MTO裝置丙烯制冷壓縮機系統(tǒng)設計研究
徐雯雯*
（惠生工程（中國）有限公司，上海201210）
摘要：介紹了MTO裝置烯烴分離單元丙烯制冷壓縮機系統(tǒng)工藝流程及關鍵設備的設計，主要包括丙烯制冷壓縮機、丙烯冷劑儲罐及各段吸入罐。同時分析了不同驅(qū)動型式的壓縮機工藝系統(tǒng)設計的區(qū)別以及壓縮機開停車步驟等。丙烯制冷壓縮機選用離心式壓縮機，分析了離心式壓縮機的工作原理、“喘振”原因，及影響“喘振”的因素，提出相應的防喘振措施。
關鍵詞：離心式壓縮機；系統(tǒng)設計；喘振；防喘振措施
中圖分類號：TQ536.9 文章編號：0253 - 4320( 2016) 04 - 0150 - 04
DOI:10. 16606/j. cnki. issn 0253 - 4320. 2016. 04. 037
1 丙烯制冷壓縮機系統(tǒng)工藝流程簡述
丙烯制冷壓縮機系統(tǒng)由多級離心式壓縮機以及相關的緩沖罐和換熱器組成，提供多個溫度級位的丙烯冷劑，通過與這些溫度對應的汽化壓力下的丙烯蒸發(fā)來實現(xiàn)制冷過程。蒸發(fā)后的氣體再通過丙烯制冷壓縮機壓縮后，經(jīng)丙烯冷凝器冷凝，進入丙烯冷劑儲罐。從丙烯冷劑儲罐出來的液相丙烯作為熱源進入預切割塔再沸器，降溫后開始作為冷劑，為系中的各換熱器提供冷量。具體工藝流程見圖1。
2丙烯制冷壓縮機的選用
丙烯制冷壓縮機是丙烯制冷系統(tǒng)的關鍵設備，選用離心式壓縮機。離心機具有壓力范圍廣、效率高、操作范圍寬、排氣均勻無脈動、體積小、流量大、質(zhì)量輕、連續(xù)運轉(zhuǎn)周期長、運轉(zhuǎn)可靠、易損件少、維修量小、壓縮機潤滑油不會污染輸送氣體等優(yōu)點，在化工、能源和冶金等工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著極為關鍵的作用。
2.1 離心式壓縮機工作原理及“喘振”發(fā)生
離心式壓縮機由1個葉輪和擴壓器組成1個級。在1個級中，氣體首先由葉輪加速到一定速度，再由擴壓器將其動能轉(zhuǎn)變?yōu)閴耗�。當級的流量減小到某一值時，氣流進入葉輪時的速度與葉片進口角不一致，氣流沖擊葉片，在葉道中引起邊界層分離，此時葉道進出口將出現(xiàn)強烈的氣流脈動。當級的流量繼續(xù)減小，氣流邊界層的分離擴及整個通道，以致不能正常工作。此時級的壓力突然下降，而出口端有壓力的氣體將倒流至級內(nèi)。瞬間，倒流至級內(nèi)的
氣體彌補了流量的不足，壓縮機回復正常工作，重新將倒流的氣體壓出去，這樣又造成級中流量減少，繼而壓力下降，出口端氣體再次倒流至級中。如此循環(huán)，在壓縮機級和出口端間形成一種低頻高振幅的壓力脈動。由此引起葉輪應力增加，噪音嚴重，整機振動強烈，以致無法正常運轉(zhuǎn)，這種工況稱為“喘振”或“脈振”。“喘振”是離心式壓縮機的固有特性，是一種周期性的聽得見的現(xiàn)象，它能在壓縮機機械部件上產(chǎn)生很大應力，造成壓縮機內(nèi)部損傷，嚴重時將導致重大的設備損壞事故。
2.2離心式壓縮機喘振曲線
離心式壓縮機在不同轉(zhuǎn)速n下都有一條出口壓力P(或壓比K)與流量Q的曲線。該曲線為一條在流量不為0處有一最高點的曲線。將不同轉(zhuǎn)速下的Q-P( K)曲線的最高點連接起來即為離心式壓縮機的喘振曲線。詳見圖2中虛線。虛線右側為穩(wěn)定工作區(qū)（非喘振區(qū)），左側為不穩(wěn)定工作區(qū)（喘振區(qū)）。每條Q-P(K)曲線的最高點對應的流量即為壓縮機喘振流量。一般多級離心壓縮機的喘振限見表1。離心壓縮機允許的最小工作流量一般比喘振流量大5%~10%。
2.3 引起離心式壓縮機喘振的因素及防喘振措施
2.3.1 引起壓縮機喘振的因素
引起壓縮機喘振因素很多，除閥門、儀表失效及壓縮機本身故障外，人口流量或壓力降低、人口溫度升高、入口氣體分子質(zhì)量降低、壓縮機轉(zhuǎn)速升高和壓縮機出口壓力與管網(wǎng)壓力不匹配等都是造成喘振的原因。
2.3.2防喘振措施
(1)設置最小回流線
