乙烯裝置膨脹再壓縮機性能試驗及評價

姜 良 李文琦 楊思思 付大春 李志權 范吉全

中國寰球工程有限公司北京分公司, 北京 100101

0 前言

現代乙烯工業中,膨脹再壓縮機作為低溫分離流程獲取冷量的關鍵設備,制冷效果遠優于節流膨脹閥的制冷效果,其性能優劣對于提升乙烯收率、降低裝置能耗水平具有重要影響[1-2]。膨脹再壓縮機是一種高速葉輪機械,由膨脹機和壓縮機組成,轉速可達 20 000～40 000 r/min,而且通常在低溫環境下運行,技術難度大、科技含量高,目前嚴重依賴進口。中國膨脹機技術發展比較緩慢,在航天領域有一些低溫氦氣膨脹機方面的研究,但尚未工業化應用推廣[3-5];在空分領域,杭氧集團、四川空分集團等制造企業通過引進國外技術,已經可以生產一些空分膨脹機,但在石油化工裝置上還鮮有應用[6-7];一些石油化工運營單位聯合研究所、制造廠在空分膨脹機的基礎上開展膨脹再壓縮機國產化研究,但研究深度還遠遠不夠[8-9]。性能試驗是檢驗膨脹再壓縮機性能的重要措施,國際上尚無直接相關試驗標準,國外的性能試驗一般依據廠家經驗進行；國內的性能試驗還僅限于個別領域內開發階段的方案測試[10-12],應用時也缺乏可靠的試驗結果評價措施。近年來，隨著能源化工行業,特別是氫氣、甲烷等新能源領域的快速發展,膨脹再壓縮機的市場需求愈加擴大,有必要對膨脹再壓縮機的性能試驗和評價展開研究。本文針對某乙烯裝置高壓膨脹再壓縮機,結合工藝流程需求,對其性能試驗的原理、方案和具體過程展開介紹,并依據相似理論開發了試驗結果核算程序對試驗結果進行評價。深入探索和研究膨脹再壓縮機性能試驗方案設計和試驗結果評價,對檢驗機組性能有重要意義,也有助于膨脹再壓縮機國產化研究。

1 膨脹再壓縮機概述

1.1 工藝流程及參數

以某乙烯裝置為例說明膨脹再壓縮機的工作流程和用途。該乙烯裝置以乙烷為原料,采用前脫乙烷前加氫工藝，其中低溫分離系統膨脹再壓縮機工藝流程見圖1。

圖1 低溫分離系統膨脹再壓縮機工藝流程圖

上游分離出的低溫氫氣和甲烷混合氣體首先進入高壓膨脹機膨脹做功,經過分液罐后進入低壓膨脹機膨脹做功,然后經冷箱換熱后逐級進入低壓壓縮機和高壓壓縮機。氣體經膨脹機后溫度會進一步降低，并且發出一定功率，可以為冷箱系統提供冷量用以分離出乙烯產品，而發出的功率則作為壓縮機運轉的動力。由于介質中含有大量氫氣,單臺膨脹機能力受限,因此配置高壓和低壓2臺膨脹再壓縮機串聯使用。高壓膨脹再壓縮機設計參數見表1。

表1 高壓膨脹再壓縮機工藝參數表

1.2 結構及原理

膨脹機和壓縮機采用同軸設計,中間為軸承系統;膨脹機吸入高壓氣體膨脹制冷并輸出功率,帶動壓縮機旋轉從而壓縮氣體。膨脹再壓縮機是一種功率自平衡機械設備,會根據膨脹功和壓縮功自動平衡轉速,如果壓縮機功率偏高其轉速會變低,反之則轉速升高,運行時很容易偏離設計工況[13]。為了提高機組性能,通常會設計很高轉速,采用開式或半開式葉輪,并配套使用鋁合金、鈦合金等高比強度材料,軸承可以使用磁力軸承以進一步降低軸承損耗[14],因此對整個機組的設計和制造要求都很高。膨脹再壓縮機典型結構見圖2。

a)原理圖

2 性能試驗原理

2.1 性能試驗考核指標

根據API 617—2014 Axial and Centrifugal Compressors and Expander-compressor[15](以下簡稱API 617—2014),制造后的膨脹再壓縮機應保證膨脹機在設計速比下的等熵效率不低于設計等熵效率的98%,壓縮機在正常流量下的能頭不低于設計能頭的98%,而且在保證工況下壓縮機吸收的功率為膨脹機發出功率的96%～106%。

2.2 性能試驗計算方法

膨脹再壓縮機由膨脹機和壓縮機組成,壓縮機為單級離心壓縮機,國內外都有直接可遵循的試驗標準,而膨脹機沒有可參照的具體標準,將參照ASME PTC-10(2009)Performance Testing of Centrifugal Compressors-The real Gas Calculation Method[16](以下簡稱ASME PTC-10)、葉輪機械設計理論[17-18]和廠家經驗進行試驗。根據考核指標,膨脹機性能試驗主要為了驗證機組等熵效率和功率,等熵效率是機組實際焓降和等熵焓降的比值,可以根據式(1)～(3)獲得,而功率則可根據式(4)通過實際焓降與吸入流量獲得，速比則可以根據式(5)獲得。可見,只需要測量出機組進出口溫度、壓力以及流量等參數,就可計算得到機組實際的等熵效率和功率等,進而評價機組的性能水平。

