國產大型乙烯制冷壓縮機運行效能分析

林 海，周殿瑩，李 楠，孫 博

（中國石油撫順石化公司，遼寧 撫順 113000）

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國產大型乙烯制冷壓縮機運行效能分析

林 海，周殿瑩，李 楠，孫 博

（中國石油撫順石化公司，遼寧 撫順 113000）

通過撫順石化80萬t/a年乙烯裝置的乙烯制冷壓縮機的設計制造及投運的成功案例，闡述了沈鼓首套國產化的大型乙烯制冷壓縮機的結構設計、低溫材料的選擇及加工，并對機組的運行效能進行了試驗及投用數據的詳細分析計算，為大型乙烯制冷壓縮機的國產化推廣提供重要的依據。

國產； 大型； 乙烯制冷壓縮機； 效能

乙烯制冷壓縮機是各類乙烯裝置非常關鍵的核心設備，為乙烯裝置的乙烯制冷系統提供壓縮及循環的動力。與普通的離心壓縮機相比，乙烯制冷壓縮機組的設計難點是熱力轉化及氣動性能，以及高效合理的級間匹配，具體有如下技術特點：1）氣動特性復雜；2）組分單一，分子量大；3）段間有抽氣、加氣等型式；4）采用高效葉輪；5）轉子及定子均采用低溫材料。

百萬噸級乙烯制冷壓縮機組國產化目前尚屬于新興領域，對于使用廠家和設計制造單位都存在著一定的風險［1］。在乙烯裝置三大機組中，乙烯制冷機組設計制造技術在國內是最缺少業績和經驗的，尤其是在低溫材料及低溫材料的焊接技術方面，之前國內倘無整機的設計和制造業績，一直是國外壟斷［2］。

撫順石化公司80萬t乙烯技術改造工程裝備國產化工作，一直得到國家發改委的關心和支持，由沈陽鼓風機集團股份有限公司（以下簡稱沈鼓）與撫順石化公司合作，共同負責首臺大型乙烯制冷壓縮機國產化的設計、制造、試驗和應用項目，實施乙烯制冷壓縮機組的國產化。沈鼓從2009年開始對這套乙烯制冷壓縮機進行設計研發，并開始機體的制造，于2012年5月至10月相繼進行單機試車、聯動試車及實物料開車。因此，該過程對首套國產化大型乙烯制冷壓縮機組的投產運行進行效能分析具有重要意義，也為國產化大型壓縮機設備的研制能力和技術水平提供充分依據。

1　乙烯制冷壓縮機的設計制造

撫順石化公司的這套乙烯制冷壓縮機組主要由離心壓縮機、蒸汽透平、凝液系統、潤滑油站及控制系統等組成，總成設計制造為沈鼓集團，原動機為杭州蒸汽透平集團生產的抽汽凝汽式蒸汽透平。

乙烯制冷機組為乙烯制冷分離系統提供三種等級的低壓乙烯冷劑：-57，-80，-101 ℃，在各段均設有防喘振最小流量線。

乙烯制冷壓縮機設備參數主要有：類型：離心式；段數：五段；進口壓力：0.01 MPa；進口溫度：-101℃；出口壓力：3.789 MPa；出口溫度：75 ℃；分子量：28.1；額定功率：13 088 kW；

1.1乙烯制冷壓縮機本體的設計選型

針對中國石油撫順石化公司的這套乙烯離心壓縮機組的操作參數要求，尤其是一段到五段溫度壓力的變化，最終設計制造方案為兩個缸體組合的多級離心壓縮機，一個低壓缸和高壓缸。低壓缸分為三段，裝置乙烯氣體進入低壓缸內經過二段、三段加氣共同壓縮后由三段出口排出，并有一路三段抽氣調節（見圖1）。高壓缸分為兩段，低壓缸壓縮后的乙烯氣再進入高壓缸中，分兩段排出進入用戶系統管網中，作為不同的制冷介質（見圖2）。低壓缸和高壓缸分別為水平剖分和垂直剖分，型號分別為3MCL806與3BCL527，壓縮機由五段十三級組成，低壓缸三段六級，高壓缸兩段七級，共計十三個葉輪，選用1Ni9低溫材料精加工制造（見圖3-4）。

