乙烯生產大型關鍵機組可靠性研究及維護對策

劉 建

(中韓(武漢)石油化工有限公司，湖北 武漢 434300)

中韓(武漢)石油化工有限公司(簡稱武漢乙烯)的乙烯項目是國家“十一五”重點建設工程，也是湖北省一號工程。項目總投資167億元，于2013年8月投產，是國內首套完全采用國產技術的大型乙烯項目。其中乙烯三機(裂解氣壓縮機組、乙烯制冷壓縮機組、丙烯制冷壓縮機組)是乙烯裝置的關鍵設備。如果機組出現故障造成停車，一次損失就可達千萬元以上。為了保證其運行可靠性，通過研究探索，采取了一些對策，取得良好成果。

1 重視機組設計選型

機組的選型和合理設計是機組運行可靠性的基礎。武漢乙烯三大機組在國內首次同時實現了國產化(其中壓縮機組由沈鼓設計制造，汽輪機由杭汽設計制造)，這對武漢乙烯工程提出了很大的挑戰。選型設計中，設計人員努力探索提高機組設計可靠性的途徑，例如：1)乙烯機組低壓缸運行為低溫-101 ℃，缸體采用的1Ni9材料很不穩定，很難滿足葉輪和軸的性能需求，容易因應力導致軸發生彎曲，在項目實施過程中，通過采用鍵連接加過渡配合的方式，很好地解決了這個問題。2)裂解氣壓縮機組的高壓缸，摒棄常用的水平剖分型，改為筒形結構并設計專用工具，解決了變形泄漏的難題；同時，為抑制機組結焦，采用了既注洗油又注水的措施。

2 開展工藝升級和結構改進

干氣密封設計選型充分吸取兄弟單位同規模裝置的經驗教訓，即乙烯裝置裂解氣壓縮機緊急停車過程中，“三返一”和“五返四”的防喘振閥會迅速打開，導致停機時因機組倒轉造成機組密封損壞。設計中充分考慮停機時介質能量的釋放，設置單向閥并盡可能靠近壓縮機本體，同時采用雙向密封防止損壞【1】。具體采取措施如下：

1) 增設防喘振閥和單向閥，分割壓縮機氣路系統，降低蓄能容積，氣相負荷大幅減少。武漢乙烯裂解氣壓縮機設置了3套防喘振最小流量返回線。第1條為″三返一″，第2條為″四返四″，第3條為″五返五″。且三段出口、四段出口、五段入口和出口設計單向閥，將裂解氣壓縮機系統切割為3部分。當壓縮機緊急停車時，防喘振閥全開，裂解氣從出口管線通過防喘振閥返回到入口管線，3個系統各自快速達到壓縮機出入口壓力平衡，經單向閥有效阻止后，系統的氣相返回到自身系統，有效地減少壓縮機反轉的可能性。

2) 適當增大防喘振閥的口徑和管道尺寸。在中小型乙烯裝置的設計中，防喘振閥的選擇通常以最大轉速下的喘振流量作為計算防喘振控制閥門系數的基準，取基準點對應Cv值的2倍作為選擇閥門的依據，同時保證正常工作流量下閥門開度在50%～70%范圍內，而對防止機組停車時轉子發生反轉的可能考慮不足。防喘振管線管道直徑較小時，回流氣體壓力平衡時間過長易引起反轉，但管道直徑小，反應時間快，在正常生產時調節能力強。因此大型機組需重新核算機組防喘振管線的平衡能力，同時兼顧防喘振和防反轉，對防喘振系統進行優化設計，選擇合適的管道尺寸和控制閥門。此外，防喘振閥快速開啟動作時間和內部籠式結構(降噪和減震功能)容易堵塞都是需要考慮生產實際情況的。

3) 在五段出口壓力放空閥處增加停機聯鎖信號。五段出口壓力為3.8 MPa，根據伯努利方程，氣體靜壓能與壓力成正比，壓力越高，反轉能量越大。一旦發生聯鎖跳車或緊急停車，五段出口放空閥自動打開，卸到火炬，五段出口氣體靜壓能迅速降低。