(1)

ΔHa=Cp×(T1-T2)

(2)

(3)

P=m×ΔHa

(4)

(5)

式中:ΔHs為等熵焓降,kJ/kg;ΔHa為實際焓降,kJ/kg;CP為定壓比熱容,kJ/(kg·K);k為絕熱指數;T1為膨脹前溫度,K;T2為膨脹后溫度,K;p1為膨脹前壓力,kPa;p2為膨脹后壓力,kPa;φ為等熵效率;P為軸功率,kW;m為膨脹機質量流量,kg/h;Xa為速比;U為葉輪輪緣速度,m/s;C為機組等熵噴射速度,m/s。

2.3 性能試驗相似理論應用

在試驗過程中,因條件受限,往往無法獲得和設計工況一樣的氣體組分、壓力、溫度等,因此會依據相似理論進行相似試驗[19]。根據透平機械基本理論,要符合流動相似,需要保證機組在兩個工況下幾何相似、運動相似、動力相似和熱力相似,工程中通常做法是要求決定性的相似準則相似,如表征黏性影響的雷諾數、表征可壓縮性的馬赫數和絕熱指數等[20]。根據ASME PTC-10及廠家經驗,膨脹機性能試驗采用的相似準則及其可接收偏差范圍如下：速比0.95～1.05，流量轉速比0.90～1.10，比容比0.95～1.05，雷諾數(參考準則)見圖3-a)，馬赫數(參考準則)見圖3-b)。

a)雷諾數

根據實際測試經驗,在相似試驗條件下很難保證壓縮機和膨脹機同時符合如上相似準則,因此壓縮機和膨脹機一般都獨立進行性能試驗,另一側根據計算獲得需要匹配的條件。

3 性能試驗方案及過程

3.1 試驗方案

3.1.1 試驗氣體選擇

根據ASME PTC-10,膨脹機性能試驗可以分為Ⅰ型和Ⅱ型。Ⅰ型試驗完全復現機組運行情況,包括氣體組分、轉速、壓力等,Ⅱ型試驗是在上述試驗條件不易或無法實現的情況下進行的相似試驗。本機組處理氣體為氫氣和甲烷混合氣體,平均分子量約4 g/mol,且入口溫度較低,試驗時不易獲取,參照廠家經驗做法,經多方協調后采用空氣作為替代氣體。空氣是一種安全氣體,物理特性和熱力特性也較為清晰,可以進行開式試驗。

3.1.2 試驗條件及轉速確定

選定空氣介質后,需要確定具體的試驗條件。由于采用開式試驗,膨脹機的出口壓力為大氣壓,入口溫度和壓力由氣源決定,為了更好達到相似條件,也可以對進出口條件進行一定調整。假定膨脹機制造后能力和設計能力一樣,則膨脹機效率應該一樣,根據比容比相似準則進而可計算出試驗狀態出口密度和溫度;類似于壓縮機的能頭系數,速比是決定膨脹機性能非常關鍵的因素,也是一個重要的相似準則,結合式(4)可計算出膨脹機等熵噴射速度,進而可以確定膨脹機的相似試驗轉速;再根據流量轉速比準則可計算出試驗需要的氣量。設計后還應考慮雷諾數和馬赫數的偏差,實時調整測試條件,以便達到充分的流動相似。本機組的設計條件與試驗條件見表2。

表2 膨脹機設計條件與試驗條件表

3.1.3 性能試驗裝置

膨脹再壓縮機性能試驗在測試臺進行,主要包括機組測試回路部分和數據自動采集及處理部分。機組性能試驗臺配置見圖4,本次試驗采用開式試驗,壓縮機入口和出口都與大氣直接相連,膨脹機入口與高壓空氣管道連接,出口直接排放至大氣,高壓空氣由測試臺空壓機提供。為了試驗管路的匹配性,膨脹機入口速關閥采用試驗臺速關閥組件。

圖4 試驗臺配置示意圖

從試驗原理可知,膨脹機性能試驗需要記錄機組入口溫度、入口壓力、出口溫度、出口壓力、流量、轉速等參數,然后通過計算獲得機組性能,其中流量通過孔板流量計測量。溫度和壓力儀表布置在機組進出口管道上,為了測試數據的準確性,按照ASME PTC-10做法同時記錄4組數據,每1個測量截面間隔90°垂直布置4個測量儀表,計算時舍去偏差較大的數據,對于壓力信號,為了保證測量的準確性,還需要在機組進出口設置足夠長的直管段。測試數據通過變送器發送到控制臺,由測試臺自動采集數據并記錄處理。所有的儀表在測試前應經過功能測試和校驗,以消除儀表本身的誤差[21]。由于采用空氣試驗,還需要記錄測量時的大氣壓和濕度,以便準確計算空氣介質物性參數。

