丙烯腈裝置空壓機(jī)優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗

郝天真

（中國(guó)石油大慶石化公司化工二廠，黑龍江大慶163714）

某石化公司的丙烯腈裝置離心式空氣壓縮機(jī)C-101 于1987 年由日本整機(jī)引進(jìn)，用背壓式蒸汽透平驅(qū)動(dòng)。空壓機(jī)C-101出口流量55 700 kg/h，出口壓力0.23 MPa，溫度189.5 ℃，軸功率2 585 kW，轉(zhuǎn)速7 900 r/min，該機(jī)組已運(yùn)行超30 a。

1 空壓機(jī)的工況

空壓機(jī)C-101主要向反應(yīng)器提供工藝空氣，用來(lái)滿足反應(yīng)需要，空壓機(jī)參數(shù)參數(shù)的調(diào)整必須與工藝系統(tǒng)聯(lián)系起來(lái)。2003 年丙烯腈裝置擴(kuò)能改造，由 50 kt 擴(kuò)到 80 kt，同時(shí)新增加了1 臺(tái)空壓機(jī)C-101A。C-101A 由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，增加了裝置能耗。經(jīng)計(jì)算使用C-101A 將使每t 成品丙烯腈增加成本50元，全年成本增加400多萬(wàn)元。裝置開(kāi)始嘗試提高空壓機(jī)C-101 負(fù)荷，同時(shí)調(diào)整流量和壓力，以達(dá)單臺(tái)C-101能夠滿足生產(chǎn)需要，C-101A做為備用。

2 空壓機(jī)參數(shù)調(diào)整

對(duì)于離心式空壓機(jī)C-101，壓縮機(jī)消耗的有效功主要用于提高壓縮機(jī)出口的空氣流量和壓力，總功率保持一定的情況下，降低其出口壓力可提高出口流量。理論上壓縮機(jī)的功率可以完全消耗在流量方面，即壓縮機(jī)出口壓力等于入口壓力。采用降低壓縮機(jī)出口壓力、提高空壓機(jī)C-101出口流量的調(diào)整方法，保證壓縮機(jī)的出口流量滿足生產(chǎn)需要，但同時(shí)要保證壓縮機(jī)的出口壓力不低于反應(yīng)所需的最小壓力。

2.1 空壓機(jī)出口壓力的調(diào)整

降低壓縮機(jī)出口壓力的關(guān)鍵在于確定壓縮機(jī)出口壓力P小值。改壓力主要用于3個(gè)方面：

（1）維持反應(yīng)器的反應(yīng)壓力P1。

該壓力由壓力表可以直接讀出，P1＝56 kPa，如果低于該壓力則反應(yīng)不能進(jìn)行。

（2）用于反應(yīng)器催化劑流化時(shí)的壓力消耗P2。

根據(jù)反應(yīng)器工藝設(shè)計(jì)：反應(yīng)器空氣分布板處壓降為反應(yīng)器床層流動(dòng)總壓降的46%，用壓力表測(cè)出空氣分布板的壓降為26 kPa，可以推算出，反應(yīng)器催化劑流動(dòng)時(shí)的壓力消耗為P2＝56.5 kPa。

（3）用于氣體流動(dòng)過(guò)程中的壓力損失P3。

空氣從壓縮機(jī)的出口輸送到反應(yīng)器的沿程壓降損失可以用壓力表測(cè)得，P3＝15 kPa。

根據(jù)以上計(jì)算，空壓機(jī)出口最小壓力P值為：

P=P1+P2+P3=56+56.5+15＝127.5 kPa

出口壓力可以從0.23 MPa降到0.13 MPa，節(jié)省功率用于提高壓縮機(jī)出口流量。

2.2 空壓機(jī)出口流量的調(diào)整

反應(yīng)器80 kt/a 的生產(chǎn)負(fù)荷，需要把空壓機(jī)出口流量由55 700 kg/h 提高到67 000～68 000 kg/h。該過(guò)程是否能夠達(dá)到，首先需要從理論角度進(jìn)行計(jì)算分析，找到空壓機(jī)C-101的最大流量值。

（1）空壓機(jī)出入口壓力比為1 MPa 時(shí)的流量。該工況是空壓機(jī)出口壓力為0.099 8 MPa，壓縮機(jī)有用功都用來(lái)提高出口流量，根據(jù)性能曲線該種情況出口流量為80 000 kg/h，但其出口壓力不能低于0.127 5 MPa，所以這種情況不成立。

