国产甲烷_氢膨胀制冷压缩机在乙烯装置的应用研究.pdf
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1、中文科技期刊数据库(引文版)工程技术 128 国产甲烷/氢膨胀制冷压缩机在乙烯装置的应用研究 高中峰 中国石化中原石油化工有限责任公司,河南 濮阳 457000 摘要:摘要:简要介绍了某公司国产甲烷/氢膨胀制冷压缩机的研发路线、结构设计、选材、主要创新点、国产化过程中出现的主要问题等。通过在 20 万吨/年乙烯装置上试运行,通过实际工况操作验证,经过设计单位多次优化与技术改进,实现了机组安全稳定满负荷运行,认为目前国内膨胀-再压缩机的结构设计及制造工艺水平已基本满足乙烯装置的使用需求。关键词:关键词:乙烯装置;膨胀-再压缩机;密封;泄漏 中图分类号:中图分类号:TQ116 目前,在乙烯装置中采
2、用顺序分离流程高、低压脱甲烷工艺,所产生的高压甲烷尾气在 3.0MPa 以上,主要成分为甲烷和氢气。通过节流膨胀,其节流效率很低,这股尾气可以用来膨胀制冷。高、低压脱甲烷塔尾气的膨胀制冷通常有两种方式:一种是利用焦耳汤姆逊节流膨胀阀即 J-T 阀来实现,在国内一些比较早期建设的装置中多采用这种方式。另一种是利用气体膨胀机来制取低温,同时带动压缩机给燃料气增压。在这两种方式中,由于 J-T 阀的节流膨胀是等焓膨胀,无法对外做功,效率较低;而膨胀机制冷是等熵膨胀,可以达到更低的温度,提高氢气收率,而且对外做功进行能量回收,并且可以降低装置乙烯能耗。因此在如今采用高、低压脱甲烷工艺的乙烯装置中,均采
3、用膨胀机来制冷1。乙烯装置中使用的膨胀机为透平式气体膨胀机,其操作温度低,转速高,轴功率较大。国产膨胀机目前还缺乏成熟的设计制造经验和使用业绩,主要还依托于国外进口。国外主要的制造厂有法国的 CRYO-STAR,美国的 MAFI-TRENCH、GE 下 属 的 ROTOFLOW 公 司、德 国 MANTURBO 公司等。国内的杭氧股份有限公司等以生产空分设备为主的几家公司在引进国外设计技术的基础上,开发了空分装置上的系列制冷膨胀机,但尚未成功应用于乙烯装置。本公司乙烯装置为 LUMMUS 顺序分离工艺,分离单元采用氢气-甲烷膨胀再压缩机为冷箱提供最高等级冷剂。设备由美国 MAFI-TRENCH
4、 公司设计制造。在乙烯装置扩能时,基本能满足生产需要。根据近 20 年的操作、维护及检修经验,2019 年公司在总部立项,联合某空分设备企业历经三年完成了氢气-甲烷膨胀再压缩机的国产化研发,并在 2022 年完成了运行验证。本文就该套设备的研发过程及技术特点进行介绍,为后续大型乙烯装置氢气-甲烷膨胀再压缩机的国产化提供参考。1 国内外膨胀机技术现状 国外膨胀机技术发展较早,以美国 MAFI-TRENCH公司为代表,长期处于领先和垄断地位,技术日臻完善。相较于国内机组,具有焓降更大、多变效率更高,能达到全液膨胀等特点。2000 年以前,国产膨胀机效率在 80%以下,转子的轴向推力很难达到平衡,运
5、转可靠性较差,经常发生轴承烧毁现象,出口带液量大和国外机组相比差距较大。2000 年以后,国内技术人员对膨胀机技术潜心研究,在进口膨胀机备件国产化工作中累积经验,使石化、天然气行业的国产膨胀机在效率和运转可靠性上都有很大的提高。2 膨胀机国产化的条件 2.1 设备运行效率逐渐攀升,基本接近国外同类型设备 国内膨胀机效率近二十年逐渐提升,与国外设备差距愈来愈小(表 1)。国内厂家以前的设计只关注叶轮流道的设计,没有从整个流场(膨胀机蜗壳、喷嘴、中文科技期刊数据库(引文版)工程技术 129 叶轮、扩压器)进行分析和优化,使机组效率(特别是中压膨胀机)比国外产品低。近几年有些公司注意到这方面的问题,
