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編 輯 | 化工活動家

來 源 | 乙烯工業 獨山子石化

作 者 | 羅靈力等

關鍵詞 | 乙烯裝置  裂解氣壓縮機  長周期運行

共 5867 字 | 建議閱讀時間 20 分鐘

導 讀

獨山子石化1000kt/a乙烯裝置于2009年9月17日建成投產，工藝流程采用林德前脫乙烷前加氫技術，裂解氣壓縮機為德國西門子公司設計制造，采用抽汽凝汽式透平，五段壓縮，段間注水工藝，在四段與五段之間設置堿洗單元。裂解氣壓縮機作為乙烯裝置的心臟，只有保證其正常周期運行，才能保障裝置的平穩運行。

裂解氣壓縮系統工藝流程

裂解氣經過五段壓縮，壓力(絕)由0.13MPa升高至3.8MPa。每段壓縮后，裂解氣由段間冷卻器冷卻。裂解氣中的水和重組分在這些冷卻器中冷凝。富含芳烴的凝液和工藝水在段間吸入罐中分離，且凝液分別從后段吸入罐返回至前一段吸入罐，最終聚集在二段吸入罐。其次，酸性氣體在裂解氣壓縮機四段和五段之間脫除。另外，裂解氣壓縮機配備2條防喘振線，防止在壓縮機吸入流量低的情況下發生喘振。圖1為裂解氣壓縮機系統工藝流程。

裂解氣壓縮機系統出現的問題及對策

對于不同裝置、不同的工藝設計可能出現不同的影響壓縮機長周期運行的問題，就獨山子石化乙烯裝置來說，主要出現有如下幾個問題。

01

低壓閥全開改變透平控制模式

裂解氣壓縮機采用抽汽凝汽式蒸汽透平驅動，驅動蒸汽全部來自裂解爐自產的超高壓蒸汽(SS)，靠高、低壓調節閥(SV31800、SV31801)來調節抽汽和凝液量。當裂解爐自產的SS品質存在缺陷，且在SV31800維持SS壓力穩定的前提下，只能靠開大SV31801閥來滿足透平做功，這將導致裂解氣壓縮機透平抽汽量(高壓蒸汽量)減少，凝液量增加，并增大裝置能耗。在壓縮機大負荷運行時，時常造成低壓閥全開，使壓縮機失去操作彈性，給裝置安全穩定運行帶來不利影響。圖2為裂解氣壓縮機透平示意。

正常運行期間，透平的轉速和進汽壓力同時被控制，使用2個獨立的控制回路，從轉速控制器和進汽壓力控制器來的信號輸入內在的比率邏輯比率電路使SV31800和SV31801控制閥相互作用，使透平轉速和進汽壓力均達到操作要求。當進汽壓力增加時，進汽壓力控制器將開大SV31800控制閥，但會造成透平轉速升高，此時轉速控制器就會關小SV31801控制閥。在正常運行時，轉速控制器作用于SV31801控制閥，轉速控制器提高轉速將通過開大SV31801控制閥實現，反之亦然。其閥門邏輯如下：

SV31801=D4S+D5INLT+D6

SV31800=INLT(10PIC81001的輸出)

式中：S-轉速SIC31804的輸出，INLT為PIC81001的輸出，其中PIC81001為SS管網壓力控制器；Di(i=4，5，6)-常數。

透平不同設計工況下運行參數見表1。

由表1可見：在不同的生產工況下，裂解氣壓縮機組的轉速均在小于額定轉速4140r/min下運行，而實際生產中其轉速高于額定轉速，且真空度(表)較設計值約小10kPa，這將導致蒸汽在透平低壓缸做功偏小于設計值，造成機組速度控制器將透平的低壓閥開大，以提高透平的輸出功率，這也是目前透平低壓閥開度始終較大的原因。

