè)有中間換熱器和防喘振冷卻器。氨冰機(jī)為兩缸三段十四級(jí)葉輪結(jié)構(gòu)，缸體為水平剖分式，氣氨經(jīng)2次中間冷卻和1次末端冷卻。

合成氣壓縮機(jī)的作用是將來自低溫甲醇洗系統(tǒng)的凈化氣和來自甲醇合成系統(tǒng)的循環(huán)氣進(jìn)行壓縮，然后將工藝氣送至甲醇合成系統(tǒng)，為甲醇合成系統(tǒng)提供符合壓力要求的原料氣和氣體循環(huán)的動(dòng)力；氨冰機(jī)的作用是將低溫甲醇洗系統(tǒng)氨冷器來的-40 ℃氣氨及空分裝置氨冷器來的4 ℃的氣氨進(jìn)行壓縮，將低壓氣氨提高至冷凝壓力，從而為低溫甲醇洗系統(tǒng)和空分裝置提供冷量。合成氣壓縮機(jī)與氨冰機(jī)的安全平穩(wěn)運(yùn)行是保證甲醇裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行的前提。實(shí)際生產(chǎn)中，出現(xiàn)過合成氣壓縮機(jī)組汽輪機(jī)軸振值高、氨冰機(jī)干氣密封氣去火炬壓力高聯(lián)鎖跳車、氣氨管線(U形管低點(diǎn)處)出現(xiàn)液封、氨冰機(jī)低壓缸排氣不足且軸振值高、氨冰機(jī)段間水冷器換熱效果差等問題，采取一系列有針對(duì)性的優(yōu)化改造措施后，保證了機(jī)組的安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)周期運(yùn)行。以下對(duì)有關(guān)情況作一介紹。

1 合成氣壓縮機(jī)組汽輪機(jī)軸振值高

1.1 問題描述

2022年7月合成氣壓縮機(jī)組汽輪機(jī)大修后試機(jī)時(shí)，轉(zhuǎn)速緩慢提升至10 500 r/min(額定轉(zhuǎn)速10 825 r/min)時(shí)，前端軸振值由19.0 μm瞬間漲至69.2 μm、后端軸振值由16.3 μm瞬間漲至71.3 μm，觸發(fā)聯(lián)鎖跳車(聯(lián)鎖值61.9 μm)。反復(fù)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，汽輪機(jī)軸振值存在無預(yù)兆、無規(guī)律性異常波動(dòng)，汽輪機(jī)充分暖機(jī)后緩慢升至額定轉(zhuǎn)速，雖然基本上可以滿足運(yùn)行要求，但其軸振值還是存在異常上漲的情況，且運(yùn)行期間汽輪機(jī)前端汽封存在蒸汽大量外泄的情況。

1.2 原因分析

汽輪機(jī)軸振值高大多源于轉(zhuǎn)子不平衡、轉(zhuǎn)子熱彎曲、儀表故障、止推間隙不達(dá)標(biāo)、蒸汽品質(zhì)差和潤(rùn)滑油品質(zhì)差等。本次大修汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子回裝前已返廠做動(dòng)平衡，盤車和低速運(yùn)行時(shí)軸振值穩(wěn)定，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)振探頭和ITCC控制板均已更換，蒸汽品質(zhì)和潤(rùn)滑油品質(zhì)未見異常，且汽輪機(jī)聯(lián)鎖跳車均為高負(fù)荷時(shí)軸振值瞬間升高觸發(fā)聯(lián)鎖跳車。因此，初步判斷為汽輪機(jī)動(dòng)靜部分摩擦所致，如止推軸瓦間隙偏小、級(jí)間密封有摩擦等。

1.3 解決措施

正常生產(chǎn)時(shí)，系統(tǒng)加/減負(fù)荷過程中合成氣壓縮機(jī)組汽輪機(jī)嚴(yán)格遵循“升壓先升速，降速先降壓”的原則；聯(lián)系上游崗位人員穩(wěn)定氣體組分——控制新鮮氣之氫碳比在2.05～2.15之間；穩(wěn)定動(dòng)力蒸汽壓力在(3.4±0.5)MPa左右，避免汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速因蒸汽壓力波動(dòng)而大幅波動(dòng)繼而影響轉(zhuǎn)子的振值；潤(rùn)滑油溫度控制在(40±1)℃，保證潤(rùn)滑油膜的穩(wěn)定。2022年11月停車后對(duì)合成氣壓縮機(jī)組汽輪機(jī)動(dòng)靜部分進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)如下問題并予以處理。