（2）空氣通過(guò)機(jī)組內(nèi)的最小面積的流道（喉部）處的流速達(dá)到音速時(shí)的流量空氣通過(guò)機(jī)組內(nèi)的最小面積的流道（喉部）處的流速達(dá)到音速時(shí)的流量，是壓縮機(jī)理想狀況下的最大流量，該種工況叫“阻塞工況”在實(shí)際生產(chǎn)中不可能達(dá)到這種情況。因?yàn)闅饬髟跊](méi)有達(dá)到音速時(shí)，一般就會(huì)發(fā)生（可能性很大）氣流的旋轉(zhuǎn)脫離和激波，此時(shí)氣體的流動(dòng)損失會(huì)突然增加，造成壓縮機(jī)出口壓力急劇下降，流量也會(huì)發(fā)生較大波動(dòng)，機(jī)組進(jìn)入不穩(wěn)定運(yùn)行的工況。為避免上述情況發(fā)生，一般把壓縮機(jī)內(nèi)氣體的最大流速控制在265～289 m/s。

計(jì)算空壓機(jī)C-101出口最大流量：

Vax＝um×Fmin

式中V—空壓機(jī)的體積流量，m3/s；umax—在空壓機(jī)內(nèi)的最大流速，m/s，取 265 m/s；Fmin—壓縮機(jī)內(nèi)氣體流動(dòng)過(guò)程中經(jīng)過(guò)的最小面積，m2。

根據(jù)離心式壓縮機(jī)設(shè)計(jì)原理和實(shí)際工況，葉片之間的流道都是擴(kuò)張形的，因此最小面積應(yīng)該在葉輪流道入口處。該壓縮機(jī)有三級(jí)葉輪，第一級(jí)葉輪為半開(kāi)式（有20 個(gè)葉片），第二級(jí)和第三級(jí)為三元閉式（各有相同的21個(gè)葉片）。根據(jù)葉輪結(jié)構(gòu)并現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量實(shí)物，第三級(jí)葉輪入口處面積最小，此處面積近似為長(zhǎng)方形，計(jì)算得到Fmin＝0.056 m2。

則有：Vax＝u×Fmin＝265×0.056＝68 731 kg/h

可以看出以上計(jì)算出的最大流量可滿足生產(chǎn)需要，將空壓機(jī)出口流量逐步增加到68 731 kg/h。

2.3 流量與壓力的調(diào)整操作

以上對(duì)空壓機(jī)的出口流量和壓力在理論上進(jìn)行了計(jì)算分析，分別得到了各自的調(diào)整范圍，在實(shí)際操作中，要充分的認(rèn)識(shí)到影響空壓機(jī)的操作的因素比較多，例如空氣的溫度、濕度、粘度等等。所以在操作中要注意3個(gè)問(wèn)題：

（1）調(diào)整速度要緩慢

調(diào)整速度過(guò)快會(huì)造成機(jī)組運(yùn)行的波動(dòng)，從而影響工藝系統(tǒng)。

（2）壓力與流量同時(shí)調(diào)整

在實(shí)際操作過(guò)程中，壓力和流量的設(shè)定值是串級(jí)的，如果保持壓縮機(jī)總功率不變，提高流量的同時(shí)，必須降低出口壓力，防止機(jī)組負(fù)荷過(guò)大。

（3）考慮氣溫的影響

空壓機(jī)所能夠消耗的最大功率是固定的，運(yùn)行過(guò)程中不能超負(fù)荷。在影響壓縮機(jī)功率的各個(gè)參數(shù)中，如果其它參數(shù)不變，則粘度越大，功率越大。對(duì)于空氣來(lái)說(shuō)，溫度越高氣體粘度越大，所以空壓機(jī)在夏季氣溫較高時(shí)，為了保證機(jī)組總的負(fù)荷不超，就要適當(dāng)?shù)慕档涂諝獾牧髁炕蛘邏毫Α?/p>

丙烯腈裝置的空壓機(jī)在裝置擴(kuò)能改造后，按照以上的調(diào)整原則和注意事項(xiàng)，經(jīng)過(guò)多次的調(diào)整，逐步的把流量和壓力調(diào)整到了能夠滿足工藝生產(chǎn)的要求狀態(tài)。現(xiàn)在實(shí)際運(yùn)行的參數(shù)為：

出口流量為67 000～67 500 kg/h，出口壓力為0.15～0.17 MPa，溫度165 ℃，軸功率2 500 kW，轉(zhuǎn)速7 780～7 900 r/min。

以上狀態(tài)既能保證生產(chǎn)（80 kt/a 的負(fù)荷，其空氣量并不是固定的，還受反應(yīng)物料配比等因素的影響），又使機(jī)組的主要參數(shù)控制在預(yù)先的計(jì)算數(shù)值之內(nèi)。

3 機(jī)組運(yùn)行狀況分析

空壓機(jī)經(jīng)參數(shù)調(diào)整后，運(yùn)行工況點(diǎn)發(fā)生變化。

3.1 流量分析

空壓機(jī)出口實(shí)際流量是設(shè)計(jì)流量的1.2 倍，對(duì)于離心式空壓機(jī)來(lái)說(shuō)，允許最大流量達(dá)到設(shè)計(jì)流量的1.15～1.2倍，而且從前面計(jì)算得知，此時(shí)的實(shí)際流量低于計(jì)算得出的機(jī)組的最大穩(wěn)定流量，所以該流量是穩(wěn)定的。