圖1　乙烯壓縮機低壓缸氣路系統示意圖Fig.1 The LP diagram of Ethylene compressor

圖2　乙烯壓縮機高壓缸氣路系統示意圖Fig.2 The HP diagram of Ethylene compressor

圖3　乙烯機低壓缸總圖Fig.3 The LP drawing of Ethylene compressor

乙烯壓縮機進口溫度為-101 ℃，這對于高速旋轉的壓縮機來說是最大的難點。沈鼓集團通過與意大利新比隆公司、德國德馬格等公司在設計、制造、檢驗技術方面的合作，已經掌握了低溫鋼焊接和熱處理技術。尤其是具有了世界領先的使用1Ni9材料作為乙烯壓縮機葉輪的業績及技術儲備。1Ni9鋼是含鎳量為8.5%～9.5%的超低溫低碳鋼，在-196℃有優異的強韌性，與具有優良性能的不銹鋼相比，有良好的低溫韌性、高強度，經濟性較好。［3］因此在本臺乙烯壓縮機的機殼、隔板、葉輪、主軸等關鍵部位大量采用了1Ni9菜料，并再葉輪等部位進行了大量的1Ni9材料焊接及熱處理試驗。

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圖4　乙烯機高壓缸總圖Fig.4 The HP drawing of Ethylene compressor

1.2機組控制設計選型

根據壓縮機及裝置蒸汽平衡需要，乙烯制冷壓縮機的驅動設備選擇抽汽凝汽式蒸汽透平（Turbine），這樣不僅保證了能耗的節約、轉速的調節，還有利于裝置蒸汽及凝液系統的平衡控制。該蒸汽透平經過詳細設計，最終確定型號為 ENK40/56/25，其中E表示抽汽式；N表示正常進汽參數最高為10 MPa（a），510 ℃；K表示凝汽式。后面數字表示各段轉子末級根徑尺寸，40表示φ400 mm。

轉速調節回路是蒸汽透平調節系統的基本環節，該回路主要由轉速傳感器、轉速控制器（與監控系統同由CCC系統控制）、電液轉換器、油動機和調節汽閥組成。轉速控制系統 CCC 接受來自三個轉速傳感器變送的蒸汽透平轉速信號，將接收到的轉速信號與轉速內部設定值進行比較后輸出4～20 mA的電信號給電液轉換器，再經電液 轉換器轉換成二次油壓（0.15～0.45 MPa），二次油分別通過高低壓油動機操縱高低壓調節汽閥，調節進汽量，實現轉速調節。

喘振控制也是通過CCC控制系統來完成的。在喘振控制畫面中，十字型的點是當前機組工作點，此坐標軸橫坐標是入口流量差壓除以入口壓力、縱坐標是出口壓力除以入口壓力。紅線是喘振線，工作點到達喘振線或者在喘振線的左側，就代表機組發生了喘振。黃線是防喘振線，它是動態的，在機組工作點劇烈波動時，防喘振線會自動靠向右側，實現預開閥保護機組（見圖5）。

圖5　乙烯壓縮機防喘振控制畫面Fig.5 The surge control picture of ethylene compressor

2　乙烯制冷壓縮機的運行效能分析

2.1氣動性能試驗分析

為了驗證乙烯制冷壓縮機3MCL806+3BCL527的設計、加工制造質量、氣動性能指標，必須模擬各段抽氣、加氣的運行狀態，各段氣動參數見表1［4］。

表1　各段抽、加氣氣動性能參數Table 1 Each stage design data of pumping&adding gas aerodynamic performance

