馬 健 張萌萌 李 輝

（陜西延長石油（集團）有限責(zé)任公司永坪煉油廠）

0 引言

某煉油廠氮氧站裝置是根據(jù)空氣中各組分沸點不同的原理將氮氣分離。原料空氣由空氣壓縮機壓縮至0.9 MPa，經(jīng)預(yù)冷機組預(yù)冷并經(jīng)油水分離器分離游離水以及空氣中可能帶入的油分后，進入純化器，在純化器中吸附原料空氣中的水分、二氧化碳、碳?xì)浠衔锖筮M入分餾塔，空氣在分餾塔中經(jīng)主換熱器與返流之富氧氣及氮氣進行換熱而冷卻到飽和溫度后進入精餾塔進行精餾,在精餾塔的頂部得到高純度氮氣。膨脹機是氮氧站裝置中空分設(shè)備的配套機組，該設(shè)備為臥式單級徑軸向心反擊式油軸承透平，對外做功將氣體溫度降至約-180 ℃，為整個裝置提供冷量。由冷凝蒸發(fā)器輸送的富氧氣經(jīng)膨脹降溫后通過過冷器，并經(jīng)過板式換熱器復(fù)熱，用于純化器再生。

2020 年11 月以來，氮氧站裝置運行不平穩(wěn)，空分設(shè)備故障率較高，經(jīng)研究分析后可知，主要制冷設(shè)備的膨脹機組制冷量不足，無法維持空分設(shè)備的熱平衡，使空分設(shè)備故障檢修頻率增加，導(dǎo)致氮氧站裝置氮氣制備量減少，從而影響原油加工的產(chǎn)量。

1 存在的問題

膨脹機的制冷量是指膨脹機對外輸出功造成氣體的壓力、溫度降低，焓值減小，氣體的能量減少，從而增加的吸熱能力。根據(jù)膨脹機進、出口氣體的溫度、壓力等數(shù)值，從空氣的熱力性質(zhì)圖上查到相應(yīng)的比焓值，并經(jīng)分析計算，得出膨脹機月均制冷量理論值為1 680 kJ/kmol。

對2020 年11 月到2021 年1 月膨脹機平均制冷量進行了統(tǒng)計，具體如表1 所示。

表1 膨脹機制冷量統(tǒng)計表

從表1 可以發(fā)現(xiàn)，2020 年11 月到2021 年1 月期間，膨脹機平均制冷量為1 173 kJ/kmol，與膨脹機理論計算值相差較大。隨后通過查閱設(shè)備運行記錄，在2017 年2 月—5 月期間，膨脹機月均制冷量最高可達到1 968 kJ/kmol，因此，將膨脹機制冷量提高到1 680 kJ/kmol 以上是有可能的。

2 原因分析

為了確定膨脹機月均制冷量不足的原因，對膨脹機的各項運行數(shù)據(jù)進行了分類統(tǒng)計和分析對比。

2.1 各運行班次制冷量分析

2020 年11 月到2021 年1 月期間，各運行班次機組制冷量數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果可見表2。

表2 各班次制冷量對比表

對表2 數(shù)據(jù)進行分析后可知，各運行班次之間膨脹機制冷量平均值相差不大，且數(shù)值均較低。

2.2 設(shè)備故障分析

根據(jù)該設(shè)備檔案統(tǒng)計，對 2020 年11 月到2021年1 月此期間膨脹機出現(xiàn)制冷量不足的故障類型進行統(tǒng)計，詳見表3。

表3 膨脹機運行故障統(tǒng)計表

根據(jù)表3 數(shù)據(jù)形成排列圖，詳見圖1。

圖1 膨脹機運行故障排列圖

由圖1 可知，累計頻率在80%以內(nèi)的是導(dǎo)致設(shè)備故障的主要問題。對上述統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行分析后可知，膨脹機轉(zhuǎn)速過低是膨脹機制冷量不足的主要原因。

3 優(yōu)化改造

針對膨脹機轉(zhuǎn)速較低的問題，擬定調(diào)整膨脹機制動閥開度、重新修正膨脹機參數(shù)設(shè)定、優(yōu)化過濾系統(tǒng)等措施。

3.1 調(diào)整制動閥開度

為了更準(zhǔn)確地確定制動閥開度對膨脹機轉(zhuǎn)速的影響，將制動閥開度分別設(shè)置為70%、80%、90%及100%，在確保其他參數(shù)不變的情況下，測試膨脹機的轉(zhuǎn)速，試驗結(jié)果可見表4。