4) 優化盤車電機邏輯控制，增加盤車電機3 min 延遲介入邏輯設定。原設計裂解氣壓縮機聯鎖停機后，零轉速探頭檢測轉速低于2 r/min，盤車電機立即啟動，若壓縮機因此發生轉子反轉，易造成盤車系統損壞。增加延時后，可以避免上述情況發生。

5) 采用雙向燕尾槽型干氣密封【2】。目前，國內使用較多的離心式壓縮機干氣密封類型為螺旋槽和雙向燕尾槽，與傳統的螺旋槽干氣密封對比，雙向燕尾槽型最大的優點是允許壓縮機反轉。

6) 三機組潤滑油站的設計也會影響機組可靠性，為確保機組的可靠運行，首先要求該設計嚴格執行API標準，同時要求油系統配套的管線、閥門采用不銹鋼材質，主油泵由透平驅動，并設置了2套完全一致的備用油泵。機組控制系統，選用較可靠的康吉森機組控制系統，采用冗余設計。

3 加強制造過程的質量監控

大型機組的加工制造，由于部件多、工序多、工期長、極易造成質量失控，影響機組運行的可靠性【3】。要求制造廠要有完善的質量控制系統，同時委托監造單位，每周發監檢周報，通報質量問題，并及時予以糾正，對重要質量檢查節點，定期派有經驗的專業技術人員檢查。

在制造過程中，阻止了幾起質量不合格進入下一道工序的現象。具體如下：

1) 裂解氣壓縮機驅動透平內缸，存在嚴重的鑄造缺陷，按規定應該廢掉，制造廠因交貨時間緊，提出簡單修復的方案，武漢乙烯技術人員堅持重新鑄造，杜絕了隱患。

2) 三機組潤滑油系統，設計要求閥門管件應為不銹鋼，運到現場后卻發現是碳鋼的，經過多次協調，廠家予以全部更換。制造過程中，嚴把質量關，消除了制造隱患。

3) 設備出廠前工廠內的試車十分重要。裂解氣壓縮機組是3個缸，制造廠以大功率試車電機和試車臺緊張為由，不愿做3缸聯動試車。但這種試車若不進行，極容易把隱患帶到現場，影響機組現場開車。最終制造廠想辦法滿足試車需要，把問題消滅在制造廠內。

4 深度參與安裝過程，把好安裝質量關

大型機組安裝質量對機組運行可靠性同樣至關重要。

鑒于機組的重要性，加上近年來施工單位在大機組安裝方面人才流失較多等情況，為了保證武漢乙烯三機組的安裝質量，通過成立大機組攻關小組，安排專人配合做好大機組安裝調試，安裝過程中傾注大量精力，監督檢查施工質量，提供相應的技術支持。

丙烯制冷機組安裝過程中，發現上下缸體扣蓋時有錯位，且偏差較大，影響了干氣密封的安裝。經分析是由于缸體較重，扣缸時對得不正，定位銷強行楔入變形所造成的。經過調整并對銷孔鉸孔，校正了缸體【4】。

裂解氣壓縮機油站曾進行過一次二次灌漿，但底座灌空，灌漿不合格，容易造成油泵振動超標，是安全隱患。針對此情況，要求監理發整改單給施工單位重新進行灌漿，消除隱患。

乙烯制冷壓縮機組低壓缸要求使用-100 ℃低溫密封膠，而實際提供的低溫密封膠為-50 ℃的，若用此密封膠，會導致泄漏的重大安全事故發生【5】。發現此問題后，立即協調兄弟單位，找到合適密封膠用于安裝。

丙烯機組機械運轉試驗過程中，均發現非驅動端軸承處振值不穩(在15～30 μm之間波動)現象，振值偏大【6】。后經檢查發現支撐瓦塊活動不靈活，瓦塊與頂升油管路有干涉現象。對此問題進行處理后，機組試車合格。

