国产大型乙烯制冷压缩机运行效能分析

林 海，周殿莹，李 楠，孙 博

（中国石油抚顺石化公司，辽宁 抚顺 113000）



国产大型乙烯制冷压缩机运行效能分析

林 海，周殿莹，李 楠，孙 博

（中国石油抚顺石化公司，辽宁 抚顺 113000）

通过抚顺石化80万t/a年乙烯装置的乙烯制冷压缩机的设计制造及投运的成功案例，阐述了沈鼓首套国产化的大型乙烯制冷压缩机的结构设计、低温材料的选择及加工，并对机组的运行效能进行了试验及投用数据的详细分析计算，为大型乙烯制冷压缩机的国产化推广提供重要的依据。

国产； 大型； 乙烯制冷压缩机； 效能

乙烯制冷压缩机是各类乙烯装置非常关键的核心设备，为乙烯装置的乙烯制冷系统提供压缩及循环的动力。与普通的离心压缩机相比，乙烯制冷压缩机组的设计难点是热力转化及气动性能，以及高效合理的级间匹配，具体有如下技术特点：1）气动特性复杂；2）组分单一，分子量大；3）段间有抽气、加气等型式；4）采用高效叶轮；5）转子及定子均采用低温材料。

百万吨级乙烯制冷压缩机组国产化目前尚属于新兴领域，对于使用厂家和设计制造单位都存在着一定的风险［1］。在乙烯装置三大机组中，乙烯制冷机组设计制造技术在国内是最缺少业绩和经验的，尤其是在低温材料及低温材料的焊接技术方面，之前国内倘无整机的设计和制造业绩，一直是国外垄断［2］。

抚顺石化公司80万t乙烯技术改造工程装备国产化工作，一直得到国家发改委的关心和支持，由沈阳鼓风机集团股份有限公司（以下简称沈鼓）与抚顺石化公司合作，共同负责首台大型乙烯制冷压缩机国产化的设计、制造、试验和应用项目，实施乙烯制冷压缩机组的国产化。沈鼓从2009年开始对这套乙烯制冷压缩机进行设计研发，并开始机体的制造，于2012年5月至10月相继进行单机试车、联动试车及实物料开车。因此，该过程对首套国产化大型乙烯制冷压缩机组的投产运行进行效能分析具有重要意义，也为国产化大型压缩机设备的研制能力和技术水平提供充分依据。

1　乙烯制冷压缩机的设计制造

抚顺石化公司的这套乙烯制冷压缩机组主要由离心压缩机、蒸汽透平、凝液系统、润滑油站及控制系统等组成，总成设计制造为沈鼓集团，原动机为杭州蒸汽透平集团生产的抽汽凝汽式蒸汽透平。

乙烯制冷机组为乙烯制冷分离系统提供三种等级的低压乙烯冷剂：-57，-80，-101 ℃，在各段均设有防喘振最小流量线。

乙烯制冷压缩机设备参数主要有：类型：离心式；段数：五段；进口压力：0.01 MPa；进口温度：-101℃；出口压力：3.789 MPa；出口温度：75 ℃；分子量：28.1；额定功率：13 088 kW；

1.1乙烯制冷压缩机本体的设计选型

针对中国石油抚顺石化公司的这套乙烯离心压缩机组的操作参数要求，尤其是一段到五段温度压力的变化，最终设计制造方案为两个缸体组合的多级离心压缩机，一个低压缸和高压缸。低压缸分为三段，装置乙烯气体进入低压缸内经过二段、三段加气共同压缩后由三段出口排出，并有一路三段抽气调节（见图1）。高压缸分为两段，低压缸压缩后的乙烯气再进入高压缸中，分两段排出进入用户系统管网中，作为不同的制冷介质（见图2）。低压缸和高压缸分别为水平剖分和垂直剖分，型号分别为3MCL806与3BCL527，压缩机由五段十三级组成，低压缸三段六级，高压缸两段七级，共计十三个叶轮，选用1Ni9低温材料精加工制造（见图3-4）。

