裂解气压缩机长周期运行举措

    李元明 于洋 张勇

    

    

    

    摘 ?????要：裂解气压缩机作为乙烯装置最关键核心机组，如果出现故障将严重后果。由于裂解气中富含1，3丁二烯、苯乙烯、环戊二烯等多种易结焦组分，将对压缩机的正常运行产生严重危害。对压缩机长周期运行中出现的异常问题进行分析，并提出了相对可行的解决建议。

    关 ?键 ?词：裂解气压缩机;长周期;结焦

    中图分类号：TQ 052 ??????文献标识码： A ??????文章编号： 1671-0460（2019）02-0427-04

    Abstract： The failure of cracking gas compressor as a key core equipment of ethylene plant will cause serious consequences. The cracking gas is rich in multiple easily coked components such as 1，3-butadiene，styrene and cyclopentadiene，which can severely affect normal operation of cracking gas compressor. In this paper， the problems in the long-term operation of the compressor were analyzed， and feasible solution was put forward.

    Key words： Cracking gas compressor; Long-term; Coking

    本装置采用美国SW公司的前脱丙烷前加氢专利技术工艺，设计可生产聚合级乙烯800 kt/a，作为乙烯装置的关键核心设备，裂解气压缩机组的运行状况，直接影响整体的运行工况。

    1 ?生产工艺概况和设备运行情况

    1.1 ?生产工艺概况

    本装置裂解气从急冷水塔顶进入压缩机一段缓冲罐，经四段压缩后进入碱洗塔除去酸性气体，然后进入气液相干燥器脱除水分，再经高压脱丙烷塔后进入压缩机五段，经五段压缩后出口压力可达3. 8 MPa。

    1.2 ?设备概况

    裂解气压缩机组作为乙烯装置最关键的核心设备，它的运行是否平稳直接影响到乙烯装置的运行。抚顺石化烯烃厂乙烯装置的裂解气压缩机由日本三菱公司生产，其型号为9H-4W 9H-4B 7H-7B离心式3缸5段15级压缩机。其配套蒸汽透平由三菱公司生产，型号为：8EH-11抽气冷凝式透平，11级，蒸汽流量398 600 kg/h，额定功率：53 500 kW。

    2 ?压缩机运行状况及分析

    2.1 ?壓缩机运行问题

    裂解气压缩机系统自2012-10开工，裂解气压缩机一直运行较为平稳，但随着运行周期的增加，压缩机运行状态逐渐下降。表1为在100%负荷下压缩机的运行数据。

    由表1可以看出在急冷水塔塔顶温度基本稳定的情况下，随着压缩机运转周期的增加各段排出温度逐年增加，尤其是到了2017年末期，各段排出温度均在91 ℃以上，同时在压缩机转速夜逐年增加，对比刚开工初期的转数增加了270 r/min，而一段吸入压力却逐渐增高，同时裂解气压缩机透平的蒸汽耗量也在增加，这些问题都造成了裂解气压缩机功率的下降，并且对乙烯装置能耗有了较大的影响

    尤其在装置运行末期，即2017-02-06、2017-03-06和2017-03-17多次出现低压缸振值升高的现象。振动特征表现为瞬间性和随机性，如2017-03-06在11：30低压缸径向驱动端和非驱动端振动VI-13805X/Y和VI-13806X/Y开始上升， 11：50：40秒裂解气压缩机低压缸驱动端轴振动VI-13805X/Y分别达到93.5 μm/61.2 μm，低压缸非驱动端轴振动VI-13806X/Y分别达到42.9 μm /35.6 μm，联锁值为91 μm，该联锁为2取2，因此未发生联锁停车，12：20之后振动值逐渐恢复正常。

    通过状态监测系统分析，上述事件历时振动50 min左右，振动值和相位大致恢复，波动期间相位稍有变化，这种恢复性不是掉垢块产生的，因为垢块脱落，会产生动不平衡，振动值和相位不会完全恢复[1]。本次原因应为裂解气中粘性物质在叶轮和密封上附着，结垢使动静间隙变小，导致动静碰摩，之后异物碰摩消失之后振动恢复正常。

