乙烯装置低温膨胀机-再压缩机的工程设计探讨

收稿日期:２０１８Ｇ０７Ｇ１２.
作者简介:李金波,男,２００８年毕业于北京化工大学化工过程机械专业,硕士,主要从事动设备工程设计工作,已发表论文７篇,高级工程师.
E m a i l :l i j i n b o ＠s e i ．c o m．c n .乙烯装置低温膨胀机Ｇ
再压缩机的工程设计探讨
李金波
(中国石化工程建设有限公司,北京１００１０１
)㊀㊀摘㊀要:简要介绍了采用高压脱甲烷工艺的乙烯装置中尾气膨胀Ｇ再压缩系统的工艺流程,认为在尾气膨胀Ｇ再压缩机的工程设计中需要重点考虑低温和高转速这两个特点.文章介绍了转子系统的选材㊁加工和安装方式,分析了传统润滑油轴承和主动磁力轴承的特点,建议乙烯装置的膨胀机Ｇ再压缩机设计时优先选择磁力轴承;此外,还对密封系统㊁机组调节㊁防喘振系统等方面的工程设计进行了总结.
关键词:乙烯装置㊀膨胀机Ｇ
再压缩机㊀工程设计㊀主动磁力轴承d o i :１０．３９６９/j
．i s s n ．１００６－８８０５．２０１８．０６．００８㊀㊀乙烯产量及装置的规模㊁
技术水平是衡量国家石化工业水平的重要标志ʌ１ɔ
.近十几年来,国
内乙烯行业得到了飞速发展,多套百万吨级乙烯装置投入运行或进入工程设计阶段,为国家每年增加了上千万吨的乙烯产能,极大地缓解了国内乙烯的供需矛盾.在这些大型乙烯装置中,很多乙烯装置如中海油惠州１００万t /a 乙烯装置㊁武汉８０万t /a 乙烯装置等的深冷分离流程都用到了高压脱甲烷工艺,所产生的高压尾气压力在
３０ˑ１０５
P a 以上,
主要成分是甲烷和氢气,其中甲烷往往占到９０％以上(摩尔百分比).这股尾气可以用来膨胀制冷,为深冷分离系统提供高位级
的冷量,并且可以降低装置能耗ʌ
２
ɔ.高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Ｇ汤姆逊节流膨胀阀即J ＧT
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 ＧT 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,能耗更低.因此在如今采用高压脱甲烷工艺的乙烯装置中,均采用膨胀机来制冷.
本文主要对乙烯装置低温膨胀Ｇ
再压缩机的工程设计要素进行分析,为工程设计人员和装置操作人员提供参考.
１㊀工艺流程
图１为高压甲烷尾气膨胀系统的主要工艺流程.在高压脱甲烷塔中,塔顶物料用－１０１ħ的乙烯冷剂进行冷却,冷凝下来的液相经回流罐返回脱甲烷塔作为回流,其余以甲烷为主要组分的气相尾气送入膨胀机进行膨胀做功,获取－１４０ħ左右低温;
膨胀后的甲烷为气液两相,在膨胀机分离罐中进行分离,气相㊁液相物料分别进入冷箱,进行冷量回收换热,之后进入再压缩机增压后作为再生介质或燃料气.当膨胀机发生故障时,将切换到J ＧT 阀进行节流膨胀,用以提供装置所需的冷量,但此时制冷效率降低,制冷量减小,
乙烯损失增大.
随着近年来乙烯装置规模的扩大,使用膨胀机所获得的节能效果也越来越明显.表１为国内某１００万t /a 乙烯装置内膨胀机的主要工作参数.仅考虑尾气的膨胀对外做功,就可以回收功率近１０００k W ,以年工作８０００h 计算,可以节约费用约７００多万元.
动设备㊀㊀
石油化工设备技术,２０１８,３９(６) ２８
P e t r o ＧC h e m i c a l E q u i p m e n tT e c h n o l o g y
图１㊀高压甲烷尾气膨胀系统工艺流程
表１㊀某乙烯装置的膨胀机工作参数
２㊀机械设计
乙烯装置中使用的膨胀机为透平式气体膨胀机,操作温度低,机组转速高,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
有法国的低温星(C R Y O ＧS T A R ),美国的MA F I Ｇ
T R E N C H ㊁G E 下属的R O T O F L OW 公司㊁德国MA N T U R B O 公司等ʌ３ɔ
.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.２．１㊀机械组成
乙烯装置的甲烷尾气膨胀机Ｇ再压缩机组采用的是同轴式结构,即膨胀机的叶轮和压缩机的叶轮安装在同一根轴上,分别位于两端,构成转子
系统.图２为某乙烯装置上的膨胀机Ｇ再压缩机组结构,可以将其主体的机械结构划分成三大基本部分,即膨胀机定子部分㊁压缩机定子部分和同轴转子系统.
