裂解气压缩机组氮气试车过程问题的分析

郭飞虎 徐鹏 韩帅 高万程

（沈阳鼓风机集团股份有限公司， 辽宁 沈阳 110869）

1 背景

裂解气压缩机组是乙烯装置的核心动设备，是乙烯装置的龙头。裂解气压缩机将裂解气组份压力提升以节约后续深冷分离阶段冷量的需求[1]。乙烯装置在实物料工艺投用前，需要进行空负荷和带负荷试车。其中空负荷试车的目的是对压缩机组和辅助设备以及控制系统进行校验，考核设备的机械性能、对仪表进行校验并测试联锁控制系统。在空负荷运转完毕后需要利用裂解气压缩机对整个压缩系统进行空气吹扫。其中带负荷试车的主要目的是考察压缩机以及驱动机的操作性能、机械性能，同时为装置后序管网的吹扫、气密和干燥做准备，为减小装置开车前期的火炬排放，近年来各石化企业开始采用氮气等介质取代裂解气来进行压缩机开车[2]。利用氮气开车，可以对后续系统进行预冷同时能避免深冷分离系统因泄漏而导致的开车阶段裂解气的消耗[3]。

本文针对某新建大型乙烯装置用裂解气机组在现场氮气带负荷试车过程中出现的各种问题进行分析，并进行有针对性的分析总结。

2 存在问题

2.1 机组简介

裂解气压缩机由3缸4段14级组成。其中低压缸为第1段，2级叶轮双吸背靠背布置（2+2）。中压缸为第2段和3段，5级叶轮背靠背布置（2+3）。高压缸为第4段和5段，7级叶轮背靠背布置（3+4）。压缩机组共设有3个防喘振回路：1、2、3段为一个防喘振回路，4段和5段分别为单独的防喘振回路，每个防喘振回路下游均设置有单向阀，防止故障紧急停机状态下系统管网内高压气体向压缩机内部反向流道，从而使压缩机产生反转，损坏设备[4]。压缩机流程见图1。

图1 裂解气压缩机流程简图

裂解气压缩机在氮气工况试运转之前，通过切断阀将上、下游裂解炉、碳二加氢等系统隔离，碱洗塔不投用。全开3返1、4返4和5返5共3个防喘振回路，通过外部管网对一段吸入罐进行氮气充压至250kPaG左右，在机组运行过程中实时监测压缩机一段吸入罐顶所测量的氮气压力值，随时通过外部管网向一段吸入罐补充氮气。为保护下游系统、防止系统超压，压缩机出口安全阀压力设定值为2.5MPaG。由于机组过临界时升速速率较快，会导致压缩机吸入流量急剧增加[5]，为避免外部氮气量供应不足，额外临时增加一段吸入罐外部氮气10″补气管线，防止因升速过程中机组气量不足而导致机组喘振。设计预期的氮气工况运转条件见表1。

表1 氮气试车工况预期设计参数

2.2 开车过程

裂解气氮气运转时，将外部管网氮气引入密封盘站作为密封气源，并先投用干气密封系统隔离气。待隔离气压力满足启动油泵条件后，润滑油系统开始运行。用界区外锅炉送来的高压蒸汽引入汽轮机，对汽轮机蒸汽管网进行暖管。按照汽轮机单机试运转的步骤建立复水系统水循环、并对汽轮机转子进行盘车。由控制系统确认满足启车条件后按照汽轮机升速曲线进行升速，在升速过程中随时关注压缩机组以及汽轮机运转振动、位移等状态参数并及时进行调整。机组升速曲线见图2。

图2 机组升速曲线图

启动时整个机组升速具体过程为：1）从0转速开始，以12rpm/s升速至800rpm并保持此转速对汽轮机进行一次暖机。正常冷态启动下暖机60分钟，热态启动下暖机15分钟。2）以12rpm/s升速至1200rpm并保持此转速进行二次暖机。冷态启动下暖机30分钟，热态启动下暖机10分钟。3）以35rpm/s快速通过临界转速区域（1280rpm～2700rpm）后在最低运行转速3050rpm下保持此转速稳定，冷态启动下稳定10分钟，热态启动下稳定5分钟。之后机组转速由汽轮机调速系统接管进行自动控制。

2.3 存在问题

机组按照上诉过程进行氮气负荷试车工况的进行运转，数次过程中存在以下问题：

1) 由于机组在冲临界过程中升速速率较快，压缩机的吸入能力急剧增加，相应的氮气需求量也急剧增大，导致外部输送氮气管网的压力迅速下降，压力波动明显。由于外部氮气同时给裂解气高、中、低三个缸体干气密封系统作为密封气源供气，外部氮气压力的波动影响干气密封系统气源压力及流量，有损坏干气密封的风险。