(1)拆機(jī)對(duì)滑銷系統(tǒng)進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)前端軸承座滑銷頂絲松動(dòng)，通過對(duì)缸體與轉(zhuǎn)子同心度打表測(cè)量，偏差中心0.46 mm，軸承座下沉。于是，按照機(jī)組說明書技術(shù)要求，重新調(diào)整軸承座，找洼窩左0、下+0.02 mm、右0。

(2)拆檢發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子低壓端級(jí)間汽封齒有兩處斷裂，一處斷裂10 cm、一處斷裂1 cm，部分汽封齒存在變形。于是，對(duì)斷裂口進(jìn)行打磨處理，并修正變形的汽封齒。

(3)拆檢發(fā)現(xiàn)前端軸端汽封齒單邊磨損、密封面存在劃痕。于是，測(cè)量漏氣處密封面接觸面積，實(shí)施研磨、涂膠等。

(4)止推間隙標(biāo)準(zhǔn)值0.30～0.38 mm，實(shí)際測(cè)量值0.25 mm，回裝后止推間隙0.30 mm，前后端徑向軸承有輕微拉傷現(xiàn)象。于是，調(diào)整止推間隙，并對(duì)兩端軸瓦重新澆筑巴氏合金。

拆機(jī)檢修情況表明，合成氣壓縮機(jī)組汽輪機(jī)止推間隙小，不能有效地平衡軸向推力，導(dǎo)致動(dòng)靜部分摩擦，使級(jí)間汽封齒發(fā)生變形、斷裂甚至脫落，是軸振值瞬間升高聯(lián)鎖跳車的主要原因；合成氣壓縮機(jī)組汽輪機(jī)軸振值異常波動(dòng)、缸體與轉(zhuǎn)子偏差中心過大、軸承座下沉，導(dǎo)致軸端汽封齒單邊磨損而出現(xiàn)前端汽封漏蒸汽。據(jù)機(jī)組說明書技術(shù)要求重新安裝后，滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)合成氣壓縮機(jī)組汽輪機(jī)前端軸振值20 μm、后端軸振值15.7 μm，軸振值穩(wěn)定無波動(dòng)，前端汽封漏蒸汽問題徹底消除，汽輪機(jī)運(yùn)行狀況良好。

2 氨冰機(jī)干氣密封氣去火炬壓力高聯(lián)鎖跳車

2.1 問題描述

2021年8月，生產(chǎn)過程中甲醇裝置氨冰機(jī)出現(xiàn)干氣密封氣放火炬壓力高觸發(fā)高聯(lián)鎖跳車；另外，在無氨狀態(tài)下開車過程中，切換干氣密封一級(jí)密封氣時(shí)，多次出現(xiàn)觸發(fā)PDT-24B102低壓缸一級(jí)密封氣與放火炬壓差低低聯(lián)鎖和 PDT-24B103低壓缸一級(jí)密封氣與平衡管壓差低低聯(lián)鎖而造成機(jī)組跳車(壓差低報(bào)警值50 kPa、聯(lián)鎖值25 kPa)，跳車前軸振值、位移、軸溫、過濾器壓差均無異常。

2.2 原因分析

(1)氨冰機(jī)三段出口壓力設(shè)計(jì)為1.63 MPa，正常生產(chǎn)時(shí)干氣密封一級(jí)密封氣氣源于此處引出，在無氨狀態(tài)下用8.0 MPa高壓N2作為一級(jí)密封氣氣源。由于存有設(shè)計(jì)缺陷，高壓N2與工藝氣閥門之間未設(shè)計(jì)安裝止回閥，極易造成高壓N2通過一級(jí)密封工藝氣管線向三段出口竄氣，不能有效形成壓差，使氨冰機(jī)沖轉(zhuǎn)完成后干氣密封一級(jí)密封氣氣源的切換難度增大、不易調(diào)節(jié)。

(2)原始設(shè)計(jì)氨冰機(jī)干氣密封氣與機(jī)組的不凝氣均放入冷火炬，拆檢干氣密封放火炬至冷火炬管線法蘭，發(fā)現(xiàn)管道內(nèi)壁有大量白色結(jié)晶狀物質(zhì)。對(duì)系統(tǒng)不凝氣和結(jié)晶物進(jìn)行分析，不凝氣中含甲醇?xì)?，系低溫甲醇洗系統(tǒng)氨冷器列管泄漏帶入冰機(jī)系統(tǒng)所致；結(jié)晶物為碳銨結(jié)晶，長(zhǎng)時(shí)間累積碳銨結(jié)晶堵塞了管道，冷火炬管線背壓升高，致使干氣密封氣不能正常放火炬。

