丙烯制冷壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速波動的原因及其分析

李慕

(中韓(武漢)石油化工有限公司,湖北 武漢 430070)

中國石化某公司110萬t/a乙烯裝置是國內(nèi)首次在世界級規(guī)模的乙烯全裝置全部采用國產(chǎn)技術(shù)的代表,其中裂解爐選用中石化自主開發(fā)的CBL裂解技術(shù),分離系統(tǒng)選用中石化自主開發(fā)的前脫丙烷前加氫和深冷分離-低能耗分離技術(shù)(LECT)[1]。自2020年底完成乙烯裝置脫瓶頸改造以后,裝置公稱規(guī)模由80萬t/a乙烯改造到110萬t/a乙烯,設(shè)計產(chǎn)能為110萬t/a聚合級乙烯和55萬t/a聚合級丙烯等。

乙烯“三機(jī)”是整個乙烯裝置的核心設(shè)備,有乙烯裝置“心臟”之稱,在整個工藝流程中起到承上啟下的作用。其主要功能是將裂解爐裂解產(chǎn)生的裂解氣經(jīng)過壓縮機(jī)壓縮后提高壓力,一方面是提高深冷分離的溫度,從而節(jié)約低溫能量和低溫材料;另一方面是提前將裂解氣中的水和重?zé)N冷凝出來,減少后系統(tǒng)分離和精餾的負(fù)擔(dān)。因此保證機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行是保持整個乙烯裝置安全、穩(wěn)定、長周期運(yùn)行的關(guān)鍵。

本公司乙烯裝置生產(chǎn)工藝流程簡述如下:裂解爐產(chǎn)生的裂解氣經(jīng)急冷系統(tǒng)后進(jìn)入裂解氣壓縮機(jī)(K-201),裂解氣壓縮機(jī)采用五段壓縮,隨著壓縮機(jī)逐段增壓,裂解氣中的一部分水和重?zé)N經(jīng)段間冷卻器冷凝出來,返回至急冷系統(tǒng),而裂解氣被逐級壓縮至所需壓力后,運(yùn)送至后續(xù)分離系統(tǒng),分離流程采用前脫丙烷前加氫工藝,脫丙烷系統(tǒng)設(shè)置在裂解氣壓縮機(jī)四段排出之后,碳二加氫系統(tǒng)設(shè)置在裂解氣壓縮機(jī)五段排出之后,分別用于分離出裂解氣碳三及其以上組分和脫除炔烴。冰機(jī)制冷系統(tǒng)包括丙烯制冷壓縮機(jī)(K-501)和乙烯制冷壓縮機(jī)(K-601),采用丙烯和乙烯復(fù)迭制冷流程,其中丙烯制冷循環(huán)過程包括壓縮、冷凝、膨脹和蒸發(fā)。丙烯壓縮機(jī)將氣態(tài)丙烯壓縮增壓后,利用冷卻水將氣相丙烯在丙烯冷劑收集罐(D-500)中冷凝成液相丙烯,再利用節(jié)流、膨脹原理,使液態(tài)丙烯在節(jié)流閥中降壓,通過蒸發(fā),使得液態(tài)丙烯在換熱器中蒸發(fā)成氣態(tài),吸收熱量,從而實(shí)現(xiàn)制冷的目的。乙烯制冷壓縮機(jī)出口冷卻器E-601、E-602、E-603A/B是丙烯制冷壓縮機(jī)的重要冷劑用戶,液態(tài)丙烯在節(jié)流閥中節(jié)流降壓吸熱,給乙烯機(jī)系統(tǒng)提高所需的冷劑,從而穩(wěn)定乙烯機(jī)出口壓力。

乙烯裝置丙烯制冷壓縮機(jī)配套汽輪機(jī)是由杭州汽輪機(jī)股份有限公司生產(chǎn)及制造,是采用蒸汽透平驅(qū)動的抽汽凝汽式。機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)時,透平進(jìn)汽工質(zhì)為超高壓蒸汽,高壓缸尾端抽出部分中壓蒸汽。自2020年大修脫瓶頸改造完成后,其額定工況修訂為:汽輪機(jī)進(jìn)汽溫度為515 ℃,進(jìn)汽壓力為11.1 MPa,進(jìn)汽流量為250 t/h,抽汽溫度278 ℃,抽汽壓力為1.85 MPa,抽汽流量為170 t/h,排汽壓力0.017 MPa(A),機(jī)組轉(zhuǎn)速4 020 r/min,汽輪機(jī)額定功率40 015 kW 。