2) 压缩机组在冲临界过程中，驱动汽轮机超高压蒸汽进汽量高于200t/h。由于此过程中汽轮机并未投用抽汽系统，使汽轮机凝汽系统凝液量大幅增加。按照控制逻辑，凝汽器液位高后凝液泵备泵自动启动。但此时备用泵出现负荷过载而导致停泵，需要电气复位。而此过程中凝汽器液位迅速上涨，CCS显示已达100%。通过现场手动打开凝汽器倒淋口进行凝液紧急排放，同时投用汽轮机抽汽。当抽汽系统建立完毕后，凝汽器系统凝液量恢复正常，备用凝液泵电气复位完成，进入备用状态。

3) 压缩机氮气运转停机后，按照要求需在汽轮机停机后对机组进行连续盘车。由于汽轮机非驱动端顶轴油压低不能满足盘车允许启动条件，导致机组盘车装置无法投用。现场紧急调整顶轴油支路供油压力，但由于油压存在波动，机组电动盘车装置无法按照要求长时间连续运行。故现场采用人工进行盘车，待7小时后发现汽轮机上、下缸温差仍将近60℃。随后投用汽轮机缸体电加热器对缸体进行加热，汽轮机上、下缸温差随即逐步减小。后经现场调整汽轮机非驱动端顶轴油压力正常满足盘车要求。但由于汽轮机在停机后缸体温度在大于120℃时汽轮机转子曾长时间未正常盘车，再下次启机时发现汽轮机转子振动明显增加，无法顺利通过临界转速区域。后增加一次、二次暖机时间后，机组顺利跨过临界区域并运行正常。

4) 压缩机氮气运行阶段，机组振动仪表经常出现假指示，容易产生误报或联锁。

3 解决措施

针对以上过程中出现的问题，进行有针对性分析并采取以下措施：

1) 对于升速过临界过程氮气管网压力波动问题，经判断机组在升速过临界阶段，压缩机一段吸入罐的压力明显高于原设计值，即外部补充氮气量充足。同时在可运行画面显示压缩机实际运行点距预期喘振点有足够流量域度，不会导致压缩机组喘振。为避免机组升速过程对干气密封供气系统产生影响，在升速过临界前，关小一段入口罐氮气管网补入阀门开度，适当降低压缩机一段吸入罐的氮气补入量。另外，在机组再次氮气负荷运行阶段，随时观察压缩机一段吸入罐压力，若有压力低于或接近原设计参数时，加大吸入罐补气阀门开度补充氮气量。同时更改压缩机出口放火炬线设定值为2.8MPaG，以减少氮气排放量，保证氮气管网消耗量。

2) 对于汽轮机抽汽及凝汽系统问题，根据此前发生的现象同汽轮机厂家沟通，确定汽轮机在超高压蒸汽进气量大于200t/h时，机组即投用抽汽系统。同时对于凝液泵过载问题进行分析，发现由于泵入口管线及阀门设计的规格较大导致凝液泵出现了过载保护。故现场操作时对凝液返回凝汽器的控制阀进行手动限位，以防止备泵自启时电机过载。

3) 对于汽轮机停机阶段由于顶轴系统压力波动使盘车装置无法启动，而导致汽轮机转子振动问题，经分析汽轮机转子在上述过程中可能已出现了不可恢复性热形变，这与盘车装置没有长时间连续投用有直接关系。在汽轮机停机后由于蒸汽运行切断，导致汽轮机上、下缸温差非常大，而盘车不及时使汽轮机转子受热不均匀而发生热形变。

4) 针对轴系监测仪表，对仪表进行校验。在校验结束后，对振动联锁进行复位方可重新投用联锁。

针对上述分析结果，采取有效措施后，重新进行氮气负荷试车。机组从零转速升速至3500rpm过程中，压缩机组、辅助设备以及控制系统运行正常，氮气工况运转结束。

4 总结

本次氮气负荷试车，对裂解气压缩机组及其辅助系统进行了全面的监测，为下一步实物料工艺气投用进行了风险及故障点排查，同时也总结了以下经验：

1) 汽轮机缸体温度在大于120℃时严禁停用盘车装置，汽轮机缸体电加热器在盘车期间严禁停用。

2) 汽轮机启动前，为使汽轮机凝汽系统迅速建立真空度，应当在盘车状态下向轴封送汽，防止转子上、下受热不均匀，必须避免在转子静止状态下向轴封送汽。在向汽轮机轴封系统送汽后，根据凝汽系统真空度的变化情况及时调整送汽量，同时轴封送汽后应尽快使汽轮机冲转，以免汽封部分上、下缸温差过大[6]。

3) 汽轮机停机过程中，当机组转速降至约300rpm时顶轴装置应自动投用。在转子完全停止转动后，必须对汽轮机转子进行长时间电动或手动盘车，盘车时间不小于3小时。此后更改为定期盘车，先每隔30分钟、4小时后每隔60分钟将转子盘转180°，24小时后每隔2小时盘转180°，以校正、减少转子发生热弯曲变形。

4) 对于汽轮机缸体加热器，在启车前或停机后阶段可能会出现缸体上、下缸温差较大的情况。当上、下缸体温度大于35℃时，应启动壳体加压器消除此温差。

5) 机组运行或停机期间，对于辅助系统出现的故障必须有有效应对措施，降低装置运行风险、避免对设备造成损坏，必要时对系统进行危险和可操作性分析。