6、开始进行这方面的研究,膨胀机的效率有所提升。表 1 国内外中压膨胀机效率对比(1.6MPa-8.0MPa)2000 年前国内膨胀机 现今国内膨胀机 国外膨胀机 效率,%80 8286 8486 可靠性 较差 好 好 带液量限制,%8%30%无限制 2.2 转子运行稳定性提升 透平膨胀机一般转速较高,且工艺上要求有大的调节范围,转子在不同工况下都要满足可靠运行。目前,国内转子采用刚性轴设计,最高转速可到130000rpm(气体轴承膨胀机),叶轮线速度可到 400m/s。采用可倾瓦或三维螺旋槽结构油楔轴承,轴承线速度90m/s,经多年设备国产化经验,能保障设备长周期稳定运行要求。2.3 国内加工制
7、造能力提升 目前国内加工制造能力有长足发展,三坐标、五坐标加工中心能保障精密零部件的加工精度。材料的研发和冶金能力也能满足膨胀机的要求。2.4 辅助系统设计水平高 国内膨胀机的控制、检测、密封和润滑等系统在设计上能满足工艺调整和设备安稳运行的要求,硬件上可以集成国际优质产品,目前国产机组辅助系统能完全达到国际先进水平。2.5 设备运行工况及国产化技术难点 中原石化公司氢气-甲烷膨胀再压缩机运行工况如表 2 所示,MAFI-TECH 公司生产的设备参数如表 3所示。表 2 介质组分表 组分 摩尔流量(kgmol/h)Hydrogen 386.34 Carbon Monoxide 1.91 Nit
8、rogen 0.07 Methane 97.19 Acetylene 0.02 Ethylene 0.9 Ethane 0.04 总流量 486.47 3 本项目的技术难点如下 在乙烯装置深冷系统优化运行的前提下对机组进行改造,原有的管道和流程均需利用,国产化机组也需要按照三级膨胀和三级压缩来考虑。多级膨胀、增压机组的每一级运行稳定性都将影响整机的运行,小的误差通过多级后都会被累积放大。在设计参数的确定上,机组研发单位需要与装置原设计单位密切配合,对系统状况和参数指标要有深刻理解。另外,在机组设计上,要充分考虑各级的调整能力对整个系统的影响程度,以及喷嘴、叶轮、蜗壳等部件的设计选型;在加工制造
9、上,必须保证高精度。转子运行的可靠性。因利用现场的管口,机组的外形受一定限制,转子设计既要满足现场空间要求,又要满足高转速下的稳定运行。该机组的轴承线速度达到 80m/s,要保障长周期可靠运行,轴承设计和加工制造方面也需做大量工作。通流部件材料需考虑抗氢设计。甲烷-氢尾气在进入一级膨胀机前温度在-128,压力 3.3MPa,且含氢摩尔百分比高达 79.4%,通流部分零部件在考虑高压、低温条件保证设计强度的同时需选取耐氢腐蚀的材料。早在 90 年代,就有科学家研究了氢气的泄漏特性,表 4 列出了氢气的相对泄漏率及流动参数。氢气比其他燃料或气体泄漏速率更快:在层流状态下,氢气的泄漏速率约为甲烷的
10、1.26 倍,而在高压下,氢气往往处于湍流状态,此时它的泄漏表 3 主要技术参数 项目 数值 膨胀温度,-129.4(一段入口)-142.4(一段出口)-138.7(二段入口)-151.7(二段出口)-138.7(三段入口)-158.8(三段出口)膨胀压力,kPa(A)3316(一段入口)1609(一段出口)1595(二段入口)774(二段出口)764(三段入口)333(三段出口)额定流量,kg/hr 2801 最大额定转速,r/min 50000 密封气,Nm/hr 220314(正常)314441(事故)功率,kW 187 多变效率,%82 中文科技期刊数据库(引文版)工程技术 130 速
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