2022年12月13日晚23:29,中控操作室DCS系統(tǒng)監(jiān)測到丙烯制冷壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速在2 s內(nèi)由3 029 r/min降至2 964 r/min,轉(zhuǎn)速下降65 r/min,同時K-501各段吸入流量下降,丙烯壓縮機(jī)和乙烯制冷壓縮機(jī)各防喘振閥大幅動作,K-501一段吸入壓力上漲至滿量程(0.08 MPa),K-601出口因冷劑不足導(dǎo)致出口壓力快速上漲,最高漲至1.94 MPa(聯(lián)鎖值1.99 MPa),系統(tǒng)出現(xiàn)大幅度波動。

1 轉(zhuǎn)速波動原因及其分析

本公司冰機(jī)制冷系統(tǒng)采用丙烯和乙烯復(fù)迭制冷流程,乙烯制冷壓縮機(jī)出口冷卻器E-601、E-602、E-603A/B分別是丙烯制冷壓縮機(jī)三段、二段及一段的冷劑用戶,當(dāng)丙烯機(jī)段間壓力增加時,會直接影響到冷劑制冷效果,造成乙烯機(jī)出口壓力升高。此次轉(zhuǎn)速波動期間,在K-501一段防喘閥打開瞬間,K-501一段吸入壓力將迅速上漲,導(dǎo)致E-603A/B換熱效果嚴(yán)重下降,K-601出口壓力很容易漲至聯(lián)鎖值。因此當(dāng)發(fā)現(xiàn)類似情況時,一定要果斷、迅速打開K-601各放火炬閥,確保乙烯機(jī)不超壓聯(lián)鎖,將K-601出口壓力降至安全范圍內(nèi)再進(jìn)行下一步調(diào)整。同時要盡可能快將丙烯機(jī)異常開啟的各防喘振閥門逐漸關(guān)下來,防止防喘振閥打開后,長時間循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)會導(dǎo)致壓縮機(jī)出口溫度和壓力超高。在此期間還應(yīng)該密切關(guān)注各機(jī)組運(yùn)行情況,防止機(jī)組出現(xiàn)振動大、位移高的情況。隨著K-501恢復(fù)正常,K-601逐漸關(guān)閉系統(tǒng)放火炬閥,系統(tǒng)負(fù)荷逐漸恢復(fù),同時適當(dāng)調(diào)整K-601轉(zhuǎn)速和防喘振閥,避免機(jī)組喘振,系統(tǒng)逐漸往好的方面發(fā)展。

丙烯機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生波動前后重要參數(shù)如表1所示。

表1 丙烯機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生波動前后重要參數(shù)

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況,經(jīng)分析認(rèn)為造成丙烯壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速波動的原因可能有以下幾點(diǎn)。

1.1 人為誤操作

本公司乙烯裝置三套大型壓縮機(jī)機(jī)組調(diào)速控制通過CCC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際生產(chǎn)過程中,由于丙烯制冷壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速未設(shè)性能控制,當(dāng)控制器在自動/就地控制時,操作人員可以在小窗口面板對機(jī)組轉(zhuǎn)速進(jìn)行設(shè)定和調(diào)整,所以存在操作人員誤操作情況發(fā)生的可能性。通過調(diào)查操作時間記錄,并未發(fā)現(xiàn)異常操作,并且根據(jù)汽輪機(jī)二次油壓及V1閥(調(diào)速閥)參數(shù)變化情況,在K-501轉(zhuǎn)速下降時,V1閥油壓由0.270 MPa上漲至0.273 MPa,同時V1閥開度從46.3%配合調(diào)整至48.6%。同時經(jīng)過確認(rèn),現(xiàn)場無儀表操作、無施工、無檢查干擾,由此可以有效排除誤操作等人為原因。

