大型乙烯装置裂解气压缩机运行情况调研

大型乙烯装置裂解气压缩机运行情况调研

鉴于大型乙烯设备中长寿故障的普遍存在，目前已对大型乙烯设备中的“三机制”进行了机械分析和自动研究。目前，公司承担着对上海岩石、扬子石化、齐鲁石化、燕山石化等大型乙醚设备中“三机”的运营，尤其是对长春石化和燕山石化的运营进行了全面的现场研究。本次调研考察对象包括进口机组、国产机组和联合机组(即国外设计、国内制造),内容包括机组设计参数、实际运行参数、曾发生的故障(或事故)、故障原因及处理措施等,从而如实地反映了在役乙烯“三机”的现状,为今后新建大乙烯装置领导决策、“三机”的设计制造与采购、在役乙烯“三机”的操作等提供技术帮助。1大乙烯装置a/a乙烯是石油化工最重要的产品之一,其发展不仅能带动其它石油化工产品的发展,而且其产量往往标志着一个国家石油化学工业的发展水平。我国自20世纪60年代以来,先后从国外引进了一批不同规模的乙烯装置,分别建造于吉林、辽宁、甘肃、新疆、黑龙江、河南、江苏、山东、广东、北京、上海和天津等12个地区。近几年来,原有老装置通过配套优化、技术改造、内涵挖潜,使全国乙烯生产能力有了大幅度提高。至2004年底,我国共有乙烯装置20套,其中300kt/a以上的装置9套,100kt/a级的装置11套,总生产能力6100kt/a,约占全球乙烯产能的5%,仅次于美国和日本,居世界第3位。从产能看,中国已经成为一个乙烯大国,但由于中国的乙烯工业普遍存在装置规模偏小和工厂布局过于分散等问题,因此中国还不是一个乙烯强国。我国现有300kt/a以上规模的大乙烯装置9套,分别是上海石化(700kt/a)、扬子石化(650kt/a)、齐鲁石化(720kt/a)、燕山石化(660kt/a)、茂名石化(640kt/a)、上海赛科(900kt/a)、扬子巴斯夫(600kt/a)、吉林石化(700kt/a)、大庆石化(700kt/a),其中中石化5家(即上海石化、扬子石化、齐鲁石化、燕山石化、茂名石化)。这些大乙烯装置(除新建的上海赛科、扬子巴斯夫外)初建于20世纪80年代,设计规模为年产乙烯300kt,配有乙烯“三机”(裂解气压缩机、丙烯压缩机和乙烯压缩机)。经过两轮技术改造,即20世纪90年代第1轮(次)扩容改造为450kt/a和近几年第2轮(次)扩容改造为600kt/a以上,达到目前的经济规模。第2次技术改造中“三机”扩容各厂采用的方法各异,但总结起来归纳为3类:一是并联一套小机组,二是更换老机组的内件,三是去掉老机换新机。目前正在建设的大乙烯装置有兰州石化(600kt/a)、茂名石化(1000kt/a)、镇海炼化(1000kt/a)、天津石化(1000kt/a)、独山子石化(1000kt/a)、武汉石化(1000kt/a)等。表1列出了中国石化、中国石油、中国化工、中国海油等我国四大化工产业乙烯装置基本情况。2“三机”的基本情况及存在的问题、原因和处理措施2.1上海石化聚氯乙烯“三机”的基本情况及存在的问题、原因和处理措施2.1.1各装置的设计背景上海石化目前拥有年产150kt和700kt两套乙烯装置(总产能为850kt/a,共3组乙烯“三机”):1#乙烯装置初建于1977年,设计规模为72kt/a,1985年改造为150kt/a;2#乙烯装置初建于1992年,设计规模为300kt/a,2002年改造为700kt/a,有两组乙烯“三机”。上海石化乙烯“三机”的设计气动性能、实际气动性能及机械性能分别见表2～4。2.1.2调整后的转子改变上海石化乙烯“三机”中只有裂解气压缩机E-GB201存在结焦磨损问题,其余正常。裂解气压缩机E-GB201检修前主要缺陷为中压缸靠透平侧振动偏大,有时超标。开缸后发现3个缸体内转子和隔板都有不同程度的结焦(中压缸更为明显),并且转子上叶轮和轴套磨损严重。检修后中压缸的振动明显降低,即从原来40μm左右降低到现在的18μm左右。对低压缸LP、中压缸MP、高压缸HP三缸转子进行测量检查,发现低压缸LP转子弯曲,转子主轴中间径向跳动为0.06mm,转子不平衡量达150g(调整后也有48g),安装试车时振动量达28～30μm。重新更换新转子后,其主轴径向跳动小于0.03mm,端面跳动及其它尺寸和MP、HP缸一样符合标准。低压缸转子弯曲也是因结焦引起,由于低压缸转子长,因此只有低压缸转子发生弯曲。