图1　乙烯压缩机低压缸气路系统示意图Fig.1 The LP diagram of Ethylene compressor

图2　乙烯压缩机高压缸气路系统示意图Fig.2 The HP diagram of Ethylene compressor

图3　乙烯机低压缸总图Fig.3 The LP drawing of Ethylene compressor

乙烯压缩机进口温度为-101 ℃，这对于高速旋转的压缩机来说是最大的难点。沈鼓集团通过与意大利新比隆公司、德国德马格等公司在设计、制造、检验技术方面的合作，已经掌握了低温钢焊接和热处理技术。尤其是具有了世界领先的使用1Ni9材料作为乙烯压缩机叶轮的业绩及技术储备。1Ni9钢是含镍量为8.5%～9.5%的超低温低碳钢，在-196℃有优异的强韧性，与具有优良性能的不锈钢相比，有良好的低温韧性、高强度，经济性较好。［3］因此在本台乙烯压缩机的机壳、隔板、叶轮、主轴等关键部位大量采用了1Ni9菜料，并再叶轮等部位进行了大量的1Ni9材料焊接及热处理试验。

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图4　乙烯机高压缸总图Fig.4 The HP drawing of Ethylene compressor

1.2机组控制设计选型

根据压缩机及装置蒸汽平衡需要，乙烯制冷压缩机的驱动设备选择抽汽凝汽式蒸汽透平（Turbine），这样不仅保证了能耗的节约、转速的调节，还有利于装置蒸汽及凝液系统的平衡控制。该蒸汽透平经过详细设计，最终确定型号为 ENK40/56/25，其中E表示抽汽式；N表示正常进汽参数最高为10 MPa（a），510 ℃；K表示凝汽式。后面数字表示各段转子末级根径尺寸，40表示φ400 mm。

转速调节回路是蒸汽透平调节系统的基本环节，该回路主要由转速传感器、转速控制器（与监控系统同由CCC系统控制）、电液转换器、油动机和调节汽阀组成。转速控制系统 CCC 接受来自三个转速传感器变送的蒸汽透平转速信号，将接收到的转速信号与转速内部设定值进行比较后输出4～20 mA的电信号给电液转换器，再经电液 转换器转换成二次油压（0.15～0.45 MPa），二次油分别通过高低压油动机操纵高低压调节汽阀，调节进汽量，实现转速调节。

喘振控制也是通过CCC控制系统来完成的。在喘振控制画面中，十字型的点是当前机组工作点，此坐标轴横坐标是入口流量差压除以入口压力、纵坐标是出口压力除以入口压力。红线是喘振线，工作点到达喘振线或者在喘振线的左侧，就代表机组发生了喘振。黄线是防喘振线，它是动态的，在机组工作点剧烈波动时，防喘振线会自动靠向右侧，实现预开阀保护机组（见图5）。

图5　乙烯压缩机防喘振控制画面Fig.5 The surge control picture of ethylene compressor

2　乙烯制冷压缩机的运行效能分析

2.1气动性能试验分析

为了验证乙烯制冷压缩机3MCL806+3BCL527的设计、加工制造质量、气动性能指标，必须模拟各段抽气、加气的运行状态，各段气动参数见表1［4］。

表1　各段抽、加气气动性能参数Table 1 Each stage design data of pumping&adding gas aerodynamic performance

图6　乙烯机低压缸气动性能测试系统Fig.6 Aerodynamic performance test system of LP

为了得到真实气体的性能，需将试验气体测得的这些性能参数进行数据计算，按ASME PTC-10标准进行性能计算与换算，换算成设计条件下压缩机的热力性能参数，进而确定设计指定工况下性能结果。需要计算的参数主要有：

a） 压缩机的进口容积流量；

b） 压缩机的升压或压比；

c） 压缩机的多变能量头；

d） 压缩机的轴功率；

e） 压缩机的效率；

f） 压缩机的喘振极限。

图7　乙烯机高压缸气动性能测试系统Fig.7 Aerodynamic performance test system of HP

通过这些性能参数，可得到压缩机在设计转速下的流量、压比 （或多变能量头）、轴功率曲线，以及与压缩机效率之间相互关系。因为乙烯压缩机是采用低压缸、高压缸分缸进行气动性能试验，因此性能曲线的计算及绘制分成五段进行，而整机性能曲线则需由各段性能曲线叠加而得到。