1.2 蒸汽品質(zhì)和潤滑油質(zhì)影響

本公司乙烯裝置“三機(jī)”汽輪機(jī)均以蒸汽為工質(zhì),其中裂解氣壓縮機(jī)透平和丙烯制冷壓縮機(jī)透平的驅(qū)動蒸汽均為超高壓蒸汽。汽輪機(jī)的主要元件是由噴嘴與動葉組成,當(dāng)蒸汽通過噴嘴時,壓力下降,由于體積膨脹而形成高速汽流,從而推動葉輪旋轉(zhuǎn)而做功,蒸汽的熱能轉(zhuǎn)換為汽輪機(jī)的機(jī)械能。進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥V1閥控制著主蒸汽的進(jìn)入量,進(jìn)而調(diào)整轉(zhuǎn)速,所以當(dāng)蒸汽壓力出現(xiàn)大幅度波動時,也會對機(jī)組運(yùn)行造成巨大沖擊。通過分析波動前后蒸汽管網(wǎng)壓力情況,在K-501轉(zhuǎn)速下降時,蒸汽管網(wǎng)壓力從11.58 MPa上漲至11.62 MPa,屬于正常范圍內(nèi)的波動。同時乙烯壓縮機(jī)未出現(xiàn)異常波動,機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn),因此本次波動事件基本可以排除是蒸汽品質(zhì)的影響。

潤滑油系統(tǒng)是乙烯“三機(jī)”的重要輔助系統(tǒng),三大機(jī)組均采用獨(dú)立的潤滑油系統(tǒng)[2]。通過分析波動前后歷史記錄,潤滑油及控制油的溫度、油壓均穩(wěn)定,油泵出口過濾器壓差正常,同時對潤滑油油質(zhì)進(jìn)行取樣,分析潤滑油的運(yùn)行黏度、破乳化值等各項(xiàng)參數(shù)均在檢驗(yàn)值控制范圍內(nèi),未出現(xiàn)油質(zhì)變質(zhì)等情況,滿足機(jī)組運(yùn)行要求,所以可以排除潤滑油質(zhì)的影響。

1.3 工藝操作波動影響

對于CCC控制系統(tǒng),如果一段吸入壓力和轉(zhuǎn)速投用性能控制,控制器在自動/串級控制狀態(tài)下,轉(zhuǎn)速只能通過一段吸入壓力來調(diào)節(jié),所以當(dāng)裝置負(fù)荷變化時,為穩(wěn)定一段吸入壓力,轉(zhuǎn)速會自動配合調(diào)整。本公司乙烯裝置僅K-201轉(zhuǎn)速投用性能控制,K-501和K-601轉(zhuǎn)速控制器在自動/就地控制,SP值為轉(zhuǎn)速設(shè)定值,當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷變化時,K-501轉(zhuǎn)速不會配合負(fù)荷自動調(diào)整。同時通過分析轉(zhuǎn)速波動前后K-201系統(tǒng)轉(zhuǎn)速及各段吸入和排出壓力、流量等參數(shù),無任何明顯的變化,因此可以排除工藝負(fù)荷變化的影響。

當(dāng)壓縮機(jī)吸入流量不足時會出現(xiàn)氣流不穩(wěn)定工況,機(jī)組在喘振工況下運(yùn)行會出現(xiàn)劇烈的振動,這將對機(jī)組造成嚴(yán)重的傷害。防喘振控制是對壓縮機(jī)機(jī)組的一種保護(hù),它在機(jī)組工況點(diǎn)進(jìn)入喘振區(qū)前通過提前打開防喘振閥,通過提高吸入流量使工況點(diǎn)回歸到正常工作區(qū)。本公司乙烯裝置三套大型壓縮機(jī)機(jī)組防喘振控制通過CCC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn),“三機(jī)”均采用壓縮機(jī)排出氣返回入口來防止機(jī)組喘振,其中丙烯制冷壓縮機(jī)設(shè)計為一缸四段壓縮及四個防喘振系統(tǒng)。對于轉(zhuǎn)速投用性能控制的K-201機(jī)組,如果防喘振閥門出現(xiàn)“偷開”現(xiàn)象會造成吸入流量瞬間增大,造成壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速配合調(diào)整降低。而K-501和K-601轉(zhuǎn)速控制器在自動/就地控制,防喘振閥門異常開啟會引起中間冷劑用戶冷量不足,但不會引起轉(zhuǎn)速異常波動,同時在轉(zhuǎn)速波動期間現(xiàn)場閥門未見異常動作,因此可以排除防喘振閥門故障的影響。

1.4 電液轉(zhuǎn)換器故障

電液轉(zhuǎn)換器是汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的重要組成部分之一。汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理為當(dāng)轉(zhuǎn)速探頭測得實(shí)際轉(zhuǎn)速后,調(diào)速器將目標(biāo)轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速之間的差值轉(zhuǎn)變成電信號,電信號送入現(xiàn)場的電液轉(zhuǎn)換器,電液轉(zhuǎn)換器將電信號轉(zhuǎn)換成二次油壓輸出,二次油壓變動給油動機(jī)提供動力帶動V1閥進(jìn)行調(diào)整,從而使得實(shí)際轉(zhuǎn)速很快穩(wěn)定至目標(biāo)設(shè)定轉(zhuǎn)速,由此實(shí)現(xiàn)調(diào)速的目的[3]。