2.2扬子“三机”的基本情况及存在的问题、原因和处理措施2.2.1中日分离设备在乙烯装置的应用扬子石化现拥有两套乙烯装置,其规模分别为400kt/a(一系列)和350kt/a(二系列),总规模达750kt/a,共配有大型离心式压缩机6台(其中裂解气压缩机2台,即一系列400kt/a规模E-GB201、二系列350kt/a规模ES-GB1201,丙烯压缩机2台,即一系列400kt/a规模E-GB501、二系列350kt/a规模ES-GB1501,乙烯压缩机1台,即一系列400kt/a规模E-GB601,二元制冷压缩机1台,即二系列350kt/a规模E-GB1302;除二元制冷压缩机E-GB1302由DMG设计、沈鼓制造外,其余5台压缩机均为日本三菱重工设计制造)。扬子石化乙烯装置技术特点:采用美国鲁姆斯公司专利技术,包括裂解、急冷、压缩、碱洗、分离等工序,裂解部分采用美国鲁姆斯公司SRT型裂解炉,高温蒸汽裂解工艺;分离部分采用深冷顺序分离、前冷后加氢流程,其中碳三液相加氢工艺采用法国石油研究院的专利技术;汽油加氢采用鲁姆斯DPG两段加氢技术。扬子石化乙烯装置初建于1987年7月(投产),设计规模为300kt/a乙烯,主要产品为乙烯、丙烯、加氢汽油,副产品有甲烷、氢气、碳三液化气、混合碳四、碳五、碳九、裂解柴油、裂解燃料油等,配有日本三菱重工设计制造的裂解气压缩机E-GB201、丙烯压缩机E-GB501和乙烯压缩机E-GB601等典型乙烯“三机”。1995年10月第1次扩容改造为400kt/a规模时,“三机”主机全部被更换(即气缸、内件和转子全部换新的,辅机不变),而配套汽轮机主要是更换转子。2002年9月第2次扩容改造为750kt/a规模(其实是扩建)时,采用了新建一套设计规模为350kt/a乙烯装置方案。新建的二系列乙烯装置采用了新“三机”:裂解气压缩机E-GB1201、丙烯压缩机E-GB1501和二元制冷压缩机E-GB1301。扬子石化乙烯“三机”的设计气动性能、实际气动性能及机械性能分别见表5～7。2.2.2缝处断裂处理问题扬子石化一系列裂解气压缩机E-GB201,其低压缸振动超标(其中排气侧振动值超过了45.72μm报警值),严重影响压缩机的正常运转。初步判断振动原因与转子组件及相关元件有关,低压缸揭盖后发现第1级叶轮有2个叶片齐根部断裂,还有一个叶片在根部焊缝处已有裂纹,即将断裂;第2级叶轮隔板边缘一圈均有缺口,在第2级隔板表面沿叶轮边缘方向有许多凹坑。该机组为1995年第1次改造投用的新压缩机(型号:9H-4C+7H-3+7H-7C),发生问题时只运行了8年(设计寿命为20年)。经取样分析发现,导致轮盘与叶片焊接熔合线开裂的主要原因是设计制造应力集中、材质缺陷、疲劳寿命不足等。机组运行8年,作为机组最关键的部件发生叶片断裂是非常不应该的。扬子石化二元制冷压缩机,目前主要存在一段和三段出口温度高的问题。低压缸出口设计温度为81℃,现在实际出口温度为115℃;三段出口温度也偏高15℃左右。目前的运行已处于满负荷状态,但未能达到其设计的负荷。分析原因可能是二元制冷工艺不是很完善或者是压缩机设计存在问题,目前该问题仍在讨论中。该问题如果不及时解决,势必将影响到扬子乙烯增产的需要。2.3齐鲁石化聚氯乙烯“三机”的基本情况及存在的问题、原因和处理措施2.3.1日本光学等3型乙烯装置齐鲁石化现拥有1套乙烯装置,规模为年产乙烯720kt,共配有大型离心式压缩机5台(其中裂解气压缩机2台,即一系列150kt/a规模E-GB1201、二系列570kt/a规模ES-GB201,丙烯压缩机1台,即450kt/a规模E-GB501,乙烯压缩机1台,即450kt/a规模E-GB601,三元制冷压缩机1台,即288kt/a规模E-GB801;此5台压缩机均为日本三菱重工设计制造)。齐鲁石化乙烯装置初建于1987年,设计规模为300kt/a,配有日本三菱重工设计制造的裂解气压缩机E-GB201、丙烯压缩机E-GB501和乙烯压缩机E-GB601等典型乙烯“三机”。1998年10月第1次扩容改造为450kt/a规模时,新增加了1台150kt/a规模的小裂解气压缩机E-GB1201(称一系列、小机),它与老裂解气压缩机E-GB201(称老机)并联而达到扩容目的。2004年10月第2次扩容改造为720kt/a规模时,将300kt/a规模老裂解气压缩机E-GB201更换为570kt/a规模新裂解气压缩机ES-GB201(称二系列、新机),并因冷量不够而新增加了1台288kt/a规模的三元制冷压缩机E-GB801。