國產化大型生成氣壓縮機的設計選型

張貴軍

(中國石化工程建設有限公司，北京 100101)

丁二烯是石化工業的基礎原料,在石油化工烯烴原料中的地位僅次于乙烯和丙烯,是合成橡膠和高分子材料的重要單體【1】，可以和多種化合物共聚生成各種合成橡膠和合成樹脂【2】。以丁烷或丁烯為原料氧化脫氫制取丁二烯是生產丁二烯的工藝技術之一。生成氣壓縮機組是氧化脫氫制丁二烯裝置的核心設備，一旦出現故障，整個裝置將被迫停車，造成重大經濟損失。做好大型生成氣壓縮機組的國產化開發設計，既可以替代進口，也有助于氧化脫氫制丁二烯裝置的連續穩定運行。

2012年末，國內某10萬t/a氧化脫氫制丁二烯裝置對生成氣壓縮機組的機型、關鍵配置進行了專家論證，原則上同意生成氣壓縮機組采用國產螺桿壓縮機，替代進口產品。此時國內正在建設的幾套氧化脫氫制丁二烯裝置單條線還僅是2.5萬t/a的規模，雖然也采用國產螺桿壓縮機組，但由于裝置規模差別太大且還未建成投產，參考意義不大，10萬t/a規模的生成氣壓縮機組的具體配置及布置方案還需重新研發。本文對機組配置及布置方案的設計選型過程進行詳細闡述，并通過現場實際運行數據來驗證其合理性，同時提出優化方向。

1 機組選型設計

生成氣壓縮機輸送丁二烯混合氣體，其主要氣體組成為丁二烯、丁烯、丁烷、氮氣和少量氧氣、含氧化合物。由于丁二烯含有兩個不飽和雙鍵， 在高溫下極易發生自聚， 甚至存在爆炸風險【3】， 因此要求壓縮過程中最高溫度不得高于80 ℃。溫度控制是生成氣壓縮機組設計的核心技術， 所有布置及配置方案均與溫度控制密切相關。隨著壓縮機組的大型化， 在進行溫度控制的布置及配置方案設計時， 也需要特別考慮可靠性和經濟性。

該項目生成氣壓縮機單級壓縮與兩級壓縮主要操作/運行參數見表1。其主要難點有二：1)氣量大，達65 000 kg/h，是當時國內工藝螺桿壓縮機的最大氣體處理量，需要壓縮機組在較高的轉速下運行來滿足氣量要求。2)壓縮機組的進出口壓比大， 約為6.67， 溫升較大。壓縮機組的這兩個重要參數， 都不利于主機及系統設計中的溫度控制。

表1 壓縮機單級壓縮與兩級壓縮主要操作/運行參數

如果按照傳統方案，生成氣壓縮機選擇單級壓縮方案，根據氣體熱力過程方程【4】

計算得到排氣溫度T2高達133 ℃。

雖然單級螺桿機組可以做到壓比6.67，但考慮到80 ℃的最高溫度限制，對選型進行優化，選擇將機組按兩段壓縮進行設計，以顯著地降低每一段氣體出口溫度。中間冷卻器通過采用低溫冷凍水替代普通循環水進行換熱，可以進一步降低第二級的氣體入口溫度。利用螺桿壓縮機對帶液壓縮不敏感的特性，向壓縮機腔體內噴入低溫工藝水對壓縮過程進行冷卻。每一級壓縮所需的噴液量通過計算實現自動控制，使噴入的液體能得到良好的霧化。即使偶爾過飽和，對機組運行也沒有太大影響。壓縮產生的熱量一部分由主機內部噴液移出，一部分由級間冷卻移出。

在額定工況下，一級壓縮機出口工藝氣處于過熱狀態，所噴入的少量液態水在壓縮機出口完全汽化。噴液增濕后的氣體經中間冷卻器降溫后，將析出少量液態水，再經一級分離器分離后，進入二級壓縮機。二級壓縮后的氣體進入二級冷卻器及二級分離器，之后再進入下游工段。

兩級壓縮帶中間冷卻加上壓縮機腔體噴液的組合方案中，兩級排氣溫度設計值均為72 ℃。兩級的壓縮比，通過模擬計算達到最優匹配。壓縮機腔體的噴液量，在熱力學模型中需要反復優化，若噴液量過大，將不利于入口噴液的霧化效果，使得壓縮過程中氣體與噴入液體的換熱效果下降，導致排氣溫度因噴液量的增加而升高；此外，噴液量過大會導致壓縮機振動增大，功耗增加。因此，準確選擇并控制噴液量，不僅可以實現溫度控制，還可以有效降低能耗及噴液的沖蝕影響，提高機組可靠性。通過計算，一級和二級的噴液量分別取1.4 t/h和3.0 t/h，此時出口水蒸氣為過熱狀態，噴液量適中，既起到了潤滑、密封、降噪以及沖刷雜質的作用，又不會帶來較大的流動損失和振動。