對于壓縮機入口流量降低引發(fā)的喘振，最直接有效的方法就是打開防喘振控制閥，增加壓縮機人口流量。以丙烯壓縮機一段吸人罐為例，在丙烯壓縮機一段吸人罐入口設置一條從壓縮機出口管線接出的最小回流線，管線上設置防喘振控制FV閥。同時為控制進入壓縮機一段入口溫度，設置一條激冷液管線接至最小回流線上，并設置TV閥。當壓縮機人口流量小于喘振流量時，開啟FV閥及TV閥。為混合均勻并盡量減少壓縮機人口帶液量，在最小回流線與激冷液管線混合處設置混合器M-5001，使最小回流線內(nèi)高溫氣態(tài)丙烯和激冷液液態(tài)丙烯經(jīng)混合器混合均勻后進入壓縮機一段吸人罐。同時FV及TV上設置如下聯(lián)鎖：①壓縮機／透平停車時，全開防喘振控制FV閥，關閉激冷液管線TV閥。②防喘振控制FV閥全開，允許壓縮機開車。詳見圖3丙烯制冷壓縮機一段防喘振控制。其他各段防喘振控制方式與一段相同。
混合器M -5001的設計計算采用ProⅡ模擬。模擬過程如圖4。以山東某項目丙烯制冷壓縮機一段吸入罐為例，要求混合器M -5001出口物流S5質(zhì)量流量為51 272 kg/h，溫度- 35.9℃，壓力0.04M Pa�；旌掀鲏航禐�80 k Pa。其中物流S1為最小回流線，F(xiàn)V閥后壓力為0.12 M Pa，S3為激冷液管線，TV閥后壓力為0.12 M Pa。設一個控制器CN-M -5001，定量為混合器M-5001出口物流S5，溫度- 35.9℃，變量為激冷液流量S3。給S1賦予一個值，運行程序，系統(tǒng)會自動得出相應的S3值，從而得出S5值。該過程反復迭代，直到得出滿足規(guī)定的S5的溫度、壓力。此時會得出一個S5的流量值，將該計算值與要求的51 272 kg/h比較后，重新賦予S1新值，運行程序，直到計算的S5值與51 272 kg/h一致。程序運行結束。根據(jù)計算出的S1、S3值，確定最小回流線及激冷液管線尺寸及相應調(diào)節(jié)閥尺寸。運行結果如圖4所示。
(2)其他防喘振措施
在壓縮機恒壓的運行工況下，人口壓力越低，越容易發(fā)生喘振。因此壓縮機人口過濾器前后壓差增大時，須及時更換濾芯。入口氣體溫度越高，壓縮機越容易發(fā)生喘振。因此對同一臺壓縮機來說，夏天比冬天更容易發(fā)生喘振。對于壓縮機出口壓力與管網(wǎng)壓力不匹配，當管網(wǎng)的壓力高于壓縮機出口排氣壓力而造成喘振時，可開啟出口放火炬閥。但該法造成壓縮功浪費的同時也造成了壓縮氣體的浪費，多發(fā)生于項目開停車操作中。為降低該現(xiàn)象出現(xiàn)的幾率，開車時，應該先升速后升壓，停車時，則應該先降壓后降速。
3丙烯冷劑儲罐及各段吸入罐的設計
3.1 丙烯冷劑儲罐的設計
壓縮機出口的高溫氣態(tài)丙烯經(jīng)冷凝器冷凝成40℃液態(tài)丙烯進入丙烯冷劑儲罐。因冷凝器循環(huán)水側循環(huán)水溫度由32℃升至40℃，故丙烯冷劑的冷凝溫度不能低于40℃，否則會出現(xiàn)溫度交叉。該罐的主要作用是液封，并分離出系統(tǒng)中的不凝氣。該罐多為臥式，入口管線應從罐底部接入，且前面冷凝器出口管線也應從底部接出，以滿足液封要求，詳見圖1。且為防止冷凝器出口的飽和凝液氣化，丙烯冷凝器底部出口與丙烯冷劑儲罐罐頂高差不應太大，故宜設計成臥式罐。該罐不要求有大的儲存和緩沖能力，否則將占地太大。其通常為滿液位操作，液位無需控制，但為避免氣體短路，需設置低液位超持控制。
3.2各級吸入罐的設計
對冷劑起到儲存及緩沖功能的儲罐一般為壓縮機的最后一級吸入罐。該罐相對于其他各級吸入罐，尺寸較大，液體的停留時間較長，通常設為10 min，因此無需設液位控制，只需設液位指示與報警。若發(fā)現(xiàn)罐的液位太高或太低，可人工由系統(tǒng)向外界排放或由外界向系統(tǒng)補充冷劑。該罐進口管線設置PV控制，壓力信號來自于壓縮機出口，以維持壓縮機出口壓力穩(wěn)定，詳見圖1。其他各級吸入罐設置原則基本相同，按照氣液分離罐設計，在分離氣
相中可能夾帶的液滴的同時，也可以貯存本級飽和的丙烯冷劑，液體停留時間只需設3 min左右即可，因此罐的體積較小，需設置液位控制。由各段吸入罐液相進料管線上的調(diào)節(jié)閥進行控制。
