郭飛虎

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

0 前言

裂解氣壓縮機(jī)組是乙烯裝置的核心動(dòng)設(shè)備,其作用是通過(guò)對(duì)乙烯裝置上游原料的壓縮使裂解氣的壓力得到提升,以滿足后序深冷分離工藝的要求,從而節(jié)約乙烯裝置深冷分離階段的冷量[1]。乙烯裝置開(kāi)車過(guò)程中,裂解氣壓縮機(jī)組能否順利啟動(dòng)對(duì)乙烯裝置的實(shí)物料運(yùn)行起著重要的作用[2]。為減小乙烯裝置開(kāi)車前期的火炬排放,近年來(lái)各石化企業(yè)開(kāi)始采用氮?dú)?、天然氣等介質(zhì)取代裂解氣來(lái)進(jìn)行壓縮機(jī)開(kāi)車[3]。采用氮?dú)忾_(kāi)車能消除后續(xù)深冷分離系統(tǒng)在開(kāi)車時(shí)的泄露,降低裂解氣物料在開(kāi)車階段的消耗[4]。

某石化公司乙烯裝置用裂解氣壓縮機(jī)組自2005年開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn),由于近年來(lái)的裂解原料越來(lái)越輕烴化,因此裂解產(chǎn)物(裂解氣)的分布也相應(yīng)輕質(zhì)化,表現(xiàn)為裂解氣工藝氣的平均分子量明顯變輕。因此裝置在相同乙烯產(chǎn)能下所需處理的裂解氣原料的質(zhì)量流量明顯增加,裂解氣壓縮機(jī)的處理能力也需提升,原壓縮機(jī)組處理能力的瓶頸也越來(lái)越明顯[5]。

為適應(yīng)裂解氣原料氣組分的變化并優(yōu)化壓縮機(jī)的運(yùn)行參數(shù),2014年由原壓縮機(jī)設(shè)備制造廠對(duì)原機(jī)組進(jìn)行了升級(jí)改造。改造后機(jī)組于2016年在用戶現(xiàn)場(chǎng)安裝完畢并進(jìn)行裝置開(kāi)車調(diào)試。本文就改造后裂解氣壓縮機(jī)組在氮?dú)忾_(kāi)車過(guò)程中存在的問(wèn)題進(jìn)行分析,并提出有針對(duì)性的解決措施。

1 過(guò)程描述

1.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

改造后裂解氣壓縮機(jī)由3缸4段13級(jí)組成。其中低壓缸為第1段,2級(jí)葉輪雙吸背靠背布置(2+2)。中壓缸為第2段和3段,5級(jí)葉輪背靠背布置(2+3)。高壓缸為第4段,6級(jí)葉輪順排布置。壓縮機(jī)組1、2、3段為一個(gè)防喘振回路,4段為單獨(dú)防喘振回路,3段出口和4段出口均設(shè)置有單向閥。裂解氣壓縮機(jī)流程見(jiàn)圖1。

裂解氣壓縮機(jī)在實(shí)物料運(yùn)轉(zhuǎn)之前通常需要進(jìn)行氮?dú)夤r運(yùn)轉(zhuǎn),通過(guò)氮?dú)夤r使整個(gè)系統(tǒng)管網(wǎng)壓力提升以滿足壓縮機(jī)后續(xù)管道、設(shè)備的氣體密封性試驗(yàn)壓力需求或其后深冷分離所需的預(yù)冷壓力需求。裂解氣壓縮機(jī)在氮?dú)夤r運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),2個(gè)防喘振回路單獨(dú)運(yùn)行。在氮?dú)夤r開(kāi)車之前,通過(guò)外部管網(wǎng)對(duì)上述系統(tǒng)進(jìn)行氮?dú)獬鋲褐?20 kPa左右,在機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中根據(jù)壓縮機(jī)1段吸入罐體所測(cè)量的氮?dú)鈮毫χ?隨時(shí)通過(guò)外部管網(wǎng)向吸入罐補(bǔ)充氮?dú)狻５獨(dú)忾_(kāi)車工況設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 裂解氣壓縮機(jī)流程簡(jiǎn)圖Fig.1 Simplified process diagram of cracking gas compressor

表1 氮?dú)忾_(kāi)車工況設(shè)計(jì)參數(shù)表

Tab.1 Expected design parameters for nitrogen operating conditions

設(shè)計(jì)參數(shù)1段2段3段4段工作轉(zhuǎn)速/(r·min-1)4 6004 6004 6004 600入口流量/(t·h-1)180180180180入口壓力/kPa(a)120.0212.7385.3578.4出口壓力/kPa(a)234.3409.8729.41 256.9一階臨界轉(zhuǎn)速/(r·min-1)2 7132 3562 3562 985