圖6　乙烯機低壓缸氣動性能測試系統Fig.6 Aerodynamic performance test system of LP

為了得到真實氣體的性能，需將試驗氣體測得的這些性能參數進行數據計算，按ASME PTC-10標準進行性能計算與換算，換算成設計條件下壓縮機的熱力性能參數，進而確定設計指定工況下性能結果。需要計算的參數主要有：

a） 壓縮機的進口容積流量；

b） 壓縮機的升壓或壓比；

c） 壓縮機的多變能量頭；

d） 壓縮機的軸功率；

e） 壓縮機的效率；

f） 壓縮機的喘振極限。

圖7　乙烯機高壓缸氣動性能測試系統Fig.7 Aerodynamic performance test system of HP

通過這些性能參數，可得到壓縮機在設計轉速下的流量、壓比 （或多變能量頭）、軸功率曲線，以及與壓縮機效率之間相互關系。因為乙烯壓縮機是采用低壓缸、高壓缸分缸進行氣動性能試驗，因此性能曲線的計算及繪制分成五段進行，而整機性能曲線則需由各段性能曲線疊加而得到。

氣動性能試驗考核結論見表2-6。

表2　第I段考核結論Table 2 Test result of Stage I

表3　第II段考核結論Table 3 Test result of Stage II

表4　第III段考核結論Table 4 Test result of Stage III

表5　第IV段考核結論Table 5 Test result of Stage IV

表6　第V段考核結論Table 6 Test result of Stage V

綜上所述，整套機組的流量偏差、壓比偏差、軸功率偏差都在允許范圍，氣動性能試驗考核合格。

2.2實物料運行效能分析

撫順石化80萬t/a乙烯裝置在2015年1月23日開始對裝置各項技術指標進行了72 h的全面標定，裝置標定負荷 98.54%，其中乙烯精餾系統負荷97.25%～110.40%，系統處于滿負荷運行，運行正常產品合格，乙烯的收率達到了 33.62%。其中乙烯制冷壓縮機運行參數分析見表7。

其中在標定期間壓縮機透平沒有投用抽氣，采用了全冷凝的操作，蒸汽透平進汽62.7～65.6 /h，根據功率-流量曲線（見圖 8），實際功率通過最下面一條Me=0 t/h線換算，可求得為12 526～13 327 kW，為額定功率15 808 kW的79.24～84.31%。因此，通過對裝置標定期間運行負荷及運行狀態分析可以看出，乙烯制冷壓縮機組能夠滿足裝置高負荷條件下平穩運行，滿足機組效能要求。

表7　乙烯制冷壓縮機運行參數分析Table 7 Analysis of ethylene compressor running data

圖8　乙烯機透平功率流量曲線Fig.8 Power-flow rate curve of ethylene compressor turbine

3　結束語

通過以上機械性能、氣動性能及實際運行效能等多方面的試驗及運行分析，沈鼓集團自行設計制造的大型離心式乙烯制冷壓縮機各方面性能全部符合設計要求，設計、制造和裝配質量達到國際相關的技術標準和準則，大型乙烯制冷組也成功實現了國產化生產，將為我國乙烯產業降低大量投資，創造巨大效益，也標志著我國乙烯裝備制造逐步向國際化邁進。

［1］ 興化. 百萬噸級乙烯壓縮機方案通過論證［N］. 中國化工報. 2007-03-15（2）.

［2］ 殷宇晗. 依托百萬噸級工程力促大型乙烯裝置國產化［N］. 中國工業報. 2006-04-24（3）.

［3］ 呂立博，劉向東. 1Ni9鋼在乙烯壓縮機上的應用［J］. 風機技術，2010，（4）：36-38.

［4］ ASME PTC10-1997.壓縮機和排氣機的性能測試規范［S］.

Performance Analysis of Domestic Large Ethylene Refrigeration Compressor

LIN Hai，ZHOU Dian-ying，LI Nan，SUN Bo
（Fushun Petrochemical Company，Liaoning Fushun 113001,China）

Based on design and manufacture and commissioning of ethylene refrigeration compressor used in 800 kt/a ethylene plant of Fushun petrochemical company, structure design, cryogenic steel choice and manufacturing process of the first domestic large ethylene refrigeration compressor were illustrated. The performance of the ethylene refrigeration compressor was tested, and commissioning data were analyzed.

large-scale; ethylene refrigeration compressor; performance

林海（1974-），男，遼寧撫順人，高級工程師，碩士學位，1996年畢業于大連理工大學化工機械專業，主要從事煉油與化工設備管理。E-mail：linh_ai1@petrochina.com.cn。

TQ 052

A

1671-0460（2016）05-1036-04

2016-03-23