3.2 壓力分析

空壓機(jī)實(shí)際運(yùn)行壓力高于生產(chǎn)所要的壓力為0.02 MPa，是穩(wěn)定的。

3.3 轉(zhuǎn)速分析

實(shí)際轉(zhuǎn)速是設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速的98.5%～100%，低于最大轉(zhuǎn)速8 295 r/min，轉(zhuǎn)子的最大線速度和扭距都低于或者等于設(shè)計(jì)值，對(duì)材料的強(qiáng)度方面不會(huì)產(chǎn)生影響。

3.4 機(jī)組性能曲線的繪制

根據(jù)機(jī)組出廠前在實(shí)驗(yàn)室做出的性能曲線的基礎(chǔ)上，結(jié)合空壓機(jī)的實(shí)際運(yùn)行中的調(diào)整，繪制出了機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行的性能曲線，見(jiàn)圖1。

圖1 丙烯腈裝置空壓機(jī)C-101性能曲線

（1）喘振線：機(jī)組出口流量達(dá)到喘振線時(shí)，會(huì)發(fā)生喘振，運(yùn)行中要嚴(yán)格控制好出口流量。

（2）防護(hù)線：為防止機(jī)組喘振，設(shè)計(jì)了防護(hù)線，當(dāng)流量達(dá)到防護(hù)線的位置時(shí)，機(jī)組的防喘振裝置開(kāi)始動(dòng)作，防護(hù)流量是喘振流量的1.05倍。

（3）設(shè)計(jì)的最大流量線：對(duì)于離心式壓縮機(jī)，最大流量是額定轉(zhuǎn)速下流量的1.15～1.2 倍（空壓機(jī)C-101設(shè)計(jì)流量55 700 kg/h，目前實(shí)際運(yùn)行中的流量達(dá)到設(shè)計(jì)值的1.2倍）。

（4）穩(wěn)定工況的極限流量：此條線表示機(jī)組最大流量，超過(guò)此流量機(jī)組就會(huì)進(jìn)入不穩(wěn)定工況。

（5）工藝需要的最小壓力線：表示空壓機(jī)在正常運(yùn)行過(guò)程中，不能低于該壓力。

（6）阻塞線：該線表示如果機(jī)組出口流量達(dá)到該值，機(jī)組會(huì)發(fā)生壓力、流量波動(dòng)，進(jìn)入阻塞工況。

（7）最小轉(zhuǎn)速：是指調(diào)速器最小轉(zhuǎn)速，在此以上運(yùn)行才可調(diào)整轉(zhuǎn)速，正常運(yùn)行不能低于該轉(zhuǎn)速。

（8）第一臨界轉(zhuǎn)速：指壓縮機(jī)的第一臨界轉(zhuǎn)速，開(kāi)停車和運(yùn)行過(guò)程中堅(jiān)決不允許該改轉(zhuǎn)速附近運(yùn)行，否則會(huì)引起共振。

（9）設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速：空壓機(jī)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速7 900 r/min。

（10）機(jī)組正常轉(zhuǎn)速：空壓機(jī)C-101 正常轉(zhuǎn)速是設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速的98.5%，即7 780 r/min。

（11）機(jī)組最高轉(zhuǎn)速：該轉(zhuǎn)速為設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速的1.05 倍，即7 900×1.05＝8 295 r/min，該轉(zhuǎn)速也是調(diào)速器的最大轉(zhuǎn)速。

（12）機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行工況區(qū)域：圖中陰影部分，它是由機(jī)組防護(hù)線、機(jī)組最小轉(zhuǎn)速、工藝需要的最小壓力、穩(wěn)定工況的最大流量線和機(jī)組的最高轉(zhuǎn)速線圍成的面積，運(yùn)行工況越在該陰影的內(nèi)部，運(yùn)行越平穩(wěn)，反之處于不穩(wěn)定工況。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)空壓機(jī)各參數(shù)的調(diào)整，保證空壓機(jī)消耗的總功率不變的情況下，降低壓力，提高流量，使之能夠滿足生產(chǎn)需要，節(jié)約了大量的生產(chǎn)成本，降低了裝置的能耗，減少了員工的勞動(dòng)強(qiáng)度。在滿足生產(chǎn)的前提下，節(jié)約電能1 000 kW·h 以上，節(jié)約循環(huán)水超過(guò)200 t/h。機(jī)組在新的工況點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行，但是如果流量再提高就可能會(huì)進(jìn)入不穩(wěn)定運(yùn)行工況，在實(shí)際生產(chǎn)中一定要避免這種情況的發(fā)生，所以流量方面也要有一定的富余量。