1.2 開(kāi)車過(guò)程

開(kāi)車前關(guān)閉系統(tǒng)前后切斷閥對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行氮?dú)獬鋲?同時(shí)防喘振閥門全開(kāi)。現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組盤車確認(rèn)后按照汽輪機(jī)升速曲線進(jìn)行升速,在升速過(guò)程中隨時(shí)關(guān)注壓縮機(jī)組以及汽輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)振動(dòng)、位移等狀態(tài)參數(shù)并及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。機(jī)組升速曲線見(jiàn)圖2。

圖2 機(jī)組升速曲線圖Fig.2 Acceleration curve of unit

啟動(dòng)時(shí)整個(gè)機(jī)組升速具體過(guò)程為:

1)從0轉(zhuǎn)速開(kāi)始,以300 r/min的速率升速至 800 r/min 并保持此轉(zhuǎn)速對(duì)汽輪機(jī)進(jìn)行一次暖機(jī),正常冷態(tài)啟動(dòng)下暖機(jī)30 min,熱態(tài)啟動(dòng)下暖機(jī)15 min;

2)以300 r/min的速率升速至 1 800 r/min并保持此轉(zhuǎn)速進(jìn)行二次暖機(jī),冷態(tài)啟動(dòng)下暖機(jī)6 min,熱態(tài)啟動(dòng)下暖機(jī)12 min;

3)以 1 800 r/min的速率快速通過(guò)臨界轉(zhuǎn)速區(qū)域后在最低運(yùn)行轉(zhuǎn)速 3 600 r/min下保持此轉(zhuǎn)速穩(wěn)定,冷態(tài)啟動(dòng)下穩(wěn)定6 min,熱態(tài)啟動(dòng)下穩(wěn)定12 min,之后機(jī)組轉(zhuǎn)速由調(diào)速系統(tǒng)接管進(jìn)行自動(dòng)控制。

1.3 存在問(wèn)題

機(jī)組按照上述過(guò)程進(jìn)行氮?dú)忾_(kāi)車工況的試運(yùn)轉(zhuǎn),共運(yùn)行了數(shù)次均未達(dá)到預(yù)期的試驗(yàn)結(jié)果,氮?dú)忾_(kāi)車均未成功。氮?dú)忾_(kāi)車試運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),壓縮機(jī)各段實(shí)際運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 氮?dú)忾_(kāi)車工況實(shí)際運(yùn)行參數(shù)表

Tab.2 Actual operating parameters of nitrogen operating conditions

實(shí)際運(yùn)行參數(shù)1段2段3段4段工作轉(zhuǎn)速/(r·min-1)3 6003 6003 6003 600入口流量/(t·h-1)245.4232.5169.8127.2入口壓力/kPa(a)167.5251.0341.0661.0出口壓力/kPa(a)2613614011 111

問(wèn)題具體表現(xiàn)為:

1)機(jī)組升速在跨過(guò)臨界轉(zhuǎn)速區(qū)域并升速至 3 600 r/min左右后,壓縮機(jī)低壓缸出現(xiàn)喘振跡象。主要表現(xiàn)是壓縮機(jī)1段入口流量不穩(wěn)定、壓力波動(dòng)明顯,但低壓缸整體振幅較穩(wěn)定。由于判斷壓縮機(jī)1段已出現(xiàn)了喘振現(xiàn)象,之后沒(méi)有再繼續(xù)提升機(jī)組轉(zhuǎn)速,并手動(dòng)降速停車。多次氮?dú)庠囓嚲嬖谏鲜鰡?wèn)題,始終未通過(guò)氮?dú)忾_(kāi)車運(yùn)轉(zhuǎn)。

2)中壓缸驅(qū)動(dòng)側(cè)(壓縮機(jī)3段)振動(dòng)相對(duì)較大,轉(zhuǎn)子振幅在20 μm左右。

3)低壓缸(壓縮機(jī)1段)發(fā)生喘振時(shí),壓縮機(jī)入口兩側(cè)出現(xiàn)偏流現(xiàn)象,通過(guò)測(cè)量發(fā)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)側(cè)入口管線溫度比非驅(qū)動(dòng)側(cè)高10 ℃左右。

2 過(guò)程分析

以氮?dú)忾_(kāi)車工況運(yùn)行時(shí)所采集的各段運(yùn)行數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行整理分析:

1)壓縮機(jī)1～3段為一個(gè)閉式循環(huán)回路,各段之間僅有冷卻器、分離器和吸入、排出管線,氮?dú)夤r運(yùn)行時(shí)各段間冷卻后也不會(huì)有析出。但實(shí)際氮?dú)夤r運(yùn)行時(shí)1段和2段入口流量比較接近,3段入口流量?jī)H為1、2段的70 %左右,流量差異非常明顯。因此,懷疑壓縮機(jī)2段出口至3段入口之間管線有堵塞或大面積露點(diǎn)。

2)從壓縮機(jī)低壓缸入口流量和壓力的變化推測(cè)驅(qū)動(dòng)側(cè)發(fā)生了喘振。

3)由于氮?dú)夤r運(yùn)行時(shí)實(shí)際轉(zhuǎn)速并未達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速,各段壓比均未達(dá)到設(shè)計(jì)值。但3段壓比下降趨勢(shì)更明顯,不能和1、2段壓比變化趨勢(shì)相吻合。

4)壓縮機(jī)4段入口壓力高于3段出口壓力。

針對(duì)上述開(kāi)車過(guò)程中，壓縮機(jī)組出現(xiàn)的典型現(xiàn)象進(jìn)行分析:

1)首先,對(duì)段間管線進(jìn)行徹底排查,排除管線及段間設(shè)備存在露點(diǎn)的可能。

2)此機(jī)組在檢修期間,曾發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)2段出口至冷卻器之前管線內(nèi)部有嚴(yán)重結(jié)焦。業(yè)主確認(rèn)在檢修期間并未清理徹底,并且，這部分管線中存留的清洗積液未徹底排凈。初步分析可能是此部分管線內(nèi)部積液導(dǎo)致壓縮機(jī)2～3段之間管線阻塞,使得管網(wǎng)損失加大、3段流量偏小。

3)對(duì)壓縮機(jī)低壓缸入口壓力和流量的歷史趨勢(shì)進(jìn)行分析,推斷驅(qū)動(dòng)側(cè)發(fā)生了喘振。同時(shí)通過(guò)測(cè)定低壓缸入口管線溫度,驅(qū)動(dòng)側(cè)入口溫度明顯較高也印證了這一點(diǎn)。由于低壓缸為雙進(jìn)氣結(jié)構(gòu)(兩側(cè)單獨(dú)同時(shí)吸氣、中間混合后排氣),氮?dú)忾_(kāi)車時(shí)壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)側(cè)管線發(fā)生了偏流現(xiàn)象。而偏流最根本的原因是壓縮機(jī)發(fā)生了喘振，氣體無(wú)法按照預(yù)期經(jīng)過(guò)1段葉輪壓縮往下游走,而發(fā)生從驅(qū)動(dòng)側(cè)出口到入口的回流,也就是此時(shí)測(cè)得的驅(qū)動(dòng)側(cè)入口溫度實(shí)際上是喘振發(fā)生后、氣體出口氣體回流到入口時(shí)的溫度[6]。

4)由于轉(zhuǎn)子重量較重,在喘振發(fā)生時(shí)低壓缸振動(dòng)并不明顯。也就是并非壓縮機(jī)喘振時(shí)一定會(huì)產(chǎn)生較大的振幅。

5)氮?dú)忾_(kāi)車工況運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)3段出口防喘振全開(kāi),使段出口有明顯的泄壓效應(yīng),導(dǎo)致測(cè)得的3段出口壓力偏低。也就是此時(shí)測(cè)得的3段出口壓力并非真實(shí)的壓縮后的3段出口壓力,因此3段壓比不能很好與1、2段匹配。

6)氮?dú)忾_(kāi)車工況運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)各防喘振閥全開(kāi),但壓縮機(jī)3段出口管線至4段入口管線之間設(shè)有單向閥,所以實(shí)際上1-2-3段和4段為兩個(gè)單獨(dú)的循環(huán)回路。實(shí)際運(yùn)行時(shí)4段流量嚴(yán)重偏小,使4段壓比偏高。因此導(dǎo)致測(cè)量的4段入口壓力偏高并超過(guò)3段出口壓力為正常現(xiàn)象。由于4段壓力較高，超過(guò)3段出口壓力,使3段出口背壓過(guò)高,這也是導(dǎo)致低壓缸喘振的原因之一。

3 解決措施

1)對(duì)壓縮機(jī)2段出口至3段入口之間的管線進(jìn)行排液。將上述管線積液全部排空后再次進(jìn)行氮?dú)夤r試車,但之前問(wèn)題并沒(méi)有改善,故判斷不是管線積液的原因。

2)增加3返1旁路手動(dòng)防喘振閘閥。在氮?dú)庠囘\(yùn)轉(zhuǎn)停機(jī)后,發(fā)現(xiàn)原3返1防喘振閥門出口側(cè)積滿雜質(zhì),懷疑此管線嚴(yán)重堵塞導(dǎo)致原3返1防喘振閥門回流不暢。因此拆換此閥進(jìn)行清理,并增加手動(dòng)閘閥旁路。判斷為檢修期間管線吹掃不徹底,管網(wǎng)阻力過(guò)大。

