提高膨脹機(jī)制冷量的研究與應(yīng)用

馬 健 張萌萌 李 輝

（陜西延長石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司永坪煉油廠）

0 引言

某煉油廠氮氧站裝置是根據(jù)空氣中各組分沸點不同的原理將氮氣分離。原料空氣由空氣壓縮機(jī)壓縮至0.9 MPa，經(jīng)預(yù)冷機(jī)組預(yù)冷并經(jīng)油水分離器分離游離水以及空氣中可能帶入的油分后，進(jìn)入純化器，在純化器中吸附原料空氣中的水分、二氧化碳、碳?xì)浠衔锖筮M(jìn)入分餾塔，空氣在分餾塔中經(jīng)主換熱器與返流之富氧氣及氮氣進(jìn)行換熱而冷卻到飽和溫度后進(jìn)入精餾塔進(jìn)行精餾,在精餾塔的頂部得到高純度氮氣。膨脹機(jī)是氮氧站裝置中空分設(shè)備的配套機(jī)組，該設(shè)備為臥式單級徑軸向心反擊式油軸承透平，對外做功將氣體溫度降至約-180 ℃，為整個裝置提供冷量。由冷凝蒸發(fā)器輸送的富氧氣經(jīng)膨脹降溫后通過過冷器，并經(jīng)過板式換熱器復(fù)熱，用于純化器再生。

2020 年11 月以來，氮氧站裝置運(yùn)行不平穩(wěn)，空分設(shè)備故障率較高，經(jīng)研究分析后可知，主要制冷設(shè)備的膨脹機(jī)組制冷量不足，無法維持空分設(shè)備的熱平衡，使空分設(shè)備故障檢修頻率增加，導(dǎo)致氮氧站裝置氮氣制備量減少，從而影響原油加工的產(chǎn)量。

1 存在的問題

膨脹機(jī)的制冷量是指膨脹機(jī)對外輸出功造成氣體的壓力、溫度降低，焓值減小，氣體的能量減少，從而增加的吸熱能力。根據(jù)膨脹機(jī)進(jìn)、出口氣體的溫度、壓力等數(shù)值，從空氣的熱力性質(zhì)圖上查到相應(yīng)的比焓值，并經(jīng)分析計算，得出膨脹機(jī)月均制冷量理論值為1 680 kJ/kmol。

對2020 年11 月到2021 年1 月膨脹機(jī)平均制冷量進(jìn)行了統(tǒng)計，具體如表1 所示。

表1 膨脹機(jī)制冷量統(tǒng)計表

從表1 可以發(fā)現(xiàn)，2020 年11 月到2021 年1 月期間，膨脹機(jī)平均制冷量為1 173 kJ/kmol，與膨脹機(jī)理論計算值相差較大。隨后通過查閱設(shè)備運(yùn)行記錄，在2017 年2 月—5 月期間，膨脹機(jī)月均制冷量最高可達(dá)到1 968 kJ/kmol，因此，將膨脹機(jī)制冷量提高到1 680 kJ/kmol 以上是有可能的。

2 原因分析

為了確定膨脹機(jī)月均制冷量不足的原因，對膨脹機(jī)的各項運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行了分類統(tǒng)計和分析對比。

2.1 各運(yùn)行班次制冷量分析

2020 年11 月到2021 年1 月期間，各運(yùn)行班次機(jī)組制冷量數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果可見表2。

表2 各班次制冷量對比表

對表2 數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后可知，各運(yùn)行班次之間膨脹機(jī)制冷量平均值相差不大，且數(shù)值均較低。

2.2 設(shè)備故障分析

根據(jù)該設(shè)備檔案統(tǒng)計，對 2020 年11 月到2021年1 月此期間膨脹機(jī)出現(xiàn)制冷量不足的故障類型進(jìn)行統(tǒng)計，詳見表3。

表3 膨脹機(jī)運(yùn)行故障統(tǒng)計表

根據(jù)表3 數(shù)據(jù)形成排列圖，詳見圖1。

圖1 膨脹機(jī)運(yùn)行故障排列圖

由圖1 可知，累計頻率在80%以內(nèi)的是導(dǎo)致設(shè)備故障的主要問題。對上述統(tǒng)計數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后可知，膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速過低是膨脹機(jī)制冷量不足的主要原因。

3 優(yōu)化改造

針對膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速較低的問題，擬定調(diào)整膨脹機(jī)制動閥開度、重新修正膨脹機(jī)參數(shù)設(shè)定、優(yōu)化過濾系統(tǒng)等措施。

3.1 調(diào)整制動閥開度

為了更準(zhǔn)確地確定制動閥開度對膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速的影響，將制動閥開度分別設(shè)置為70%、80%、90%及100%，在確保其他參數(shù)不變的情況下，測試膨脹機(jī)的轉(zhuǎn)速，試驗結(jié)果可見表4。