齐鲁石化乙烯“三机”的设计气动性能、实际气动性能及机械性能分别见表8～10。2.3.2结焦废机处理齐鲁石化乙烯“三机”只有150kt/a规模的小裂解气压缩机E-GB1201出现磨损问题。该机1998年9月投用,2003年8月检修时发现第7级、第8级叶轮磨损严重,平衡盘、轴套及轴端密封磨损严重。经分析,其主要原因是结焦引起的。出现上述问题后,齐鲁公司委托沈鼓修复该转子,更换了损坏的平衡盘、轴套等。结焦的处理措施主要是:喷水、喷油、控制气体温度等。但喷油只能达到浸润焦垢的作用,不能达到降温效果(三菱机组以前都采用喷油技术,在燕山石化第2次改造时在裂解气压缩机上首次采用喷水技术)。2.4燕山“三机”的基本情况及存在的问题、原因和处理措施2.4.1乙烯生产能力提高燕山石化始建于20世纪70年代初期,1975年,中国第一套300kt/a大型乙烯装置建成投产,成为中国发展现代化石化工业的一个里程碑。90年代率先完成国内第1轮乙烯改造,乙烯生产能力从300kt/a提高到了450kt/a。其中“三机”,新增加一台150kt/a规模的裂解气压缩机组,丙烯压缩机则更换新机,乙烯压缩机则改造转子及内件。2001年又率先完成了乙烯第2轮改造,乙烯生产能力从450kt/a提高到了710kt/a。在非检修年,乙烯实际产量达到800～820kt/a,保持国内单套装置乙烯产量第一的优势。2.4.2叶轮材料改变2001年燕山石化乙烯第2轮改造新增的裂解气压缩机(日本三菱重工设计制造),在使用两年后检修发现,中压缸第1级叶轮表面上有坑状腐蚀,深度3mm左右。原因是三菱公司在设计时选材不当,将中压缸4级叶轮中的第1级叶轮材料选为碳钢,其余3级叶轮材料为不锈钢(高压缸叶轮全为不锈钢)。在订制备用转子时,三菱公司把第1级叶轮材料换为不锈钢。另外,该机也存在结焦问题,采用注水法降温。1994年燕山石化乙烯第1轮改造更换的丙烯制冷压缩机(日本三菱重工设计制造),在使用两年后检修发现,转子1级叶轮导叶发生裂纹,长13cm。经分析认为,材料有害元素超标,叶轮经焊接后重新投入使用。燕山石化乙烯第2轮改造使用的二元制冷压缩机(日本三菱重工设计制造),主要存在两个问题:一是二段出口温度偏高,实际值比设计温度偏高了20℃左右。目前燕化并未对该机组做高负荷试验,所以不能判断二元制冷压缩机在装置高负荷运行时是否能满足生产的需要。就目前的负荷来讲,由于采取由其他制冷压缩机多提供冷剂的办法,尚不影响装置运行。二是止推瓦温度偏高,开车时达到95℃,正常运行时瓦块温度大于80℃。2.5裂解气压缩机低压缸转子弯曲由上述可知,上海石化裂解气压缩机高、中、低压缸3个缸都结焦,导致磨损叶轮和轴套等,并造成低压缸转子弯曲;扬子石化裂解气压缩机低压缸第1级叶轮叶片断裂2块,二元制冷压缩机出口温度偏高;齐鲁石化裂解气压缩机结焦并磨损;燕山石化裂解气压缩机结焦和腐蚀,丙烯制冷压缩机一级叶轮导叶因材质缺陷出现裂纹,二元制冷压缩机止推瓦温度和二段出口温度偏高。3关于三聚苯机的总结3.1裂解气压缩机特点乙烯“三机”有如下的特点:a.均为离心式压缩机,且转速高、功率大、单机配置(无备机);b.均为多级、多段压缩机,其中裂解气压缩机最复杂,为三缸5段;c.压缩介质易燃易爆,气动设计要求按真实气体设计,叶轮多为三元叶轮;d.压缩机气缸均为水平剖分型(压力低于5MPa),扩压器均为无叶扩压器;e.压缩机两端轴封采用浮环密封或干气密封,级间密封、轮盖密封及平衡盘密封均采用迷宫密封;f.采用可倾瓦轴承,强制给油润滑(带油站);g.采用汽轮机驱动。3.2低热值注射机压缩机裂解气压缩机普遍存在结焦而导致磨损故障的主要原因是:a.裂解气组分中(表11)含丁二烯(95℃时结焦速度很快)等在高温下易结焦组分;b.温度过高(裂解气温度超过90℃易结焦)。解决措施有:a.喷油(注油),以降温和浸润(油质要求较高);b.喷水(注水),以降温(水汽化时可吸收2260kJ/kg的汽化潜热,注水位置布置在每一级的弯道处,注水粒度100μm以下,注水压力视当地弯道气体压力而定);c.前系统冲洗;d.设计压缩机时考虑段温升小于90℃(如合理分段、提高每级叶轮及固定元件效率等);e.设计制造时对气流通道作不粘焦喷涂处理等。裂解气压缩机叶轮存在腐蚀问题的主要原因是:a.叶轮为碳钢材料;b.注水系统(注水降温防结焦)不完善。解决措施有:a.将