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品氣壓縮機組一套，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品進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)度的不同進行提純，得到高純度聚合級乙烯、聚合級丙烯等產品。同時在壓縮過程中，實現(xiàn)介質的初步分離：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)負荷，同時也節(jié)能。但自該機組原始開機以來，便存在著機組原動機中壓汽輪機的蒸汽實際消耗量較設計值偏大約17% 的情況，直接表現(xiàn)即為機組100% 負荷下四返四防喘閥開度必須維持60% 左右，大循環(huán)運行下機組系統(tǒng)中壓(4.1 MPa)蒸汽實際用量達到55 t/h，而設計量僅為46.8 t/h，能耗明顯過高。另外，機組調整過程中還衍生出四段出口管線振動偏大等安全問題，最終機組不得不在高能耗下監(jiān)護運行，并時刻提防管線振動等可能導致的安全問題。

1 工藝及設備概述

該裝置系統(tǒng)采用的是惠生工藝包技術，由北京寰球設計院詳細設計，主要目的為將甲醇制烯烴裝置來的0.052 MPaG 富含乙烯、丙烯的混合反應氣通過離心式壓縮機組兩缸四段壓縮，升壓至3.275 MPaG 后進入精餾系統(tǒng)物理分離，提取出聚合級乙烯、丙烯、混合C4 以及燃料氣等產品。壓縮過程中，在三段壓縮后設置水洗、堿洗及干燥系統(tǒng)方便清除介質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

產品氣壓縮機機組系統(tǒng)概述：壓縮機組由沈陽鼓風機有限公司按照惠生工藝包理論參數進行設計并制造，型號：2MCL905+2MCL706，壓縮機組設兩缸共四段，一段和二段布置在低壓缸內，共九級；三段和四段布置在高壓缸內，共六級；原動機則由杭州汽輪機廠配套設計并制造的工業(yè)汽輪機組，型號：NK40/45/40，功率：11 854 kW，進氣量：45.2 t/h，進氣壓力：4.1 MPaG，排氣壓力：0.0245 MPaA。

2 現(xiàn)象與問題

自2016 年裝置正式投產后，該產品氣壓縮機組在設計負荷下，壓縮機本體運行穩(wěn)定，機組在線狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)顯示壓縮機高、低壓缸體振動、位移、溫度均符合設計要求，工藝方面各項控制參數達到設計要求，機組三返一、三返三、四返四防喘振控制線喘振閥門也全部能完全關閉。但是，在現(xiàn)場檢查中發(fā)現(xiàn)：壓縮機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，管道內部流體存在脈沖現(xiàn)象。通過摸索調整發(fā)現(xiàn)，只要維持壓縮機四返四喘振閥開度60%以上，異?，F(xiàn)象則消失。結果就是產品氣壓縮機四段只能維持大循環(huán)運轉，循環(huán)量則導致過多的無效做功，致使機組汽輪機的中壓蒸汽消耗量平均超設計值約8 t/h，同時中間系統(tǒng)脫丙烷塔負荷因循環(huán)量大而超標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

針對產品氣壓縮機機組系統(tǒng)運行中實際能耗過高問題，從系統(tǒng)的設計、管道設備的制造和安裝以及工藝操作等方面分階段逐步進行全面的剖析。

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，排查結果為所有項目均按圖紙施工，完全符合安裝規(guī)范，過程也受控，不存在安裝質量問題。

(2)排查設計因素：由北京寰球設計院對機組系統(tǒng)外圍的管道、設備等設計多次復核，壓縮機廠家沈鼓根據設計參數重新計算，各廠家在各自的責任范圍內均反饋不存在設計偏差。

通過初步排查，結合實際操作，系統(tǒng)存在的問題基本與安裝及使用關系不大。產品氣壓縮機機組系統(tǒng)復雜，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：

針對機組正常而管路存在振動的問題，對機組四段出口管線就地采集數據進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；而壓縮機組四段葉輪旋轉分離為激振源的唯一來源，基本確定導致系統(tǒng)循環(huán)量被動增大的原因與機組本身結構設計有關。

機組軸系分析：雖然機組在線狀態(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，且經過過濾處理，狀態(tài)監(jiān)控不能高敏度反應機組運行狀態(tài)。其次，該機組喘振控制系統(tǒng)實際為理論值控制，當管路異常時不排除機組實際已出現(xiàn)喘振所導致的。另外，通過在專業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)的基礎上進行專業(yè)頻譜的分析：當出口管線振動出現(xiàn)后，隨著循環(huán)量的降低，對應的機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，符合機組喘振現(xiàn)象。

(3)設計參數對比：對機組介質取樣分析，主要數據對比機組設計參數如表1 和表2 所示。

表1 四段組分分析表(體積百分比)