3)對(duì)各段間管線及設(shè)備重新清理,徹底清除結(jié)焦,以降低壓縮機(jī)各段間管網(wǎng)阻力。

采取以上措施后,重新進(jìn)行氮?dú)忾_(kāi)車工況試驗(yàn)。機(jī)組從零轉(zhuǎn)速升速至 4 600 r/min過(guò)程中,壓縮機(jī)組機(jī)械運(yùn)行參數(shù)穩(wěn)定,壓縮機(jī)3個(gè)缸轉(zhuǎn)子振幅最大值不超過(guò)18 μm。此時(shí)穩(wěn)定機(jī)組轉(zhuǎn)速,對(duì)設(shè)備后續(xù)管網(wǎng)及設(shè)備進(jìn)行氮?dú)鈿饷苄栽囼?yàn),試驗(yàn)合格后氮?dú)夤r運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)束。

4 方案分析

通過(guò)增加3返1旁路手動(dòng)防喘振閘閥以及清除壓縮機(jī)出口管道,以降低后續(xù)管網(wǎng)阻力,從而消除機(jī)組在升速過(guò)程中的壓縮機(jī)1段喘振現(xiàn)象。針對(duì)上述方案進(jìn)行分析:

1)隨著氣體被壓縮,壓縮機(jī)1、2段和3段依次往后葉輪的流量變化較大,流量系數(shù)逐級(jí)、逐漸降低[7]。在實(shí)際升速過(guò)程某一特定轉(zhuǎn)速下,3段葉輪已經(jīng)達(dá)到阻塞流量而1段入口仍未達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)流量。相當(dāng)于1、2段后續(xù)出口管網(wǎng)阻塞,無(wú)法吸入更多氣體從而使1段發(fā)生喘振現(xiàn)象,而非1段入口氣量不足而導(dǎo)致的喘振。

2)通過(guò)在3段出口增加防喘振管線,提升1-2-3段氣體循環(huán)流體能力、降低3段出口背壓,從而緩解壓縮機(jī)1段因后續(xù)流道堵塞(背壓過(guò)高)而導(dǎo)致的喘振。

3)偏流現(xiàn)象發(fā)生時(shí)有壓縮機(jī)入口為雙進(jìn)氣結(jié)構(gòu),兩側(cè)入口流量、溫度、壓力均存在較大偏差,某側(cè)入口溫度高而流量低,雙吸段流量與后續(xù)段流量不匹配[8]等典型特征。通過(guò)增加3返1旁路手動(dòng)防喘振閘閥回流管線,低壓缸喘振的現(xiàn)象得以消除,上述偏流現(xiàn)象也未再次出現(xiàn)。

4)在選擇防喘振閥時(shí)要考慮在正常運(yùn)行時(shí)由于防喘振閥前后壓差較大，導(dǎo)致閥門回流量較大;而開(kāi)車過(guò)程中,閥門前壓差沒(méi)有建立起來(lái),由于閥門前后壓差較小會(huì)導(dǎo)致回流量較低[9]。同時(shí)如果壓縮機(jī)出口高壓氣體不能及時(shí)通過(guò)防喘振管線平衡壓力,則有可能會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)組反轉(zhuǎn)[10]。

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)裂解氣壓縮機(jī)在氮?dú)夤r開(kāi)車過(guò)程中發(fā)生的問(wèn)題以及原因進(jìn)行了分析,在后續(xù)開(kāi)車時(shí)采取有針對(duì)性的改善措施,完成了裂解氣機(jī)組的氮?dú)忾_(kāi)車。為裂解氣機(jī)組氮?dú)忾_(kāi)車提供了思路。

1)壓縮機(jī)出口管道阻力偏大,會(huì)影響壓縮機(jī)正常運(yùn)行,嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致機(jī)組喘振。尤其對(duì)于改造機(jī)組,更應(yīng)該注意管道阻力是否滿足原設(shè)計(jì)值。

2)針對(duì)出口壓力高、系統(tǒng)管道容積大的機(jī)組,在防喘振閥的選型時(shí),不僅要考慮壓縮機(jī)防喘振的需要,還要考慮系統(tǒng)管道壓力匹配的問(wèn)題。

3)在壓縮機(jī)組選型及系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),對(duì)于前、后段流量系數(shù)偏差較大的機(jī)組,應(yīng)在流量變化較大的段之間增設(shè)必要的防喘振回流管線。