图２㊀某乙烯装置的膨胀机Ｇ
再压缩机结构㊀㊀乙烯装置中类似机组最大的两个特点是低温和高转速,这两点会导致低温下材料产生应变和应力以及机组振动等系列问题.因此,所有制造厂在机组机械设计上的很多考虑因素都是在致力于避免低温和高转速可能带来的问题.
２．２㊀转子系统
膨胀机Ｇ再压缩机的叶轮为半开式叶轮,采用机械强度高㊁耐低温性能好的优质铝合金(如７０７５铝合金㊁７１７５铝合金等)
的锻件㊁实心板材或实心棒料进行整体铣制加工而成,并使用有限元分析软件进行应力分析,以确保叶轮具有比较高
９２ ㊀第３９卷第６期李金波．乙烯装置低温膨胀机Ｇ
再压缩机的工程设计探讨
的强度.这与两件焊的叶轮相比,可有效避免焊缝在高转速下应力开裂的问题.每个叶轮在加工完成后,需要按照A P I ６１７进行单件动平衡测试
并达到I S O １９４０G ０．６７及以上等级的要求ʌ４ɔ,
还要实验测试振动以获得叶片和轮盘的共振频率,避免机组在运行转速范围内出现共振.此外,膨胀机和压缩机的叶轮均采用三元流高效叶轮,提高效率.
膨胀机Ｇ
再压缩机虽然转速非常高,但由于轴长较短,转子的最大连续转速往往在一阶弯曲临界转速和扭转临界转速之下,即为刚性轴,不过在设计中仍需要注意核实隔离裕度是否满足A P I ６１７的要求.轴端设计成锥形并用柱形键或齿形键来安装叶轮(见图３),这种设计可以避免花键及传统键槽所带来的应力集中.同时,两端叶轮通过共用的中心拉伸螺栓固定到轴端锥形结构上.拉伸螺栓在转子安装时应适当预紧,这样可以为每个叶轮施加恒定的预紧力以确保在所有的极端温度和转速下叶轮与轴都能够紧密贴合.轴多采用高强度㊁耐低温的材料制造.如果采用磁力轴承,轴的材料还应具有强磁性,如沉淀硬化不锈钢㊁H Y Ｇ１３０等
.
图３㊀叶轮安装示意
㊀㊀磁力轴承膨胀机Ｇ
再压缩机的轴在机械结构上可分为实心轴和叠片式轴.叠片式轴是轴的外部套有磁性材料加工而成的叠片式轴套,二者采用过盈配合的安装方式,这可以防止转子在高速转动时轴套与轴脱落发生打滑.实心式金属轴在高速转动时往往会产生明显的涡流,从而干扰磁场力并产生较高的热量,在设计时应考虑这些问题,如选材时选用磁导率大但电导率小的材料.叠片式结构轴的电涡流损耗低,一般在设计中优先选用.乙烯装置中采用磁力轴承的膨胀机Ｇ压缩机组的轴基本上都是这种叠片式结构.
２．３㊀支撑轴承
膨胀机Ｇ再压缩机的轴承设计主要有两种方案,即流体动压轴承和磁力轴承.
流体动压轴承即采用强制润滑的滑动轴承,配置独立的润滑油站给轴承供油,轴封处充注密封气进行隔离,防止润滑油进入介质.这种支撑方案在较早的乙烯装置中得到比较广泛的应用,其优点是制造㊁安装㊁操作比较简单,机组采购成本相对较低,但也存在占地比较大㊁管路系统复杂以及介质被润滑油污染的隐患等弊端.特别是隔离气失效或油压与密封气压力不匹配的情况下,润滑油会进入甲烷尾气介质当中,堵塞冷箱,降低换热效果和干燥器内分子筛的吸附能力.A P I ６１７中对压缩机轴承的选择上主要建议使用流体动压轴承,但特别在第四章膨胀机Ｇ压缩机中提到 膨胀机Ｇ压缩机系统使用磁力轴承的原因有很多,最重要的是即使透平膨胀机在运行中受到严重损坏,也可以从根本上消除在低温系统中产生油污染和冻堵的潜在风险.
正是因为磁力轴承支撑设计具有运转更加稳定㊁结构紧凑㊁从根本上实现绝对无油从而避免介质污染等明显优势,近年来在乙烯装置尾气膨胀机Ｇ再压缩机上得到了广泛推广.