表2 介質運行參數對比表

通過機組系統(tǒng)的介質對比，介質的組分較理論值是存在一定偏差，系統(tǒng)介質為MTO 裝置甲醇催化反應后形成的混合氣，介質的組分受到催化劑類型、控制參數等影響而存在變化。參數對比可知：混合氣中重組分實際是較設計值偏大的，而機組流程采用中間抽出工藝，重組分通過中間抽出，同等進料下就會導致進入高壓缸四段輕組分流量減少。另外，機組采用高、低壓缸分開設計布局，設計上各自具有相應的操作彈性，因此當單獨設計核算能力時，復核自然均能滿足生產要求。然而，由于高、低壓缸轉子串聯(lián)，共用原動機的設置布局。在實際操作中，汽輪機負荷控制則必須匹配高負荷壓縮機組的需求，在同等條件下高壓缸卻因實際流量偏低，負荷需求則低于低壓缸。為穩(wěn)定運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荷，以匹配低壓缸轉速需求，最終產生了不必要的能源浪費。

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

機組入口100% 負荷，穩(wěn)定轉速5 729 r/min，系統(tǒng)入口負荷保持穩(wěn)定； 三段出口補充乙烯回煉量5 t/h驗證，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，監(jiān)控出口管線振動及軸系頻譜，直到開度關小至29% 左右時，四段出口管線出現(xiàn)振動現(xiàn)象，機組軸系頻譜種半倍頻等開始增大，喘振跡象出現(xiàn)。

機組入口102% 負荷；穩(wěn)定轉速5 765 r/min，系統(tǒng)入口負荷始終保持穩(wěn)定。三段出口補充回煉乙烯5 t/h，回煉丙烯4 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，監(jiān)控出口管線振動及軸系頻譜，直到開度關小至10%左右，四段出口管線出現(xiàn)振動現(xiàn)象，機組軸系頻譜中半倍頻等開始增大，喘振跡象出現(xiàn)。

通過測試的結果表明，單純提高四段負荷，在不改變機組能耗的基礎上，依舊能夠滿足機組安全運行要求及工藝需求。

總結：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融合在一起才能達到目的。但是在實際運作中，大家各自為戰(zhàn)，沒有有效溝通，也沒有有效的技術交流，最終組合成一個整體后。技術整合后缺少調校，各自技術的彈性就為融合后的成品埋下了禍根，彈性的疊加導致本項目問題的出現(xiàn)，反證了前期自查原因無果的事實。技術整合不力是導致機組能耗偏高根本原因。因此，團結各方力量，交流溝通，做好銜接是“節(jié)能降耗”最終研究調整的方向。

4 優(yōu)化措施

通過從設計、制造、操作等全方位分析可知：導致系統(tǒng)能耗偏高的直接表象為四段循環(huán)量過大導致，根本原因則為介質的實際組分較理論組分的偏差并疊加機組設計時的彈性過大，致使機組實際運行時高、低壓缸負荷不匹配導致。四段所在的高壓缸實際負荷設計偏大，循環(huán)量過多造成能源的浪費。那么，節(jié)能只能從介質組分調整或者機組本體考慮，在介質方面，上游MTO 來混合氣受催化劑及操作參數影響，穩(wěn)定后不可能有大的變化，調整余量有限，不可能為了滿足設備運行而有大的改變。因此只能從優(yōu)化機組設計方面考慮，機組原設計一段和二段所在的低壓缸基本與實際相符，高壓缸的三段設計與實際也匹配，僅有四段存在機組設計負荷較實際偏大的情況。從操作的經濟性、可行性角度出發(fā)，僅對壓縮機四段進行改造為最佳選擇。首先，通過對近幾年實際運行數據的采集，通過取平均值提供給壓縮機生產廠家復核設計；然后，壓縮機廠家在原機組的基礎上進行局部改變，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際流量減少的事實，同時將配套隔板、氣封進行更換。轉子的主軸規(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會完成更換、測試合格后正式投用，原轉子則留為應急備件。

5 整合結果

結合實際情況，通過對產品氣壓縮機機組的局部改造，對比改造前、后的運行狀況，以平均負荷計算。改造前機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行成本的情況下，按照公司當前中壓蒸汽的價格，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，產生良好的經濟效益，并且消除了管線振動導致的泄漏甚至爆炸等安全隱患，間接效益不可估量。另外，還產生良好的社會效益。烯烴分離產品氣壓縮機節(jié)能降耗”項目研究很好地契合當前政策方針，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，還對促進我國建設資源節(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)自身所面臨的經濟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組作為關鍵設備在工業(yè)化生產中大量利用，雖滿足了各項生產需求，但是能耗、效率一直是橫亙在眼前的一道坎。與國外機組相比，國內壓縮機效率較低，效率普遍約為66%～70%，而國外壓縮機效率基本為78%～81%，還有優(yōu)化提升空間。但若單從機組來說，機組多年的研究發(fā)展導致未來的提升空間終將越來越有限，單純依靠挖潛能已經無法滿足節(jié)能降耗的目標需求，只有不斷地開發(fā)新工藝、新技術才是發(fā)展之道。比如，發(fā)展燃氣輪機替代現(xiàn)有蒸汽輪機等，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。