3.2 試驗過程

按照設計的試驗條件準備試驗臺,做好必要的安全措施,然后開始膨脹機試驗。本機組采用磁力軸承系統,需要將軸承及其磁力控制系統組裝好以后進行試驗。試驗過程如下。

1)完成輔助系統準備。密封系統調試合格,磁力軸承通電保證軸承處于懸浮狀態。

2)啟動膨脹再壓縮機。保證膨脹機入口導葉閥門(Inlet Guide Vane,IGV)關閉、壓縮機入口切斷閥全開。

3)逐漸打開膨脹機IGV進行升速。

4)調整進出口參數以達到設計的試驗點。

5)試驗點膨脹機出口溫度穩定后進行數據記錄。

6)重復上述步驟4)和5)完成所有測試點。

3.3 試驗結果與評價

由于采用相似試驗,獲取的試驗數據不能直接用于性能評價,需要換算到設計工況,特別是還應對膨脹機特性曲線(效率—速比曲線)進行適當修正,典型效率修正曲線見圖5。

圖5 膨脹機性能試驗效率修正曲線圖

由于國外制造廠僅提供試驗數據和換算后的性能曲線,對于換算的合理性、正確性無法判斷,因此也同時設計了性能試驗核算程序,用于結果對照。核算程序的設計理論與前述試驗理論一致,但計算順序相反。膨脹機實際試驗數據與根據核算程序換算后的結果見表3,其他測試點換算結果也基本一致,試驗性能曲線見圖6。

表3 膨脹機試驗數據與換算結果表

圖6中試驗點為膨脹機在設計條件下的實際測試結果,根據試驗空氣介質換算到設計條件時的試驗效率為82.55%,高于設計值81.5%,其他測試點效率也等于或略優于設計值,各考核參數均滿足API 617—2014要求,證明機組制造后的性能滿足設計要求。

圖6 試驗性能曲線圖

根據表3數據計算,試驗條件和設計條件的馬赫數和雷諾數偏差都在允許范圍內,試驗條件的流動狀態與實際流動狀態較為接近,也保證了試驗結果的準確性。另外,可以發現表3換算結果中的出口溫度、流量等與表2中的設計條件差別較大,這主要是由于在設計條件下機組出口會有部分氣體液化,液化過程導致實際溫度低于計算溫度,實際出口氣體流量低于計算出口氣體流量,因此在機組相似換算中應特別關注液化問題。

4 性能試驗注意事項

膨脹再壓縮機是一種高速復雜設備,特別是本機組采用磁力軸承設計,正常運轉時機組轉子系統需要時刻處于懸浮狀態,配套的安保輔助陶瓷軸承只能承受5次全載荷沖擊,性能試驗時既要注意保護機組的安全性,又要考慮試驗結果的準確性。

1)試驗前必須進行安全性檢查。

2)試驗轉速的選擇需要考慮足夠的安全性。試驗轉速由試驗介質與試驗時的進出口條件決定,試驗臺進出口狀態可以在一定范圍內調整,設計時需要避開臨界轉速,特別是壓縮機側試驗時還需要考慮足夠的裕量,以保證對喘振現象的準確判斷。

3)試驗條件的設計還應考慮試驗介質狀態,應避免膨脹后產生凝液、結冰現象,介質單相流狀態是試驗結果熱動力換算的可靠保證[22]。

4)膨脹機試驗時還應考慮對應狀態下壓縮機的性能,如果某個試驗點無法與壓縮機匹配,還應調整壓縮機狀態,如壓縮機的入口溫度、入口壓力等。

5)膨脹機設置有IGV,為了保證試驗條件的流動相似,應保證在每個試驗點的IGV開度與對應設計工況下的IGV開度一致。

6)膨脹機每個試驗點的獲得需要不斷調整相關參數靠近,測量時保證速比一定,流量轉速比盡可能一致,以減少修正。

7)試驗中的調節主要通過膨脹機噴嘴調節,為了達到測試目的,可能需要進行必要的試驗臺調整。

8)為了保證流動的相似性，對應試驗點的IGV開度應與實際工況開度一致。

9)試驗前所有測量儀表需經過必要的校驗,測試系統用管徑、長度、變徑、彎頭等應合理設計,以減少測量誤差。

5 結論

膨脹再壓縮機在乙烯裝置中占據核心地位,性能試驗是保證其質量的重要環節,開展相關研究對于促進其國產化、提升乙烯裝置收益率都具有重要意義。本文利用相似理論,對某乙烯裝置膨脹再壓縮機的膨脹機部分進行試驗方案設計、測試,并對試驗結果進行核驗評價,得出如下結論。

1)本膨脹再壓縮機制造后性能滿足設計要求,結合流體相似理論開發的試驗結果核算程序結果滿足工程設計使用要求。

2)膨脹機性能試驗參數的設計、試驗臺的搭建、試驗過程中的操作以及試驗結果的驗證都對試驗結果的可靠性有重要影響,試驗時需要對各環節進行把控。

3)對于低溫膨脹機性能試驗,試驗設計和結果核算過程中應特別關注機組出口凝液問題,該問題會對試驗條件和試驗結果產生較大的影響。