5 優化控制系統，機組保護措施切實有效

武漢乙烯項目乙烯裝置分離系統采用前脫丙烷前加氫工藝，裂解氣壓縮機采用五段壓縮，并設計有″三返一″，″四返四″，″五返五″3條防喘振線，以提高機組運行的安全性和穩定性。自2013年8月乙烯裝置開工以來，其發生3起因裂解氣壓縮機″四返四″防喘振閥全開導致機組非驅動端振動高高聯鎖停機和2起因“五返五”防喘振閥聯鎖動作致使碳二加氫反應器聯鎖、乙烯產品不合格冷區聯鎖切斷進料的事故，同時7臺爐運行時機組“三返一”防喘振閥門必須保持7%開度，增加了機組運轉能耗。

針對機組運行過程中存在的上述問題，在2016年利用大檢修契機對機組防喘振系統實施優化改造，新增CCC控制系統，替代原有的裂解氣壓縮機的防喘振控制、速度控制、抽汽控制及性能控制，其余的機組輔助系統仍在沈鼓控制系統中運行監控，機組聯鎖在沈鼓系統中觸發。

通過實測防喘振線，將原沈鼓理論計算喘振線向左移動，最終“三返一”喘振曲線向左移動7.5%，“四返四”喘振曲線向左移了22%，“五返五”采用雙重控制來保證五段防喘振流量和碳二加氫的空速。改造優化后，系統抗波動能力增強，空速調節平滑穩定，碳二加氫反應器運行穩定。控制系統運行至今,未發生防喘振閥門動作導致碳二加氫空速低的事故。

防喘振系統優化后取得了明顯的經濟效益。對比改造前后防喘振閥門的開度和蒸汽用量，當裂解爐負荷低于330 t/h，平均節約超高壓蒸汽10 t/h，年創經濟效益777.6萬元。

6 做好機組調試，保障控制系統正常

6.1 機組控制系統調試

機組控制系統主要與DCS、SIS和調速系統有關。機組控制系統的調試，涉及到機組的安全和穩定。其中，控制量的校驗、聯鎖值的校驗、接線的檢查以及控制閥門的動作是否正常，都對機組控制系統有很大影響。調試過程中，發現裂解氣壓縮機組驅動透平缸體溫差指示異常，及時處理；還發現個別振動聯鎖邏輯存在問題，及時予以消除；另外，乙烯壓縮機組振動測量異常，后證實測量盤安裝有問題，予以糾正。校驗過程中，發現多處接線松動，及時排除了隱患。

6.2 多狀態模擬，充分做好機組潤滑系統調試

武漢乙烯裂解氣壓縮機為國內制造，并配套潤滑油控制系統，自2013年8月乙烯裝置開工以來，其發生3起潤滑油系統故障，主要原因是油泵自啟后，因潤滑系統可靠性低，未能及時將潤滑油系統壓力提升至聯鎖值以上，最終導致機組因潤滑油系統壓力低聯鎖停機，對機組安全平穩運行造成影響【7】。

機組潤滑油供油系統如圖1所示。蒸汽管網波動后，致使主油泵透平進、出口壓差增大，轉速持續上升并最終超速跳閘停車。因油路系統油箱回油閥開度過大(回油閥由正常開度的15%增至29%，主油泵透平停車后，因回油閥開度大，泄壓過快)導致潤滑油總管油壓迅速降低，輔助油泵自啟動后，先對油路系統的管線進行填充，油壓上升出現延時，未能滿足裂解氣壓縮機潤滑油系統的壓力，最終導致裂解氣壓縮機由于潤滑油壓力低于0.1 MPa聯鎖停車。采取的應對措施是：

