大型煤化工装置大机组性能优化与探索

张 静

(河南龙宇煤化工有限公司，河南 永城 476600)

某公司二氧化碳压缩机改造前一直是一台二氧化碳离心机和两台往复机同时运行模式，因往复机B机基础存在缺陷，无法长时间运行，平时仅作为紧急备机，这种情况下，另外两台往复机长期运行，振动大，一旦有一台出现故障，就不利于生产系统安全稳定运行。

在往复机出现故障后，若检修时间较长，且B机无法长时间运行，按照以往的处置措施，都是向气化装置CO2系统补入事故氮来维持系统用气，但带来的风险也随之增加(主要是系统氮气含量增加，后系统放空量增大)，不利于经济运行。其次，这种操作有CO2和氮气互串风险，合成气压缩机干气密封一、二级气源使用的是高压氮气，一旦CO2串入，高压的CO2在减压过程中会造成阀门、管线结霜，造成阀门卡涩，对合成气压缩机机组的稳定运行造成威胁。一期三台往复机，一台离心机，此前运行模式是一台离心机和两台往复机运行，才能保证一、二期气化同时用气需要。通过对一、二期气化用气模式以及机组运行负荷的优化调整，最终实现了单台离心机与单台往复机运行的模式，降低了往复机备机风险，减少了运行成本。

1 问题描述

上述优化后的单台往复机和离心机长期处于高负荷运行状态，由于往复机原设计存在缺陷(排气缓冲器及分离器设计偏小管道布置不合理，已进行改造)，负荷高时，机组缸体及工艺气管线振动大，不利于长周期稳定运行。为了解决此问题，挖掘CO2气系统可优化空间，通过对往复机“一回一”进行负荷调整，也对二氧化碳离心机防喘振系统存在的问题进行了优化处理，对防喘振曲线进行了修正，实现了防喘振阀FV37050关闭，避免了3 000 Nm3/h的CO2气打回流，回流减小，高压蒸汽消耗从原来的63t/h降至61.5t/h，同时将单台往复机运行负荷控制在合理区间，单台往复机运行一段出口压力通过“一回一”调整，从未调整前的0.23 MPa降至0.20 MPa，往复机振动明显出现好转。

2 改造内容

(1)原来二氧化碳压缩机一直是一台二氧化碳离心机和两台往复机同时运行。此运行模式的优点是压缩机运行稳定、负荷低、工况调整余量大。缺点是耗能高(主要是电耗高)，两台往复机运行，缸体及活塞填料的润滑油用量从每月的将近一桶降至每月1/2桶(往复机轴承润滑油与缸体及活塞填料润滑使用的不是同一种油，缸体与活塞填料用油直接带入工艺气，通过分离器分离直接排污收集后处理)。

通过加强对单台往复机的振动改造，使往复机运行时振动下降，同时优化离心机防喘振系统。经过优化操作，实现了一台往复机和一台离心机运行模式，一次性大幅度降低了机组能耗。

(2)二氧化碳离心机K37001正常运行时，因一段实际运行工作点接近防喘振线，且沈鼓自带系统的逻辑设置，防喘振阀的开度是优先级，不管是自动或者手动状态，只要运行工作点贴近防喘振线，防喘振阀都会非线性开启。为了避免防喘振阀误动作，正常运行时，实际运行工作点始终保持一段入口防喘振阀有一定开度，一段入口流量FI37050控制偏高，FI37050的额定值为36 000 Nm3/h，设计值为33 000 Nm3/h)，也就是始终有3 000 Nm3/h的气在打回流，不但不利于机组稳定运行，同时也增加了机组的蒸汽耗量。在实际运行中，技术管理人员经过一段时间运行实践摸索，一段防喘振阀开度在转速6 700 r/min左右的前提下，由原来的60%左右，逐渐关至10%，防喘振阀调整的同时，入口流量只是减少了1 000～2 000 Nm3/h，并不能达到设计指标。

为进一步减少机组一段回流、实现FV37050全关的目标，技术人员一起反复论证、摸索，在保证机组稳定运行的前提下，决定从下位程序中对阀门防喘振工作点进行修正，以达到实时修正工作点的目的。也就是使机组实际运行工作点远离防喘振线，进而实现FV37050关闭。

在源程序中工作点(以FIC37050为例)r1Hc01前添加一个具有手动修改权限的参数kFI37050XS(低压缸系数设定值)，初始值设置为1，其后增加一个MUL，将温压补偿功能块与之相乘，其输出再与防喘振工作点相连。

为防止在对工作点进行修正时输入修正系数错误，导致防喘振工作点过大或者过小，从而对防喘振阀造成影响，进而影响机组安全运行，特在监控画面中对修正系数输入框进行限值，使系数在1～1.3之间，超出范围则无法输入，从源头上防止误操作事件的发生。

同时，将修正系数权限设置为最高权限，只有工程师在最高权限下方可对修正系数进行修改。完成后的效果见图2。

图2 修改程序

程序修改后下装完成，2021年4月2日9∶00，分别对一段入口防喘振工作点进行了修正，在修正一段入口防喘振工作点的同时，安排技术人员优化工况，同时，仔细确认二氧化碳往复机的备机状态，确保在修正过程中，二氧化碳离心机一旦出现波动，另外两台往复机能及时启动，保证气化装置的稳定运行。

3 改造效果

通过优化往复机运行模式及二氧化碳离心机防喘振工况，生产装置可靠性大大增强，机组运行效率提高。

(1)优化CO2机组运行模式，实现单台往复机与离心机运行，在满足生产用气需求的同时，节省一台往复机运行费用，但该模式需把往复机负荷加至满负荷状态(往复机一段出口压力达到0.23 MPa，原设计值0.24 MPa，因往复机原设计缺陷、排气缓冲器及分离器设计偏小、管线布置不合理等未达到满负荷运行状态)，机组振动增大，不利于长周期稳定运行，经过优化离心机防喘振系统后，降低了单台往复机负荷，提高了上述单台往复机和离心机运行模式下的可靠性，为装置长周期运行奠定了坚实基础。

(2)离心机防喘振系统优化调整后，往复机一段出口压力通过“一回一”调整至0.20 MPa，降低了机组运行负荷，振动明显下降，提高了机组运行稳定性。二氧化碳离心机运行效率提高，可以减少回流3 000 Nm3/h，二氧化碳气紧缺的状况得到扭转，一、二期气化用气量也得到了保证。

(3)防喘振关闭后，二氧化碳离心机组减少，每小时可节省的驱动蒸汽最少1 t/h，高压蒸汽价格按照200元/t，可节省0.5万元/d，每月节省15万元，每年运行周期按照10个月计算，可节省成本超过200万元。

(4)一台往复机电机功率是4 000 kW，电费按0.65元/kW·h计算，一台往复机按照实际运行时60%负荷计算，消耗电2 400 kW·h，每天运行所需电费为：2 400×0.65×24=3.744万元，每月消耗电费为：3.744×30=112.32万元，每年运行时间以11个月计，消耗电费为：112.32×11=1 235.52万元(原运行状态是一台离心机和两台往复机并联运行，优化后是一台离心机和一台往复机并联运行)。

(5)节省离心机控制系统改造费用200万元。

(6)离心机与二氧化碳压缩机运行模式的优化，每年可节省运行成本(274+2060+200)万元=2534万元。