在裝置高負荷運行的情況下，尤其是在大負荷加工輕烴的工況下，SS品質較差，其溫度偏離設計值(515℃)較大。當裂解爐高備停爐檢修時，SS產汽量將減少25～30t/h，造成裂解氣壓縮機的低壓閥開度變大，如果低壓閥開度不小于99%，機組控制系統默認為高壓閥處于轉速控制優先狀態，機組的轉速控制器將繼續開大HP閥來滿足原先轉速，造成SS管網壓力隨機組負荷波動，有可能導致裂解爐因汽包液位低聯鎖，出現重大非計劃停車事故。

針對SS溫度偏離設計值較大這一問題，決定通過采取裂解爐對流段化學清洗來提高對流段傳熱效率，進而提高SS溫度。實踐表明，裂解爐對流段化學清洗后裂解氣壓縮機透平的性能得到了改善，其關鍵數據見表2。

由表2可知：化學清洗后，SS溫度得到顯著提升，升幅為18℃。其次，與化學清洗前相比，清洗后裂解氣壓縮機盡管負荷較大，但其SS進汽流量反而減少8.2t/h，表明溫度是SS品質的主要保障因素。另外，在化學清洗后，裂解氣壓縮機透平進汽量小，但其抽汽流量和溫度均較高，這與其高壓調節閥開度變大和低壓調節閥開度減小相一致，閥門的動作結果致使了更多的抽汽流量，由于裂解氣壓縮機透平的抽汽進入高壓蒸汽管網，在某種程度上降低了裝置補入的高壓蒸汽量，進而降低裝置能耗。

圖3為裂解氣壓縮機整體性能曲線。

目前裝置負荷較大，當壓縮機轉速在4240r/min左右時，其轉速負荷約為102.4%，壓縮比約為28.3。圖3藍色五角星為裝置目前的操作點。由此可知，經過化學清洗，因裂解爐所產SS品質得到提高，使裂解氣壓縮機在低壓閥不全開的前提下繼續升高轉速，不僅增加了裝置的乙烯產量，同時使裂解氣壓縮機運行點距離喘振區域更遠。

 

圖4為裂解氣壓縮機透平的蒸汽消耗與功率關系。

由于目前SS的溫度和壓力與其設計值［515℃、11.6MPa(表壓)］仍有一定偏差，根據蒸汽修正曲線對化學清洗前后的SS溫度和壓力參數進行修正，得到化學清洗前后壓縮機工作點A和B及其對應的功率C和D。由圖4可知：化學清洗前，如果透平轉速繼續升高，勢必造成透平低壓調節閥繼續開大，甚至全開，同時抽汽量減小，致使工作點A向邊界線移動，造成透平靠近邊界線操作。化學清洗后，透平運行點移至B點。首先，在裝置負荷相差較小的情況下，透平功率得到顯著提高，由5300kW增至5500kW，提高了3.7%。其次，壓縮機高負荷運轉的彈性有所增加，至少保證了在A點與B點之間的余量，在分離裝置干燥器泄壓操作期間，也可維持裂解氣壓縮機在相對較高的負荷下運行。

 

另外，獨山子石化公司乙烯裝置的超高壓蒸汽管道自2009年投用至今，管道系統保溫材料普遍存在老化、保護層破損和熱量損失嚴重等問題，這也是SS品質無法保證的主要原因之一。盡管采用裂解爐對流段盤管化學清洗使得SS溫度得到顯著升高，但由于管道材料老化等造成保溫能力下降也不利于裝置的節能降耗。

 

圖5為裂解爐汽包出口至壓縮機透平入口之間超高壓蒸汽溫差隨運行時間變化。

由圖5可知：隨著時間延長，超高壓蒸汽溫差由2010年的1.1℃增至2017年4.19℃，設計溫差為0.5℃，即偏離設計值較大。另外，裝置在2017年2～10月完成了8臺裂解爐的化學清洗，但清洗前后溫差依然較大，約為4.0℃。由此表明：管道保溫材料通過裂解爐對流段盤管的化學清洗可提高裂解爐汽包出口SS溫度，進而間接提高了至裂解氣壓縮機透平的進汽溫度，但蒸汽管道沿途的熱量損失仍然較大。

