提高膨胀机制冷量的研究与应用

马 健 张萌萌 李 辉

（陕西延长石油（集团）有限责任公司永坪炼油厂）

0 引言

某炼油厂氮氧站装置是根据空气中各组分沸点不同的原理将氮气分离。原料空气由空气压缩机压缩至0.9 MPa，经预冷机组预冷并经油水分离器分离游离水以及空气中可能带入的油分后，进入纯化器，在纯化器中吸附原料空气中的水分、二氧化碳、碳氢化合物后进入分馏塔，空气在分馏塔中经主换热器与返流之富氧气及氮气进行换热而冷却到饱和温度后进入精馏塔进行精馏,在精馏塔的顶部得到高纯度氮气。膨胀机是氮氧站装置中空分设备的配套机组，该设备为卧式单级径轴向心反击式油轴承透平，对外做功将气体温度降至约-180 ℃，为整个装置提供冷量。由冷凝蒸发器输送的富氧气经膨胀降温后通过过冷器，并经过板式换热器复热，用于纯化器再生。

2020 年11 月以来，氮氧站装置运行不平稳，空分设备故障率较高，经研究分析后可知，主要制冷设备的膨胀机组制冷量不足，无法维持空分设备的热平衡，使空分设备故障检修频率增加，导致氮氧站装置氮气制备量减少，从而影响原油加工的产量。

1 存在的问题

膨胀机的制冷量是指膨胀机对外输出功造成气体的压力、温度降低，焓值减小，气体的能量减少，从而增加的吸热能力。根据膨胀机进、出口气体的温度、压力等数值，从空气的热力性质图上查到相应的比焓值，并经分析计算，得出膨胀机月均制冷量理论值为1 680 kJ/kmol。

对2020 年11 月到2021 年1 月膨胀机平均制冷量进行了统计，具体如表1 所示。

表1 膨胀机制冷量统计表

从表1 可以发现，2020 年11 月到2021 年1 月期间，膨胀机平均制冷量为1 173 kJ/kmol，与膨胀机理论计算值相差较大。随后通过查阅设备运行记录，在2017 年2 月—5 月期间，膨胀机月均制冷量最高可达到1 968 kJ/kmol，因此，将膨胀机制冷量提高到1 680 kJ/kmol 以上是有可能的。

2 原因分析

为了确定膨胀机月均制冷量不足的原因，对膨胀机的各项运行数据进行了分类统计和分析对比。

2.1 各运行班次制冷量分析

2020 年11 月到2021 年1 月期间，各运行班次机组制冷量数据统计结果可见表2。

表2 各班次制冷量对比表

对表2 数据进行分析后可知，各运行班次之间膨胀机制冷量平均值相差不大，且数值均较低。

2.2 设备故障分析

根据该设备档案统计，对 2020 年11 月到2021年1 月此期间膨胀机出现制冷量不足的故障类型进行统计，详见表3。

表3 膨胀机运行故障统计表

根据表3 数据形成排列图，详见图1。

图1 膨胀机运行故障排列图

由图1 可知，累计频率在80%以内的是导致设备故障的主要问题。对上述统计数据进行分析后可知，膨胀机转速过低是膨胀机制冷量不足的主要原因。

3 优化改造

针对膨胀机转速较低的问题，拟定调整膨胀机制动阀开度、重新修正膨胀机参数设定、优化过滤系统等措施。

3.1 调整制动阀开度

为了更准确地确定制动阀开度对膨胀机转速的影响，将制动阀开度分别设置为70%、80%、90%及100%，在确保其他参数不变的情况下，测试膨胀机的转速，试验结果可见表4。

表4 膨胀机转速统计表

将表4 数据采用折线图表示，详见图2。当制动阀开度增大时，膨胀机转速相应得到提高。

图2 膨胀机转速统计图

3.2 修正膨胀机参数设置

为了进一步确定膨胀机调整制动阀开度最佳开度大小，以及进口温度、压力变化对膨胀机转速的影响，通过正交实验的方法来确定最佳参数。

将影响膨胀机转速的3 个关键参数形成正交实验因素表，详见表5。

表5 正交实验因素表

对将各个因素的取值进行分析，形成三位级，详见表6。

表6 正交试验方案表

根据上表，设计L9(33)正交试验方案，并根据试验类别分别测得膨胀机转速值，如表7 所示。

表7 不同参数下膨胀机转速统计表

通过对比9 组实验数据的转速值，分析确定第7组实验的转速数值最高，即A1B3C3 为最佳组合；根据表7 数据得出趋势图，详见图3，由图3 同样可知A1B3C3 为最优参数组合。

图3 因素位级实验趋势图

由于因素B 的极差R为9，比其他列极差更大，这说明因素B 进口温度的变化是影响膨胀机转速的重要因素，由此可知，参数对结果影响权重依次为B＞C ＞A。

分析对比直观分析和组合分析组合结果一致，可以确定参数设定的最优方案为：进口压力为400 kPa，进口温度为140 ℃，进口阀开度为100%。

3.3 改造过滤系统

在原设备工艺流程（详见图4）的基础上新增过滤器自洁系统（详见图5），在膨胀机出口阀过与滤器之间安装反吹管线，并新增电磁阀和电动控制箱，通过一定频率的反吹实现过滤器的定期自洁功能，在降低人工成本的同时，有效减少了滤芯堵塞面积。

图4 原设备流程

图5 新增过滤自洁系统

在原入口过滤器（详见图6）周围新增安装过滤网（详见图7），可以有效阻挡空气中的大分子杂质,进一步降低了滤芯负载，延长了滤芯的使用寿命，最大程度地保障膨胀机设备正常运行。

图6 原过入口滤网示意图

图7 新增滤网示意图

4 效果评价

4.1 运行效果

为了进一步验证改造后的运行效果，统计分析了改造前后的膨胀机制冷量数据，如表8 所示。

表8 膨胀机制冷量效果对比统计表

根据表8 数据分析可得，膨胀机的制冷量在改造后有明显提高，平均月均制冷量可达1 877 kJ/kmol，一直保持在理论值计算值1 680 kJ/kmol 以上，设备整体运行平稳。

4.2 经济效益

改造实施过后，优化了过滤系统，提高了膨胀机制冷量，降低了膨胀机入口滤芯更换频次，成本节约统计如下：

（1）滤芯单价S1=2 000 元，滤芯个数a=120 个；

（2）措施前滤芯费用Q1=120×2 000=24 万元；

（3）过滤网费用Q2=1 000 元；自洁系统费用Q3=2 万元；

（4）人工成本Q4=1 000 元。

通过计算可知，共节省成本Q=Q1-Q2-Q3-Q4=24-0.1-0.1-2=21.8万元

5 结语

通过本次优化改造，提高了膨胀机制冷量，成功解决了因制冷量不足造成空分设备运行异常的问题，降低了设备的检修频次，保证了氮氧站平稳运行，从而保证了全厂用氮设备的安全稳定，提供优质可靠的炼化石油，提升了生产装置设备管理水平,延长了生产装置运行周期。