    2.2 ?裂解气压缩机结焦原因分析

    2017年6月4日乙烯装置停车检修，对裂解气压缩机开盖检查发现低压缸、中压缸结焦非常严重，垢物堵塞压缩机隔板、叶轮、密封机壳流道和机壳的流道，影响压缩机效率和机械性能。

    对聚合垢物进行红外光谱分析，分析结果表明垢样中的有机物主要是含有苯环的二烯烃聚合物（聚苯乙烯，苯乙烯与1，3丁二烯共聚物、苯乙烯与C5二烯烃共聚物等）红外谱图如图1。

    3 ?裂解气压缩机结焦原因分析

    3.1 ?结焦原因

    裂解气中含有大量不饱和烃、金属氧化物、硫化物，使烯烃、双烯烃经过压缩机压缩后会发生自聚共聚反应。在受热的壳体及缸体表面形成一层组成复杂的垢物。反应产生的聚合物，会附着在缸体、叶轮、以及压缩机内部流道内，降低压缩机运行效率。

    3.2 ?结焦机理

    （1）自由基聚合

    在压缩机压缩机缸体聚合物生成的主要原因是裂解气中活泼组分的自由基聚合[2]。自由基聚合是由于裂解气中的活性组分在氧气、氧化物和过氧化物的催化下由于压缩温度升高而发生的。由于自由基的增长，使得聚合物分子量不断增加，从而形成高分子聚合物聚集在压缩机内部。

    （2） Diels-Alder 狄尔斯-阿尔德缩聚

    如图3所示裂解气压缩机聚合物还有少量是由于在压缩过程中，一部分共轭双烯烃与取代烯烃反应生成六元环状聚合物的缩聚反应。

    3.3 ?压缩机结垢位置及影响

    （1） 气体排出流道

    如图4所示由于结垢会导致压缩机扩压室和叶轮的气体流道变窄、使得机组裂解气的流通面积不断减小，造成压缩机的各段压力升高。运行负荷减少，压缩机功率增加[3]。为保持正常运行，必须提高压缩机转数，而转速的增加会使得更快的气体流速和更高的出口压力，使得压缩机的排气温度不断上升。

    当垢块在压缩机内积累到一定程度，裂解气在流道内的流动状态会发生改变，或当垢块发生脱落时，会造成垢层的不均匀分布，导致转子处于不平衡状态，使振动大幅增加，同时转动件和定子之间产生摩擦，造成一定的机械损伤。

    （2） 迷宫密封

    如图5所示中干净级间迷宫式密封能够产生很好的湍流，结垢严重的迷宫式密封由于凹槽处结垢严重降低了湍流，导致节流效果下降，压降升高，而导致裂解气泄漏量增加，使得压缩机运行效率过低，蒸汽消耗量增加，或压缩机转数无法提高等现象。

    4 ?抑制压缩机结焦方法及预防措施

    乙烯装置普遍采用以下几种方法来防止裂解气压缩机结垢。

    4.1 ?注水

    注水技术是利用向压缩机流道内注入脱盐水，，由于脱盐水中中不含有固体杂质和氧气，利用水的汽化潜热达到降低压缩机内部温度的效果，从而降低裂解气压缩机各段出口温度，减缓不饱和组分的结焦速度[4]。在90 ℃以上反应物的聚合速率呈指数增加，聚合速度加快。但控制过低的温度，会使段间过多的酸性气体凝结在段间换热器上，导致段间换热器容易腐蚀，也会增加段间换热器的热负荷，同时由于注水量过大也会导致压缩机流量增加而减小压缩机效率。

    同时注入到压缩机内的水应该通过特殊的雾化喷嘴使水滴的直径在100 ?m左右，以便物化的水滴能够迅速气化而不会对压缩机内部造成损坏。我装置为五段压缩机，共计有12个喷嘴，一段4个，二段2个，三段2个，四段4个，分别在压缩机缸体两侧注入，注入位置为叶轮的入口弯道上。