2.3 解決措施

(1)在高壓N2和氨氣切換管線上增設(shè)止回閥，防止一級(jí)密封氣氣源切換時(shí)高壓N2與工藝氣互竄。

(2)將干氣密封氣放火炬管線與系統(tǒng)放空管線斷開，單獨(dú)引至高點(diǎn)放空；低溫甲醇洗系統(tǒng)氨冷器定期定量排氨，以將液氨中的不凝氣(甲醇)排出，降低碳銨結(jié)晶堵塞風(fēng)險(xiǎn)。

上述技改完成后，氨冰機(jī)一級(jí)密封氣氣源切換時(shí)平衡管壓差穩(wěn)定無波動(dòng)，氨冰機(jī)運(yùn)行過程中再未出現(xiàn)過干氣密封氣放炬壓力高聯(lián)鎖跳車現(xiàn)象，保證了氨冰機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3 氣氨管線出現(xiàn)液封

3.1 問題描述

2022年3月，甲醇裝置開車時(shí)，低溫甲醇洗系統(tǒng)醇氨聯(lián)運(yùn)(意指開車時(shí)低溫甲醇洗系統(tǒng)建立甲醇循環(huán)及氨冷器與氨冰機(jī)投運(yùn))初期，多次出現(xiàn)氨冰機(jī)入口氣氨壓力異常降至-36 kPa(正常值-28 kPa)、流量降至18 625 m3/h(標(biāo)態(tài)，下同；設(shè)計(jì)值25 000 m3/h)、氨冰機(jī)發(fā)生喘振等問題，影響低溫甲醇洗系統(tǒng)的降溫速率。

3.2 原因分析

低溫甲醇洗系統(tǒng)開車時(shí)氨冰機(jī)系統(tǒng)管線存在堵塞或過氣不暢，均會(huì)導(dǎo)致上述問題。排查發(fā)現(xiàn)：管道過濾器與氣液分離器前后壓差為3 kPa(正常值<4 kPa)，壓差在正常指標(biāo)范圍內(nèi)，排除過濾器與氣液分離器堵塞的可能；低溫甲醇洗氨冷器至氨冰機(jī)入口壓差為28 kPa(正常值<10 kPa)，壓差遠(yuǎn)超正常值。低溫甲醇洗氨冷器至氨冰機(jī)一段入口氣氨管線不在同一高度，管廊上方有較大的U形管低點(diǎn)，由于氨冰機(jī)喘振時(shí)一段入口分離器會(huì)瞬間滿液，初步判斷液氨可能在氨冷器至氨冰機(jī)一段入口氣氨管線U形管處聚集形成液封，即大量積液造成氨冰機(jī)入口吸入量不足而發(fā)生喘振。

3.3 解決措施

氨冰機(jī)運(yùn)行時(shí)入口為負(fù)壓，入口氣氨管線如有大量積液，需增設(shè)排氨罐排液——均壓后利用位差排液，而后通過泵將液氨送至氨儲(chǔ)槽，但受施工場(chǎng)地限制等因素影響未進(jìn)行設(shè)置排氨罐的改造。為此，2022年11月中新化工在低溫甲醇洗氨冷器至氨冰機(jī)一段入口管廊上方氣氨管線U形管低點(diǎn)底部處開孔，接DN150管線將液氨引至氨冰機(jī)一入管道過濾器前管線上，利用位差將U形管內(nèi)的液氨排至入口過濾器前，且過濾器前低點(diǎn)增設(shè)DN50管線引至中間氨儲(chǔ)槽，即將管廊上方U形氣氨管線低點(diǎn)積液排至中間氨儲(chǔ)槽。排液前，打開氨冰機(jī)一段氣液分離器與中間氨儲(chǔ)槽均壓閥均壓，中間氨儲(chǔ)槽壓力與一段入口壓力相同時(shí)(-28 kPa)，由過濾器前低點(diǎn)導(dǎo)淋向中間氨儲(chǔ)槽排液，排液完成后關(guān)閉導(dǎo)淋閥和均壓閥；中間氨儲(chǔ)槽排液時(shí)，微開氨儲(chǔ)槽至中間氨儲(chǔ)槽充壓閥，將中間氨儲(chǔ)槽緩慢充壓至0.5 MPa(省功器壓力0.4 MPa)，打開中間氨儲(chǔ)槽至省功器排液閥排液，排液完成后關(guān)閉排液閥和充壓閥。為減小排液對(duì)氨冰機(jī)一段入口壓力及溫度的影響，一段氣液分離器與中間氨儲(chǔ)槽均壓閥微開，當(dāng)壓力相等后全開均壓閥。