一級、二級壓縮機直徑、長徑比及額定轉速主要由一級、二級入口氣量決定，二級壓縮機入口氣量由級間壓力決定。合理選取級間壓力不僅能有效控制兩臺壓縮機的最高溫度，還可以節省整個機組能耗。為了確定合理的級間壓力，需要對級間壓力損失進行準確的測算。級間壓力損失主要由冷卻器、分離器流動阻力損失導致。該項目依據工藝螺桿壓縮機工作過程模擬與選型設計軟件，同時借助PROⅡ等工藝設計軟件對工藝參數進行計算，以達到溫度控制與節能的目標。

2 機組布置方案

該生成氣壓縮機組按照兩級壓縮設計。在當時正在研制的小型氧化脫氫制丁二烯裝置中，兩級壓縮一般通過兩臺驅動機分別驅動兩臺壓縮機的方案實現。在本次10萬t/a規模的裝置中，研發團隊經過反復論證，創新地提出兩臺壓縮機共用一臺汽輪機驅動的方案。這不僅可以提高汽輪機的效率，同時也降低了整套機組的操作難度。但是，兩臺壓縮機與汽輪機的布置及連接，需要認真比選串聯和并聯方案。串聯方案布置及連接相對簡單，但對一級壓縮機陽轉子(轉子直徑630 mm)強度設計要求高，對機組的制造、安裝等其他因素也提出了較高要求。若采用并聯布置方案，需要設置齒輪箱來實現一臺汽輪機驅動兩臺壓縮機的操作。通過齒輪箱連接，兩臺壓縮機還可以選擇不同的傳動比以在最高效的轉速下運行，有效提高了容積效率。為了確保整套機組的穩定運行，開發過程中充分考慮齒輪箱跨距(約1 m)過大的不利因素，采用轉子動力學軟件進行機組扭振分析。

3 運行情況

10萬t/a氧化脫氫制丁二烯裝置于2017年9月開車成功，至今運行已超過3年。其中，生成氣壓縮機組運行平穩，在不同裝置負荷下均能滿足各項工藝要求。生成氣壓縮機組投產后的照片見圖1。

表2列出了某兩日分別提取的100%、80%負荷下，壓縮機組4組運行數據的平均值。從表2 中可以看出，機組各項參數指標都處于正常區間范圍內，達到了設計預期。

圖2所示為生成氣壓縮機不同情況下的出口溫度。

通過分析表2和圖2的數據，可得出如下結論：

圖2 生成氣壓縮機不同情況下的出口溫度

表2 100%、80%負荷下壓縮機組4組運行數據的平均值【5】

1) 一級排氣實際溫度僅為57.9 ℃，遠低于設計溫度72 ℃。雖然一級實際噴水量略高于設計值，考慮到中間換熱器的實際換熱效果與理論計算基本一致，基本可以推斷出壓縮機腔體噴液的冷卻效果遠高于設計預期。

2) 一級排氣溫度大幅降低后，二級噴水量也相應大幅減少，兩級總噴水量小于設計值。

3) 從機組運行狀態數據看，振動值和軸位移數據都在設定范圍內，驗證了布置方案的合理性和穩定性。

4 優化方向

結合表2的數據及該機組的現場運行情況，以下兩方面需進一步優化：

1) 從噴液量數據看，80%負荷下二級噴水量略高于100%負荷下的數值，與相應的一級噴水量大小關系不符，需要進一步進行理論分析，找出具體原因。

2) 一級壓縮機排氣側軸承振動值偏大。從現場調研發現，部分小管線出現裂紋，初步判斷排氣側振動值偏大與小管線振動過大有關。在后續改造中，應對小管線進行應力計算。

5 結語

從生成氣壓縮機組設計的核心要素——溫度控制入手，重點闡述了國產化機組設計選型中配置及控制方案的研發過程及最終結論，同時通過現場監測的運行數據驗證設計選型的正確性，并總結出優化方向。

該套機組的運行成功不僅標志著大型氧化脫氫制丁二烯裝置擁有了可靠的國產核心設備，也有力地推動了我國石化行業大型裝備國產化的穩步前行。