气动性能试验考核结论见表2-6。

表2　第I段考核结论Table 2 Test result of Stage I

表3　第II段考核结论Table 3 Test result of Stage II

表4　第III段考核结论Table 4 Test result of Stage III

表5　第IV段考核结论Table 5 Test result of Stage IV

表6　第V段考核结论Table 6 Test result of Stage V

综上所述，整套机组的流量偏差、压比偏差、轴功率偏差都在允许范围，气动性能试验考核合格。

2.2实物料运行效能分析

抚顺石化80万t/a乙烯装置在2015年1月23日开始对装置各项技术指标进行了72 h的全面标定，装置标定负荷 98.54%，其中乙烯精馏系统负荷97.25%～110.40%，系统处于满负荷运行，运行正常产品合格，乙烯的收率达到了 33.62%。其中乙烯制冷压缩机运行参数分析见表7。

其中在标定期间压缩机透平没有投用抽气，采用了全冷凝的操作，蒸汽透平进汽62.7～65.6 /h，根据功率-流量曲线（见图 8），实际功率通过最下面一条Me=0 t/h线换算，可求得为12 526～13 327 kW，为额定功率15 808 kW的79.24～84.31%。因此，通过对装置标定期间运行负荷及运行状态分析可以看出，乙烯制冷压缩机组能够满足装置高负荷条件下平稳运行，满足机组效能要求。

表7　乙烯制冷压缩机运行参数分析Table 7 Analysis of ethylene compressor running data

图8　乙烯机透平功率流量曲线Fig.8 Power-flow rate curve of ethylene compressor turbine

3　结束语

通过以上机械性能、气动性能及实际运行效能等多方面的试验及运行分析，沈鼓集团自行设计制造的大型离心式乙烯制冷压缩机各方面性能全部符合设计要求，设计、制造和装配质量达到国际相关的技术标准和准则，大型乙烯制冷组也成功实现了国产化生产，将为我国乙烯产业降低大量投资，创造巨大效益，也标志着我国乙烯装备制造逐步向国际化迈进。

［1］ 兴化. 百万吨级乙烯压缩机方案通过论证［N］. 中国化工报. 2007-03-15（2）.

［2］ 殷宇晗. 依托百万吨级工程力促大型乙烯装置国产化［N］. 中国工业报. 2006-04-24（3）.

［3］ 吕立博，刘向东. 1Ni9钢在乙烯压缩机上的应用［J］. 风机技术，2010，（4）：36-38.

［4］ ASME PTC10-1997.压缩机和排气机的性能测试规范［S］.

Performance Analysis of Domestic Large Ethylene Refrigeration Compressor

LIN Hai，ZHOU Dian-ying，LI Nan，SUN Bo
（Fushun Petrochemical Company，Liaoning Fushun 113001,China）

Based on design and manufacture and commissioning of ethylene refrigeration compressor used in 800 kt/a ethylene plant of Fushun petrochemical company, structure design, cryogenic steel choice and manufacturing process of the first domestic large ethylene refrigeration compressor were illustrated. The performance of the ethylene refrigeration compressor was tested, and commissioning data were analyzed.

large-scale; ethylene refrigeration compressor; performance

林海（1974-），男，辽宁抚顺人，高级工程师，硕士学位，1996年毕业于大连理工大学化工机械专业，主要从事炼油与化工设备管理。E-mail：linh_ai1@petrochina.com.cn。

TQ 052

A

1671-0460（2016）05-1036-04

2016-03-23