通過在低溫甲醇洗氨冷器至氨冰機(jī)一段入口管廊U形彎前后增設(shè)聯(lián)通管線，利用位差將排液?jiǎn)栴}解決，既節(jié)約了檢修費(fèi)用，又回收了液氨。本項(xiàng)改造實(shí)施后，徹底解決了因氨冰機(jī)一段入口管線液封而導(dǎo)致的氨冰機(jī)喘振問題，保證了甲醇裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

4 氨冰機(jī)低壓缸排氣不足且軸振值高

4.1 問題描述

2020年9月大修完成系統(tǒng)開車正常后，氨冰機(jī)低壓缸軸振值緩慢持續(xù)增高，由19 μm緩慢漲至52 μm后波動(dòng)頻繁，且滿負(fù)荷下低壓缸排氣壓力僅為0.24 MPa(設(shè)計(jì)值0.40 MPa)，排氣量嚴(yán)重不足，滿足不了生產(chǎn)所需——當(dāng)時(shí)氨冰機(jī)一段入口壓力-26 kPa、一段入口流量19 623 m3/h、一段出口壓力0.24 MPa，二段入口壓力0.23 MPa、二段入口流量23 550 m3/h，三段出口壓力1.03 MPa，低壓缸軸振值52.0 μm。而正常生產(chǎn)時(shí)，氨冰機(jī)一段入口壓力-28 kPa、一段入口流量25 000 m3/h、一段出口壓力0.40 MPa，二段入口壓力0.38 MPa、二段入口流量27 000 m3/h，三段出口壓力1.60 MPa，低壓缸軸振值<41.2 μm。

4.2 原因分析

對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)異常時(shí)氨冰機(jī)運(yùn)行參數(shù)嚴(yán)重偏離正常值，其入口流量和排氣壓力過低。經(jīng)查，入口過濾器壓差、段間水冷器換熱效果、干氣密封泄漏量均無異常，但氨冰機(jī)早期運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)過低壓缸入口濾網(wǎng)碳銨結(jié)晶問題，而一旦氨冰機(jī)低壓缸入口濾網(wǎng)和葉輪結(jié)垢，會(huì)導(dǎo)致氨冰機(jī)打氣量不足。

4.3 解決措施

2021年3月拆檢發(fā)現(xiàn)，氨冰機(jī)氣缸隔板中分面結(jié)垢嚴(yán)重(結(jié)垢物為鐵銹與碳銨結(jié)晶的混合物)且有漏氣痕跡，這應(yīng)該是壓縮比降低、排氣量不足的主要原因之一，且中分面沒有涂膠痕跡，軸承間隙過大(止推軸承間隙設(shè)計(jì)值為0.25～0.35 mm、檢修前為0.45 mm，非驅(qū)動(dòng)端徑向軸承瓦背緊力設(shè)計(jì)值為0.00～0.02 kN、檢修前為0.01 kN)；檢查氨冰機(jī)入口氣液分離器，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部絲網(wǎng)除沫器掉落。分析認(rèn)為，因氨冰機(jī)入口氣液分離器無法有效地進(jìn)行氣液分離，且低溫甲醇洗氨冷器列管漏致氣氨管線出現(xiàn)帶液時(shí)含甲醇液氨進(jìn)入氨冰機(jī)，閃蒸出的CO2氣與氣氨反應(yīng)生成碳銨結(jié)晶，與鐵銹混合后在氣缸隔板中分面累積而形成結(jié)垢。于是，將氨冰機(jī)入口氣液分離器絲網(wǎng)除沫器復(fù)位，對(duì)低溫甲醇洗氨冷器泄漏列管進(jìn)行堵漏，并嚴(yán)格控制氨冷器液位，避免出現(xiàn)氣液夾帶；另外，拆機(jī)吊出轉(zhuǎn)子、上/下缸隔板，轉(zhuǎn)子及隔板除垢、清洗，宏觀檢查并對(duì)中分面重新涂膠；對(duì)于軸承間隙過大的問題，在副止推軸承背面加0.1 mm厚墊片予以調(diào)整，檢修后止推軸承間隙為0.29 mm，在非驅(qū)動(dòng)端徑向軸承瓦背加0.02 mm厚墊子，檢修后非驅(qū)動(dòng)端徑向軸承瓦背緊力為0.02 kN。