結合圖6及裝置目前SS溫度可知，SS管道外表面溫度應在46℃左右，但實際測量發現沿途管道中多處外表皮溫度超過50℃，有的測量點甚至高于60℃。由此表明：管道保溫材料存在老化現象，致使保溫效果逐漸變差，造成蒸汽能耗大量損失。裝置計劃于2019年大檢修期間進行超高壓蒸汽管道保溫更換，進而改善SS品質。

02

鍋爐給水中SiO2超標

蒸汽中的雜質會造成透平控制閥及其葉片上形成腐蝕和產生積垢，同時也會造成透平過熱形成鹽積垢，這些因素均會改變蒸汽沖擊葉輪做功方向，嚴重時甚至產生葉片表面擾流，影響蒸汽做功效率，并導致熱動力故障和機械波動，損壞透平部件。裂解氣壓縮機驅動透平由28級葉輪組成，2015年檢修中發現高壓端動靜葉片存在沖蝕，低壓端存在銹蝕問題，蒸汽室組件、隔板、氣封等部件存在不同程度的腐蝕，局部呈現蜂窩狀，并有大量水垢附著物。

 

裂解爐汽包自產SS所用的水來自于透平凝液和動力站補入的精制水，期間因動力站來的精制水和高壓蒸汽中SiO2含量分別高達60.6μg/L和62.4μg/L，造成裂解爐自產的超高壓蒸汽中SiO2含量最高達到172.3μg/L，平均值超過100μg/L。按照西門子要求，透平應以“水平2”的蒸汽數值啟動透平，最大限度防止透平效率下降，然而當SiO2含量達到“水平4”，則意味著蒸汽質量已發生較大的下降，可能導致透平在很短的時間內損壞(腐蝕或積垢)。正常運行期間，指標均為小于20μg/L，西門子給出的指標見表3。

針對該問題，裝置通過大量補入合格的精制水，并開大裂解爐汽包連續排放來置換整個鍋爐給水系統，增加取樣頻次，SiO2合格后停止置換。對于汽輪機結垢問題，雖然可以在不停機的前提下清除垢物，但最主要的就是源頭把控，控制好蒸汽的質量，為此，就需要對水質加強管控，同時通過脫氧器的監控，控制好氧含量，還要對汽包連續排污電導率進行監控，以此有效延長結垢周期。

03

軸位移增大

裂解氣壓縮機自2015年檢修后運行至今，期間裂解氣壓縮機高壓缸止推軸承內側溫度10TXI31801A、B由71、77℃上升到88、94℃(115℃報警，125℃聯鎖)，高壓缸軸位移10ZXI31802A、B由-0.338mm和-0.295mm上漲到-0.395mm和-0.402mm(±0.4mm報警，±0.6mm聯鎖)。由此可見，高壓缸止推軸承溫度和軸位移上漲幅度較大，且軸位移距離聯鎖值較近，隨時可能導致裂解氣壓縮機停車，造成重大損失。圖7為裂解氣壓縮機缸體內壁及隔板梳齒密封處結焦。

由圖7可見：壓縮機缸體內壁及隔板梳齒密封處聚集了大量的聚合物，尤其是梳齒處堆積的聚合物可能會造成密封磨損，造成級間裂解氣竄氣，導致軸向力不平衡。

針對上述問題，裝置前期通過提高阻聚劑注入量后，發現裂解氣壓縮機高壓缸軸向位移開始呈現出逐漸降低的趨勢(見圖8)，由2017年8月份的最高值-0.401mm降至2017年12月-0.357mm，目前仍在緩慢降低的過程中，這表明隨著阻聚劑加入量的增加，裂解氣在壓縮機中發生的聚合反應得到了有效抑制，尤其是對于未注洗油的五段，阻聚劑量的多少發揮了至關重要的作用。