丙烯制冷壓縮機系統(tǒng)是一個閉路循環(huán)系統(tǒng)，為滿足不同的冷劑用戶，可提供多個溫位冷劑。以山東某項目為例，丙烯壓縮機制冷系統(tǒng)一共提供4個溫位的冷劑，- 40.6、- 24.6、-7.2、4.8℃。對應的飽和壓力分別為0. 028、0.156、0.365、0.569 M Pa。壓縮機停車時，整個系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，此時會有一個平衡壓力（也稱滯止壓力），系統(tǒng)的設計壓力必須高于該值。因此在考慮各段吸人罐的設計壓力時，不僅要考慮本段的操作壓力，還應考慮系統(tǒng)的滯止
壓力。
4 壓縮機驅(qū)動方式不同對系統(tǒng)流程的影響
為合理利用裝置能源，壓縮機的驅(qū)動方式也不盡相同，主要有蒸汽透平驅(qū)動、電機驅(qū)動2種方式。其中電機驅(qū)動又分為定頻和變頻2種。因變頻驅(qū)動的壓縮機各級轉(zhuǎn)速可調(diào)，與透平驅(qū)動的壓縮機效果相同，因此變頻驅(qū)動壓縮機系統(tǒng)流程與透平驅(qū)動壓縮機系統(tǒng)流程大體一致。定頻壓縮機因各級轉(zhuǎn)速不可調(diào)，因此在流程設計上需要增加級間連通管線。以四級壓縮機為例，需設置4返3、3返2、2返1管線，以維持各段壓力穩(wěn)定。
另外對于定頻壓縮機，需在壓縮機一段吸入管線設置1個電動閥。剛開車時，將該閥門開度控制在70%~75%，降低啟動電流。當壓縮機開起來后，再將開度調(diào)到100%。
5 丙烯制冷壓縮機的開停車步驟
5.1開車步驟
(1)實氣置換
先將氣相丙烯從壓縮機四段吸入罐注入系統(tǒng)內(nèi)，充壓到系統(tǒng)壓力為0.3 M Pa，再泄壓至火炬系統(tǒng)，這樣充壓、泄壓3次將氮氣完全置換掉。
(2)引實物料
置換完畢并且整個系統(tǒng)用丙烯充壓到合適壓力(0.5～0.6 M Pa)后，緩慢地將液相丙烯冷劑注入四段吸人罐，并且在二段、三段和四段吸入罐內(nèi)建立液位。液相丙烯的注入速度一定要適當，以防止設備過冷。
(3)啟動壓縮機前的確認
潤滑油、密封氣、緩沖氣、丙烯冷凝器的冷卻水、電機和潤滑油、冷卻器所需的冷卻水準備就緒。壓縮機供應商到現(xiàn)場調(diào)試壓縮機軸承間隙、位移和對中找正等。了解壓縮機調(diào)試和開車細節(jié)。
(4)啟動壓縮機
根據(jù)廠家提供的啟機說明啟動壓縮機后，根據(jù)實際情況調(diào)整最小回流閥和激冷閥。通過調(diào)節(jié)激冷閥使最小回流的溫度高于吸入罐5~ 100C，注意最小回流不能過度激冷，以防止吸人罐內(nèi)液位升高。當系統(tǒng)穩(wěn)定后，冷劑引到各用戶，用液相丙烯將各段間吸人罐充至正常液位。界外引入丙烯補充至所需的液體儲量。
5.2停車步驟
丙烯制冷系統(tǒng)是正常停車步驟中最后一個環(huán)節(jié)。當停止進料和停產(chǎn)品氣壓縮機后停丙烯制冷系統(tǒng)。停壓縮機后，整個系統(tǒng)將會平衡在滯止壓力上，通過壓力控制閥泄放多余的物料。在整個過程中潤滑油系統(tǒng)始終運轉(zhuǎn)，干氣密封系統(tǒng)不能關閉，直到機組降到常溫、盤車結束、壓縮機系統(tǒng)置換合格并維持微正壓，詳見壓縮機廠家的操作指導。
6結論
(1)丙烯制冷壓縮機系統(tǒng)是MTO裝置烯烴分離單元的重要組成部分。作為該系統(tǒng)的關鍵設備的丙烯制冷壓縮機的防喘振控制更是重中之中，在保證大機組的安穩(wěn)運行方面起著極其重大的作用。因此在實際生產(chǎn)過程中，應結合生產(chǎn)實踐，分析喘振產(chǎn)生的原因，采取有效的防喘振控制措施，提高壓縮機的抗喘振性能及運行的可靠性。
(2)在滿足設計要求的情況下盡可能優(yōu)化設備和管線的尺寸及布置，以便最大程度地節(jié)約投資。
(3)丙烯制冷壓縮機的開停車過程需嚴格按照壓縮機廠家的開停車步驟完成，保證壓縮機順利開停車，減少能耗。
(4)整個丙烯制冷系統(tǒng)各級用戶的設置可優(yōu)化，以實現(xiàn)能量的最大化利用。
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