檢修后，氨冰機(jī)一段入口壓力-26 kPa、一段入口流量24 300 m3/h、一段出口壓力0.38 MPa，二段入口壓力0.34 MPa、二段入口流量26 322 m3/h，三段出口壓力1.25 MPa，低壓缸軸振值19.0 μm，氨冰機(jī)壓縮比正常，完全滿足了生產(chǎn)所需。

5 氨冰機(jī)段間水冷器換熱效果差

5.1 問題描述

2022年7月，氨冰機(jī)運(yùn)行過程中，低溫甲醇洗氨冷器入口(吸收液甲醇)溫度-46.2 ℃，氨冰機(jī)一段入口壓力漲至-16 kPa(設(shè)計(jì)值為-28 kPa)、入口氣氨流量超量程(量程為25 000 m3/h)，氨冰機(jī)各段間工藝氣(氣氨)溫度升高，機(jī)組出現(xiàn)做功效率下降等現(xiàn)象。

5.2 原因分析

夏季高溫期段間水冷器上/回水溫差變小，氨冰機(jī)一段入口流量超量程，氣氨冷卻后溫度高，由于氨冰機(jī)段間水冷器處于循環(huán)水總管末端，循環(huán)水量不足，且循環(huán)水水質(zhì)差致水冷器部分列管堵塞，造成段間水冷器換熱效果差，大量氣氨不能被冷卻而聚集在段間，影響氨冰機(jī)的正常運(yùn)行，繼而影響低溫甲醇洗系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

5.3 解決措施

在氨冰機(jī)一段/二段/三段水冷器(E2411/E2412/E2413)循環(huán)水上水管線上帶壓開孔DN50(實(shí)際孔徑為DN32)，將溴化鋰制冷機(jī)組冷凍水(溫度20.5 ℃)經(jīng)1臺(tái)管道泵(額定流量80 m3/h，功率7.5 kW)增壓至0.31 MPa后分別補(bǔ)入E2411/E2412/E2413循環(huán)水上水管線內(nèi)，即通過降低氨冰機(jī)段間水冷器循環(huán)水上水溫度提升其換熱效果，以提升氨冰機(jī)負(fù)荷。

溴化鋰制冷機(jī)組冷凍水經(jīng)管道泵補(bǔ)入循環(huán)水上水管線前后E2411/E2412/E2413運(yùn)行情況對(duì)比見表1?？梢钥吹?，在相同大氣溫度和系統(tǒng)負(fù)荷下，E2411/E2412/E2413循環(huán)水上水管線補(bǔ)入冷凍水后，上水溫度下降6 ℃，上/回水溫差增大至約14 ℃，段間水冷器入口氣氨溫度大致下降4～7 ℃，出口氣氨溫度大致下降3～7 ℃。通過增強(qiáng)段間水冷器換熱效果，將段間氣氨進(jìn)行有效冷卻，降低了段間阻力，使氨冰機(jī)進(jìn)氣和排氣更加順暢(氨冰機(jī)一段入口壓力降至-25 kPa、入口流量23 000 m3/h)，低溫甲醇洗氨冷器入口(吸收液甲醇)溫度降至-48.9 ℃。此在線帶壓開孔為3臺(tái)段間水冷器補(bǔ)入冷凍水的優(yōu)化措施，既增強(qiáng)了段間水冷器的換熱效果，又避免了系統(tǒng)被迫停車檢修的問題。

表1 補(bǔ)入冷凍水前后段間水冷器運(yùn)行情況對(duì)比 ℃

6 結(jié)束語

透平驅(qū)動(dòng)(汽驅(qū))離心式壓縮機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性與可靠性，對(duì)中新化工甲醇裝置的運(yùn)行效能有直接而重大的影響。通過對(duì)合成氣壓縮機(jī)和氨冰機(jī)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析與研究，實(shí)施了一系列有針對(duì)性的優(yōu)化改造措施，使氨冰機(jī)干氣密封系統(tǒng)的操作更加安全和便捷、氨冰機(jī)入口氣帶液(氣氨管線出現(xiàn)液封)問題得到徹底解決(再也沒有發(fā)生過因液封問題而導(dǎo)致的機(jī)組喘振)、消除了合成氣壓縮機(jī)組汽輪機(jī)軸振值高及氨冰機(jī)低壓缸排氣不足且軸振值高、氨冰機(jī)段間水冷器換熱效果差等問題，機(jī)組的運(yùn)行更加平穩(wěn)，保證了甲醇裝置的安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)周期、高效運(yùn)行。