根據(jù)系統(tǒng)波動前后數(shù)據(jù)分析得知,K-501轉(zhuǎn)速下降時,V1閥二次油壓迅速響應(yīng),由0.27 MPa上漲至0.273 MPa,同時V1閥輸出值由46.3%增至48.6%,與輸出指令變化趨勢相符,即CCC控制系統(tǒng)輸出電信號通過電液轉(zhuǎn)換器對二次油壓信號起到控制作用,說明控制油系統(tǒng)正常,電液轉(zhuǎn)換器工作正常。于是可排除電液轉(zhuǎn)換器故障影響。

1.5 汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥V1閥卡澀

K-501汽輪機(jī)V1調(diào)節(jié)汽閥由調(diào)節(jié)閥、傳動機(jī)構(gòu)和油動機(jī)三部分組成。調(diào)節(jié)閥包括閥桿、閥梁、閥碟、閥座組成;傳動機(jī)構(gòu)由支架和杠桿組成;油動機(jī)由錯油門和油缸組成[4]。根據(jù)汽輪機(jī)汽缸結(jié)構(gòu)和不同工況下的要求,V1閥配備4只噴嘴調(diào)節(jié)閥,屬于單端進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥。

針對轉(zhuǎn)速發(fā)生波動后,對現(xiàn)場V1閥閥位、行程、二次油壓進(jìn)行對比,數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 轉(zhuǎn)速發(fā)生波動后V1閥閥位、行程、二次油壓情況

通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn),二次油壓在0.266～0.278 MPa,中控閥位在44.8%～48.1%變化,但現(xiàn)場反饋桿標(biāo)尺行程始終是18 mm,這說明在此期間V1閥未實(shí)際動作,存在卡澀情況。由此基本可以判定此次波動事故是由于汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥V1閥卡澀造成的。

2 采取措施

通過分析丙烯制冷壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速波動的原因,并結(jié)合杭汽提供的調(diào)節(jié)閥性能曲線,發(fā)現(xiàn)當(dāng)二次油壓在0.269～0.278 MPa時,正好處于V1閥4個噴嘴調(diào)節(jié)閥中的調(diào)節(jié)閥Ⅱ閥芯全開,Ⅲ閥芯微開狀態(tài),此時對閥芯沖擊較大,會直接造成V1卡澀而影響轉(zhuǎn)速波動。針對這一主要原因,制定了一系列應(yīng)對措施,主要是針對調(diào)整丙烯制冷壓縮機(jī)V1閥開度,以確保生產(chǎn)調(diào)整時不發(fā)生劇烈波動。

2.1 調(diào)整工藝操作

在實(shí)際生產(chǎn)過程中,丙烯制冷壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速未設(shè)性能控制,當(dāng)控制器在自動/就地控制時,可手動調(diào)整轉(zhuǎn)速,控制器輸出值OP即為V1閥開度;抽氣控制器設(shè)手動控制,控制器輸出值OP即為V2閥開度。

1)為保證丙烯制冷壓縮機(jī)V1閥開度不低于50%,在機(jī)組運(yùn)行情況允許的條件下,可以通過調(diào)整V2閥開度,讓機(jī)組多抽氣進(jìn)而提高進(jìn)氣量,V1閥將配合開大;

2)在實(shí)際生產(chǎn)負(fù)荷允許的條件下,可以通過調(diào)整K-501段間壓力平衡閥來提高一段吸入壓力,再手動提高機(jī)組轉(zhuǎn)速進(jìn)而提高V1閥開度;

3)統(tǒng)一操作人員調(diào)整思路,制定丙烯制冷壓縮機(jī)工藝操作指令單,并下發(fā)至班組,同時進(jìn)行培訓(xùn)交底。

2.2 蒸汽品質(zhì)及潤滑油油質(zhì)控制

1)本公司乙烯裝置超高壓蒸汽有兩個來源,一是乙烯工程界區(qū)內(nèi)的熱電裝置提供,二是由乙烯裝置內(nèi)裂解廢鍋產(chǎn)生的超高壓蒸汽,蒸汽品質(zhì)對透平的穩(wěn)定運(yùn)行影響較大[5]。根據(jù)單位統(tǒng)籌協(xié)調(diào)動力鍋爐超高壓蒸汽溫度控制在515 ℃,丙烯制冷壓縮機(jī)透平入口蒸汽壓力穩(wěn)定在11.1 MPa以上,確保蒸汽品質(zhì)滿足丙烯制冷壓縮機(jī)透平運(yùn)行要求;