    一般来说注水量约为裂解气量的1%～2%，略大的注水量对于压缩机整体运行来说是有利的，可以对压缩机内的流道进行清洗，防止聚合物沉积。我装置注水量设计值为每段15 L/min，约占裂解气量的1.12%，目前我装置裂解气压缩机采用1-4段连续注水的方式，目前每段注水量控制在6～10 L/mim，控制裂解气压缩机出口温度在82～88 ℃，与不注水相比温度可降低5～8 ℃。

    4.2 ?注洗油

    注油技术是通过选择富含芳烃的加氢汽油作为油，注入裂解气压缩机缸体内，通过冲刷附着在叶轮及流道上的聚合物，冷却裂解气，减缓聚合反应的发生。同时通过洗油的注入，使流道上形成一层油膜，可使聚合物不易粘附于流道表面。装置选用的洗油为本装置自产的加氢汽油，其组分为C6～C8，其主要成分为苯55%，甲苯24%，因為其拥有良好的溶解性且不含烯烃、二烯烃等不饱和组分，所以用加氢汽油作为裂解气压缩机缸体的洗油是非常合适的。其中有文献[5]提到由于洗油中苯在常压下沸点过低，使得洗油中的苯在压缩机缸体内容易气化，作者认为此处没有考虑到压缩机内的压力，经计算在不同压力下沸点见表2，完全满足压缩机内要求。同时苯与甲苯对有机物的溶解性十分接近，所以本装置内自产的洗油是非常合适作为压缩机缸体的清洗剂的。

    装置为五段压缩机，共计有12个洗油喷嘴，一段4个，二段2个，三段2个，四段4个，分别在压缩机缸体两侧注入，注入位置为叶轮的入口弯道上。一般来说洗油注入量为裂解气量的1%～2%，我装置在2017年首次检修之前的洗油注入方式是间歇性注入，每周注入8 h，注入量为60 L/min， 检修时发现缸体聚合严重，同时发现洗油喷嘴由于间断性注入，导致洗油喷嘴严重堵塞，于是检修开工后改为连续注入，注入量为40 L/min。

    4.3 ?注入阻垢剂

    本装置2017年大检修后对压缩机系统进行技术改造，通过原有的洗油管线，开始加注NALCO公司的压缩机阻聚剂EC3451A，其主要有效成分是阻聚剂-控制自由基聚合、分散剂-防止聚合物附着，提高液相物料对沉积物的溶解性、金属减活剂-与铁反应形成氧化铁以控制过氧化物分解的催化作用、缓蚀剂-控制腐蚀，以防止腐蚀产物在压缩过程中沉积[6]。

    同时通过对裂解气压缩M因子进行观测，如图6，理论上M因子控制在0.25以下，即可认为压缩机运行状态良好。目前通过上述方法发现M因子均有平稳下降趋势。

    5 ?结 论

    裂解气压缩机为乙烯装置的关键核心设备，其运转情况直接影响乙烯装置整体运行。裂解气压缩机结焦虽然无法完全避免，但可以通过加强工艺管理减缓结垢速率。

    （1）通过调节注水量控制压缩机出口温度在85～88 ℃，可以有效减缓结焦;

    （2）通过连续洗油注入，可以有效溶解大部分结焦物;

    （3）通过阻聚剂的注入，可以有效控制各类聚合反应的发生。

    参考文献：

    [1]郑文兢.裂解气压缩机结垢振动问题分析与对策[J].乙烯工业，2014，26（2）： 56-59.

    [2]王松汉.乙烯工艺与技术（精华本）[M].北京： 中国石化出版社，2012：254-258.

    [3]胡国桢. 化工密封技术[M]. 北京： 化学工业出版社，1990.

    [4]孟昭月. 引进的乙烯装置裂解气压缩机应用喷水技术改造[J]. 风机技术， 2004 （ 4）： 44-48.

    [5]刘贤光. 裂解气压缩机长周期运行存在问题及解决对策[J]. 乙烯工业，2017， 29（3）： 57-60.

    [6]翟凤阁. 裂解气压缩机结构原因分析[J]. 当代化工， 2017， 46（11）： 2364-2365.