表4 膨脹機轉(zhuǎn)速統(tǒng)計表

將表4 數(shù)據(jù)采用折線圖表示，詳見圖2。當(dāng)制動閥開度增大時，膨脹機轉(zhuǎn)速相應(yīng)得到提高。

圖2 膨脹機轉(zhuǎn)速統(tǒng)計圖

3.2 修正膨脹機參數(shù)設(shè)置

為了進一步確定膨脹機調(diào)整制動閥開度最佳開度大小，以及進口溫度、壓力變化對膨脹機轉(zhuǎn)速的影響，通過正交實驗的方法來確定最佳參數(shù)。

將影響膨脹機轉(zhuǎn)速的3 個關(guān)鍵參數(shù)形成正交實驗因素表，詳見表5。

表5 正交實驗因素表

對將各個因素的取值進行分析，形成三位級，詳見表6。

表6 正交試驗方案表

根據(jù)上表，設(shè)計L9(33)正交試驗方案，并根據(jù)試驗類別分別測得膨脹機轉(zhuǎn)速值，如表7 所示。

表7 不同參數(shù)下膨脹機轉(zhuǎn)速統(tǒng)計表

通過對比9 組實驗數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)速值，分析確定第7組實驗的轉(zhuǎn)速數(shù)值最高，即A1B3C3 為最佳組合；根據(jù)表7 數(shù)據(jù)得出趨勢圖，詳見圖3，由圖3 同樣可知A1B3C3 為最優(yōu)參數(shù)組合。

圖3 因素位級實驗趨勢圖

由于因素B 的極差R為9，比其他列極差更大，這說明因素B 進口溫度的變化是影響膨脹機轉(zhuǎn)速的重要因素，由此可知，參數(shù)對結(jié)果影響權(quán)重依次為B＞C ＞A。

分析對比直觀分析和組合分析組合結(jié)果一致，可以確定參數(shù)設(shè)定的最優(yōu)方案為：進口壓力為400 kPa，進口溫度為140 ℃，進口閥開度為100%。

3.3 改造過濾系統(tǒng)

在原設(shè)備工藝流程（詳見圖4）的基礎(chǔ)上新增過濾器自潔系統(tǒng)（詳見圖5），在膨脹機出口閥過與濾器之間安裝反吹管線，并新增電磁閥和電動控制箱，通過一定頻率的反吹實現(xiàn)過濾器的定期自潔功能，在降低人工成本的同時，有效減少了濾芯堵塞面積。

圖4 原設(shè)備流程

圖5 新增過濾自潔系統(tǒng)

在原入口過濾器（詳見圖6）周圍新增安裝過濾網(wǎng)（詳見圖7），可以有效阻擋空氣中的大分子雜質(zhì),進一步降低了濾芯負(fù)載，延長了濾芯的使用壽命，最大程度地保障膨脹機設(shè)備正常運行。

圖6 原過入口濾網(wǎng)示意圖

圖7 新增濾網(wǎng)示意圖

4 效果評價

4.1 運行效果

為了進一步驗證改造后的運行效果，統(tǒng)計分析了改造前后的膨脹機制冷量數(shù)據(jù)，如表8 所示。

表8 膨脹機制冷量效果對比統(tǒng)計表

根據(jù)表8 數(shù)據(jù)分析可得，膨脹機的制冷量在改造后有明顯提高，平均月均制冷量可達1 877 kJ/kmol，一直保持在理論值計算值1 680 kJ/kmol 以上，設(shè)備整體運行平穩(wěn)。

4.2 經(jīng)濟效益

改造實施過后，優(yōu)化了過濾系統(tǒng)，提高了膨脹機制冷量，降低了膨脹機入口濾芯更換頻次，成本節(jié)約統(tǒng)計如下：

（1）濾芯單價S1=2 000 元，濾芯個數(shù)a=120 個；

（2）措施前濾芯費用Q1=120×2 000=24 萬元；

（3）過濾網(wǎng)費用Q2=1 000 元；自潔系統(tǒng)費用Q3=2 萬元；

（4）人工成本Q4=1 000 元。

通過計算可知，共節(jié)省成本Q=Q1-Q2-Q3-Q4=24-0.1-0.1-2=21.8萬元

5 結(jié)語

通過本次優(yōu)化改造，提高了膨脹機制冷量，成功解決了因制冷量不足造成空分設(shè)備運行異常的問題，降低了設(shè)備的檢修頻次，保證了氮氧站平穩(wěn)運行，從而保證了全廠用氮設(shè)備的安全穩(wěn)定，提供優(yōu)質(zhì)可靠的煉化石油，提升了生產(chǎn)裝置設(shè)備管理水平,延長了生產(chǎn)裝置運行周期。