然而，運行了一段時間后，軸位移又呈現出逐漸增加的趨勢，最終又上漲至0.410mm。研究發現：裂解氣壓縮機所用阻聚劑型號為20-Y-3416，主要成分為1，2，4-三甲基苯，且其為油溶性阻聚劑，阻聚劑注入點為壓縮機注水總管，然后通過分配到各段注水管線中，這樣就導致機組各段阻聚劑不能靈活調節加入量，此外一、二和三段注水量較大，四和五段注水量較小，這些就使前三段阻聚劑相對于總的裂解氣量而言，濃度偏高，后兩段阻聚劑濃度偏低，且隨著裂解氣進行五段壓縮，壓縮過程中溫升逐漸增加，使得進入四、五段的裂解氣中的組分易發生聚合，然而聚合物傾向嚴重的通常發生在壓縮機四和五段，因此裝置采取四和五段單點單注等措施改善壓縮機軸位移惡化現象，在裝置保持高負荷運轉的情況下，使得高壓缸軸位移從原先0.410mm降至0.386mm，且目前維持在穩定狀態。高壓缸內側止推軸承溫度由94℃降至88℃，溫度的下降說明推力盤與內側止推軸承的間距變大，摩擦減弱，這與軸位移下降現象相吻合。此外，由于裂解氣壓縮機聚合物為有機物在高溫下聚合而成的芳香類物質，因此，為提高裂解氣壓縮機洗油中的芳烴含量，在混合四甲苯中摻入高芳烴含量的1，2，-4三甲基苯，芳烴含量最高達到85%，經過兩個多月高芳烴洗油注入，在某種程度上有效地降低了因結焦造成的壓縮機軸位移和高壓缸內側推力瓦軸承溫度高的現象。

04

透平啟機期間排汽溫度高

自2009年裂解氣壓縮機開車過程中，數次因透平排汽溫度高(聯鎖值150℃)造成停車，且過高的排汽溫度也給復水器殼程帶來機械的超負荷。冷態開車過程中往往不會發生該現象，在冷態啟動過程中，由于整個缸體溫度較低，因此排汽溫度不會高。排汽溫度高常發生在停機后、再次啟動時低速暖機階段。此時，由于汽輪機缸體溫度仍然較高，按照系統程序進行時，在低速暖機階段高壓閥開度較小，進汽量受到一定限制，故蒸汽進入汽缸后主要在高壓段膨脹做功，至低壓段時壓力已降至接近排汽壓力數值，低壓級葉片很少做功或者不做功，形成較大的鼓風摩擦損失(葉輪轉動摩擦蒸汽產生大量的熱，加熱了排汽，此熱量遠高于蒸汽自身的熱量)，使排汽溫度升高。這時復水器的真空和排汽溫度往往是不對應的，即排汽溫度高于真空對應下的飽和溫度。

圖9為裂解氣壓縮機典型升速曲線。

一般來說，機組達到一定轉速時，系統會按照熱態啟動計算出如果發生意外停車后下一次啟機過程中的低速和高速暖機時間，這個時間往往比冷態開車的時間短很多。正常運行的機組突然停車，在規定時間內開車仍屬于熱態啟動。大機組通常在排汽缸設置噴水減溫裝置，當排汽溫度高時，噴入凝結水以降低排汽溫度。目前本裝置壓縮機未采用后缸噴水裝置。因此，當熱啟動時，發現排汽溫度超過120℃時(停機聯鎖值為150℃)，立即終止程序，升高轉速，躍過低速暖機階段，再將程序投用升至最小控制轉速即可。另外，啟機之前，密封蒸汽不能過早通入，否則會造成密封腔內局部高溫，間接使排汽溫度升溫過快。

排汽溫度高的危害：

1)透平排汽溫度升高會帶來排汽壓力上升，使透平排汽系統背壓增大，造成透平蒸汽焓降減少、增大汽耗，降低了機組經濟性。

2)透平排汽溫度的上升，造成低壓缸部分導流部件熱脹變形，低壓缸后軸承向上位移，破壞機組同心度，造成機組發生振動和降低聯軸器壽命，還可能造成汽輪機動靜部分摩擦。

3)使凝汽器銅管內應力增大，破壞凝汽器的嚴密性，造成循環水漏向冷凝水側而被迫停工的局面。

4)過高的排汽溫度必然會產生溫度較高的凝液，有可能導致凝液泵汽蝕不上量，嚴重時將導致復水器液位超高聯鎖壓縮機停車。

05

堿洗塔入口分離罐捕沫器損壞

裂解氣壓縮機四段排出的裂解氣經過換熱器進入堿洗塔入口分離罐中進行氣液分離，然后進入堿洗塔，塔釜產物為含有少量烴類物質的廢堿液，經過裂解汽油萃取后進入汽油/廢堿分離罐，該罐由分離室、汽油室和廢堿室組成。