1) 對潤滑油系統油壓低聯鎖增加2 s的延時。

2) 調整輔助油泵的自啟壓力設定，由原設計0.9 MPa改為1.0 MPa,使輔助油泵在主油泵停機后能提前啟動。

3) 在機組聯試階段，對油系統可能出現的多種異常工況進行隱患排查，并在每次機組停工檢修后組織潤滑油系統可靠性熱態試驗。

圖1 機組潤滑油供油系統

7 認真總結試車經驗教訓，改進操作運行

機組現場試車和實物料開車過程中，會發生一些問題，認真分析和總結，吸取經驗教訓，改進操作運行，對機組可靠性運行十分有益。比如：

1) 乙烯制冷壓縮機組，在開車引液時，由于降溫太快，導致缸體泄漏。由于擔心機組在過臨界轉速時降溫太快，又未及時向段間罐補液，造成機組發生喘振。分析和改進操作，就可以減少機組發生故障。

2) 乙烯制冷壓縮機組的驅動透平試車時，發現高壓側不能自由膨脹【8】。經分析，是由于主蒸汽管線安裝不當造成的，對管線支架進行處理后，解決了問題。

3) 裂解氣壓縮機組驅動透平在單機試車時，停車過程中機組振動增大，透平轉子輕微磨損。分析認為，是由于主進氣閥閥頭與閥座存在間隙造成的。重新調整后，解決了此問題。

4) 在透平升速過程中，過臨界轉速時升速速率太慢，易造成透平振動過高，通過與廠家溝通，修改了升速曲線，成功解決了透平升速振動問題。

8 建立關鍵機組特護機制，抓好機組特護運行

8.1 建立關鍵機組包機制

武漢乙烯對于關鍵機組實行“機、電、儀、管、操”五位一體的特護包機制，建立特護包機體系，成立特護包機小組，編制關鍵機組的特護細則、特護巡檢記錄，明確特護活動的具體要求。要求各分部定期組織召開特護機組活動，對機組存在的問題和隱患進行記錄、分析，制定整改計劃消除隱患。同時結合實際生產情況，針對每臺機組制定運行周期兩個臺階的考核方案，對達標關鍵機組特級維護小組予以獎勵，周期越長，獎勵越高，甚至翻番。特護激勵機制激發了大機組包機人員的積極性，先后處理了裂解氣壓縮機驅動透平V2閥故障、丙烯制冷壓縮機組“四返二”調節閥故障等，確保了機組安全、平穩、長周期運行。

8.2 建立狀態監測機制

利用機組的在線監測系統為關鍵機組提供設備啟動、運行過程的監測技術支持。乙烯三機等關鍵設備試車時，在線狀態監測系統的投用，可對出現的故障進行捕捉，并對故障進行頻譜分析，為故障的定性及檢查提供依據，同時將傳統的“監測保護、事故診斷”轉變為“監測預知、早期診斷”，不但保證了故障的及時發現，還為延長設備運行周期打下了基礎。借助遠程監控系統，邀請專家為關鍵機組進行診斷監測服務，及時指導機組的操作、開車及調整。

開展趨勢分析，對機組運行的一些特征參數如振動、溫度、壓力等進行歷史趨勢分析，可找出機組發生故障原因，通過狀態比較，分析機組是否劣化，以便及早采取措施。

8.3 抓好備品備件的儲備

要保證關鍵機組可靠性，備品備件的儲備十分必要【8】。武漢乙烯熱電聯產裝置大檢修開工后不久，2號發電機組汽輪機在開工試車時出現故障，轉子因密封碰磨出現熱彎曲并造成塑性變形，因無轉子備件，最終汽輪機轉子緊急返廠維修，經過多方協調，并全過程跟蹤返修轉子，歷時9天才完成，好在出現故障的是發電機組透平轉子，不影響全廠開工，若是乙烯“三機”出現轉子故障，后果不堪設想。

儲備原則為在有條件的情況下應儲備公司級關鍵機組備件，其余可參照如下方式進行儲備：一是機組本身的備件，如軸承、密封等；二是輔助系統，油泵、水泵的配件等；三是儀表備件。同時要避免備件以備件包形式存儲，以免造成備件賬目不清、重備或缺備。

9 結語

武漢乙烯的大型關鍵機組，從設計、制造、安裝、調試、運行等方面通過優化設計、加強制造質量監控、嚴把安裝質量關、精心調試、特護運行已經取得了較好效果，武漢乙烯三大機組已進入長周期穩定運行階段。