2)穩(wěn)定丙烯制冷壓縮機(jī)透平抽汽量和復(fù)水量,使其不發(fā)生大幅度波動;

3)潤滑油系統(tǒng)是機(jī)組的重要輔助系統(tǒng),潤滑油質(zhì)量的好壞對機(jī)組的安全運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。如果潤滑油含水,會造成閥門發(fā)生卡澀現(xiàn)象;如果潤滑油含雜質(zhì),會影響二次油輸出,嚴(yán)重危害機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此在生產(chǎn)過程中要嚴(yán)格控制潤滑油各項(xiàng)指標(biāo),保證油的運(yùn)行黏度、閃點(diǎn)、傾點(diǎn)、水分、破乳化值、機(jī)械雜質(zhì)含量均在檢驗(yàn)指標(biāo)控制范圍內(nèi),同時操作過程中避免油溫過高或者過低造成潤滑油變質(zhì)等情況出現(xiàn)。

2.3 管理措施

2.3.1 強(qiáng)化機(jī)組管理

1)機(jī)組特護(hù)運(yùn)行。加強(qiáng)對K-501汽輪機(jī)進(jìn)行特護(hù)監(jiān)護(hù),實(shí)時監(jiān)控V1閥狀態(tài),并對油門、油缸、杠桿連接處進(jìn)行檢查;

2)V1閥閥位檢測。為了提高操作人員在實(shí)際生產(chǎn)過程中對V1閥閥位變化的警覺性,在操作畫面上增設(shè)V1閥閥位低報警,報警值在50%;

3)對K-501防喘振裕度進(jìn)行重新實(shí)測,防止由于裕度過小而造成防喘振閥門開啟,引起機(jī)組波動;

4)根據(jù)特護(hù)指令進(jìn)行操作,定期聯(lián)系機(jī)電儀等專業(yè)人員對機(jī)組設(shè)備進(jìn)行綜合檢查。

2.3.2 班組加強(qiáng)監(jiān)控

崗位操作人員密切關(guān)注丙烯機(jī)V1、V2閥開度變化情況,中控和現(xiàn)場必須按照要求每班進(jìn)行核對,加大巡檢力度,做到重點(diǎn)部位重點(diǎn)監(jiān)測,并做好相應(yīng)記錄,如出現(xiàn)異常,及時匯報技術(shù)人員,并根據(jù)下達(dá)的具體調(diào)整指令單進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

2.3.3 做好生產(chǎn)穩(wěn)定工作

乙烯裝置前后崗位加強(qiáng)配合,及時溝通,保證裝置負(fù)荷不發(fā)生大幅度波動,確保乙烯裝置不發(fā)生非計劃停工。

3 結(jié)論

在實(shí)際生產(chǎn)過程中,轉(zhuǎn)速異常波動會直接威脅到大機(jī)組設(shè)備的安全運(yùn)行,嚴(yán)重時將直接導(dǎo)致非計劃停工等現(xiàn)象。對于連續(xù)生產(chǎn)的化工行業(yè)來說,生產(chǎn)過程中一旦出現(xiàn)非計劃停車事故,物料排放火炬會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失,同時還有可能對設(shè)備造成不可逆的傷害,這將為企業(yè)的長周期運(yùn)行和安全生產(chǎn)帶來巨大的隱患。本文通過剖析實(shí)際生產(chǎn)案例,分析可能引起機(jī)組轉(zhuǎn)速波動的原因,可為實(shí)際生產(chǎn)提供指導(dǎo)意義,通過統(tǒng)一調(diào)整思路,優(yōu)化工藝操作,加強(qiáng)班組人員對V1閥開度的監(jiān)測;嚴(yán)控蒸汽品質(zhì),確保蒸汽品質(zhì)滿足大機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行;嚴(yán)格控制潤滑油各項(xiàng)指標(biāo)均在檢驗(yàn)指標(biāo)控制范圍內(nèi);強(qiáng)化機(jī)組管理,加強(qiáng)操作人員培訓(xùn),避免誤操作等措施,為大機(jī)組長周期安全運(yùn)行保駕護(hù)航。