表4 膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速統(tǒng)計表

將表4 數(shù)據(jù)采用折線圖表示，詳見圖2。當(dāng)制動閥開度增大時，膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速相應(yīng)得到提高。

圖2 膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速統(tǒng)計圖

3.2 修正膨脹機(jī)參數(shù)設(shè)置

為了進(jìn)一步確定膨脹機(jī)調(diào)整制動閥開度最佳開度大小，以及進(jìn)口溫度、壓力變化對膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速的影響，通過正交實驗的方法來確定最佳參數(shù)。

將影響膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速的3 個關(guān)鍵參數(shù)形成正交實驗因素表，詳見表5。

表5 正交實驗因素表

對將各個因素的取值進(jìn)行分析，形成三位級，詳見表6。

表6 正交試驗方案表

根據(jù)上表，設(shè)計L9(33)正交試驗方案，并根據(jù)試驗類別分別測得膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速值，如表7 所示。

表7 不同參數(shù)下膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速統(tǒng)計表

通過對比9 組實驗數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)速值，分析確定第7組實驗的轉(zhuǎn)速數(shù)值最高，即A1B3C3 為最佳組合；根據(jù)表7 數(shù)據(jù)得出趨勢圖，詳見圖3，由圖3 同樣可知A1B3C3 為最優(yōu)參數(shù)組合。

圖3 因素位級實驗趨勢圖

由于因素B 的極差R為9，比其他列極差更大，這說明因素B 進(jìn)口溫度的變化是影響膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速的重要因素，由此可知，參數(shù)對結(jié)果影響權(quán)重依次為B＞C ＞A。

分析對比直觀分析和組合分析組合結(jié)果一致，可以確定參數(shù)設(shè)定的最優(yōu)方案為：進(jìn)口壓力為400 kPa，進(jìn)口溫度為140 ℃，進(jìn)口閥開度為100%。

3.3 改造過濾系統(tǒng)

在原設(shè)備工藝流程（詳見圖4）的基礎(chǔ)上新增過濾器自潔系統(tǒng)（詳見圖5），在膨脹機(jī)出口閥過與濾器之間安裝反吹管線，并新增電磁閥和電動控制箱，通過一定頻率的反吹實現(xiàn)過濾器的定期自潔功能，在降低人工成本的同時，有效減少了濾芯堵塞面積。

圖4 原設(shè)備流程

圖5 新增過濾自潔系統(tǒng)

在原入口過濾器（詳見圖6）周圍新增安裝過濾網(wǎng)（詳見圖7），可以有效阻擋空氣中的大分子雜質(zhì),進(jìn)一步降低了濾芯負(fù)載，延長了濾芯的使用壽命，最大程度地保障膨脹機(jī)設(shè)備正常運(yùn)行。

圖6 原過入口濾網(wǎng)示意圖

圖7 新增濾網(wǎng)示意圖

4 效果評價

4.1 運(yùn)行效果

為了進(jìn)一步驗證改造后的運(yùn)行效果，統(tǒng)計分析了改造前后的膨脹機(jī)制冷量數(shù)據(jù)，如表8 所示。

表8 膨脹機(jī)制冷量效果對比統(tǒng)計表

根據(jù)表8 數(shù)據(jù)分析可得，膨脹機(jī)的制冷量在改造后有明顯提高，平均月均制冷量可達(dá)1 877 kJ/kmol，一直保持在理論值計算值1 680 kJ/kmol 以上，設(shè)備整體運(yùn)行平穩(wěn)。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益

改造實施過后，優(yōu)化了過濾系統(tǒng)，提高了膨脹機(jī)制冷量，降低了膨脹機(jī)入口濾芯更換頻次，成本節(jié)約統(tǒng)計如下：

（1）濾芯單價S1=2 000 元，濾芯個數(shù)a=120 個；

（2）措施前濾芯費用Q1=120×2 000=24 萬元；

（3）過濾網(wǎng)費用Q2=1 000 元；自潔系統(tǒng)費用Q3=2 萬元；

（4）人工成本Q4=1 000 元。

通過計算可知，共節(jié)省成本Q=Q1-Q2-Q3-Q4=24-0.1-0.1-2=21.8萬元

5 結(jié)語

通過本次優(yōu)化改造，提高了膨脹機(jī)制冷量，成功解決了因制冷量不足造成空分設(shè)備運(yùn)行異常的問題，降低了設(shè)備的檢修頻次，保證了氮氧站平穩(wěn)運(yùn)行，從而保證了全廠用氮設(shè)備的安全穩(wěn)定，提供優(yōu)質(zhì)可靠的煉化石油，提升了生產(chǎn)裝置設(shè)備管理水平,延長了生產(chǎn)裝置運(yùn)行周期。