 

圖10為堿洗塔入口分離罐捕沫器損壞，

堵塞及更換后的圖片。曾因該罐捕沫器的多孔板撕裂、絲網堵塞嚴重、葉片扭曲變形和降液槽焊縫撕裂，造成進入堿洗塔中裂解氣中含有大量裂解氣凝液，其跟隨塔釜廢堿液進入操作壓力較低的汽油/廢堿分離罐中，高壓狀態的烴類凝液在較低的壓力下瞬間汽化，造成分離室中液相鼓泡，致使分離混亂，造成汽油/廢堿分離罐的汽油室底部堿包周期性滿液位，需要及時排堿，否則造成含堿汽油帶入急冷水系統，造成急冷水乳化。造成捕沫器損壞的原因可能是在機組喘振期間流量波動較大，將捕沫器結構沖壞，況且五返四防喘振流量管線直接并入該罐上游，致使喘振時沖擊較大。另外，正常運行期間，裂解氣壓縮機系統脫落的焦粒可能會被裂解氣攜帶到段間吸入罐的捕沫器中，堵塞金屬絲網，造成段間壓降增大。為了保持壓縮機一段吸入壓力正常，需要提高機組轉速，使機組能耗增加，造成驅動汽輪機的蒸汽量和壓縮機的功率需求不匹配，致使汽輪機控制難度增加，嚴重時導致段間出現超壓。

06

二段吸入罐高液位

在裂解氣壓縮機注洗油期間，裂解氣壓縮機葉輪和級間缸體內壁上的焦粒被沖洗下來，最終都聚集在壓縮機二段吸入罐中，這將導致其罐底裂解氣凝液泵入口過濾網堵塞，嚴重時雙泵濾網均堵塞，時常造成二段吸入罐高液位，致使裂解氣壓縮機存在較大的停機風險。

 

針對該問題，改裝了裂解氣凝液運行泵的入口濾網，并將備用泵的濾網抽出。正常運行期間，當運行泵不上量時，短時間內啟用抽出濾網的備用泵，對原運行泵進行清濾網后，重新啟用該泵，這樣就避免了因雙泵不上量導致的二段吸入罐高液位的問題。

07

關鍵儀表及調節閥故障

裂解氣壓縮機系統聯鎖儀表較多，尤其在冬季，新疆氣溫較低，儀表引壓線的凍堵極易造成儀表假顯，導致該系統產生重大波動或聯鎖停車，嚴重影響裂解氣壓縮機的長周期穩定運行。

 

關鍵儀表假顯：曾因干氣密封壓力表引壓管線帶液，造成一級密封氣壓力波動，致使放火炬壓力波動，存在停機風險，為此改造干氣密封箱伴熱解決該問題。另外，裂解氣壓縮機透平驅動蒸汽超高壓蒸汽減溫減壓站高壓聯鎖開關PSXHH81003為快開一選一模式，存在重大隱患，如果PSXHH81003假顯，會導致A8101減壓閥全開，造成SS壓力迅速下降，裂解爐汽包干鍋聯鎖停爐，裝置大面積停車，后期將聯鎖改為二選二形式。

 

關鍵調節閥故障：曾因透平復水器凝液外送閥定位器故障，使得調節閥關閉，導致復水器液位變送器超量程故障聯鎖壓縮機停車。通過將其旁路留有開度，即便該閥再次故障，延長復水器液位上漲時間，以便操作人員及時處理。

 

目前，裝置實行屬地班組管理制度，建立了特護管理臺帳，利用現有的檢測工具，定時對機組關鍵儀表及調節閥進行預防性檢查，尤其是在入冬和天氣轉暖期間，及時分析機組的運行狀況，做出相應調整，這種管理使預知檢修由愿望逐步變成現實，從而改進了設備管理模式。