首台采用磁力轴承的透平膨胀机Ｇ
再压缩机是低温星１９８８年成功投入工艺生产装置运行的,但采用磁力悬浮轴承的设想是英国剑桥大学S ．E a r n s h a w 教授在１８４２年就提出了的,只是受当时控制元件水平的限制,一直没得到充分的开发利用.到了上世纪中后期,随着现代控制理论的飞速发展和相关研究的深入,磁力轴承开始逐步在工业设备中得到应用(见图４).现在乙烯装置膨胀机上所使用的磁力轴承多数来自１９７６年成立于法国的S ２M 公司,该公司一直致力于磁力驱动轴承的研发和工业应用并取得了显著成
绩ʌ
５Ｇ６ɔ
.图４㊀磁力轴承
０３ 石㊀油㊀化㊀工㊀设㊀备㊀技㊀术
２０１８年㊀
㊀㊀乙烯装置上的膨胀机Ｇ再压缩机组采用的是主动磁力轴承(A c t i v eM a g n e t i c B e a r i n g),轴承体的两端是径向磁力轴承,中间设置止推磁力轴承,详见图２.考虑到磁力轴承断电情况下,悬浮的转子会因磁力消失受重力作用突然坠落,导致动静部件的损伤,因此需要设置辅助支撑的径向轴承.通常这种辅助支撑轴承可以承受至少５次的突然失电.
辅助轴承一般为干式双列角接触球轴承,滚球为钢珠或陶瓷珠.当转子未受到磁力作用悬浮时,由辅助轴承进行支撑,正常运行时辅助轴承不发生转动.在磁力轴承通电时,磁力轴承的定子线圈产生强磁场,由于转子上套有强磁性叠片,在磁场力的作用下会使轴悬浮并保持在特定位置.
乙烯装置上的膨胀机Ｇ压缩机采用的是主动磁力轴承,也称为有源磁力轴承,轴承位置采用闭环控制,图５为磁力轴承的控制流程.轴承上设有专门的位置传感器,对转子的位置进行连续监测并输出信号,该信号会与基准信号即转子的设计悬浮位置(径向和轴向)进行比较.当两个信号之间存在差异时,将会向控制器输送误差信号.控制器对误差信号进行相应的分析计算后,向功率放大器发出调整指令,增大或者减小磁力轴承上某个电磁铁的电流,从而改变对转子的磁场浮力,使其回到正常位置
.
图５㊀磁力轴承控制流程
㊀㊀表２对磁力轴承和液体动压轴承的主要特点进行了对比.
表２㊀两种轴承性能对比
２．４㊀密封系统
乙烯装置中甲烷尾气膨胀机Ｇ再压缩机的膨胀机侧介质温度远低于压缩机侧介质温度,需要设计中考虑防止低温冷量沿着轴向压缩机侧进行传递;此外磁力轴承在工作中会产生一定的热量,必须对磁力轴承进行适当的换热将热量带走以免过热,还有一个目的就是要防止膨胀机㊁压缩机侧不洁净的工艺气体窜入轴承腔.因此,机组通常会配置一套带密封气的迷宫密封系统.密封气的温度和轴承类型有关,对于传统油轴承,密封气的温度在３０~４０ħ;对于磁力轴承,密封气温度使用范围相对较宽,一般在２０ħ左右.密封气通常就采用膨胀机入口的低温甲烷尾气,利用加热器加热到允许的使用温度,然后通过差压控制的调节阀调节密封气到合适的压力后引入密封腔.通常为保证密封气的洁净度,需要配置密封气过滤器.密封气温度㊁密封气与密封腔之间的压差是密封系统正常使用的两个关键参数,一般会在控制系统中设置密封气温度和差压联锁停机控制功能.
１３
㊀第３９卷第６期李金波．乙烯装置低温膨胀机Ｇ再压缩机的工程设计探讨
３㊀能力调节
在实际操作中,膨胀机Ｇ再压缩机的能力经常需要进行调整,工程设计中最常选择的调节方法是入口导叶(I G V)调节和入口节流调节.３．１㊀入口导叶调节
乙烯装置中甲烷尾气膨胀机Ｇ再压缩机主要依靠入口导叶(I G V)进行能力调节.这种调节方式通过一个带有限位开关的气动执行机构来控制入口导叶的开度,改变介质通流面积,从而改变机组能力.该方式不会改变介质在膨胀机入口处的状态参数,可以实现０％~１２５％范围内的流量调节,而且在较大操作范围(如７０％~１２０％)内仍能够保证机组有较高的效率.这种调节具有较好的节能效果,且可以通过改变导叶角度进行比较精准的调节,是膨胀机Ｇ压缩机上比较常用的调节方式.
在工程设计中需要注意,膨胀机侧介质温度极低,为避免导叶动作杆在低温下卡死,要设置伴热措施.
３．２㊀入口节流调节
入口节流调节是通过在膨胀机入口管路上设置调节阀,改变阀门开度调整进入膨胀机的介质压力,从而改变膨胀机能力的调节方式.这种方式会使介质的有效焓降减少,从而降低等熵效率,因此不是很经济的调节方式.但该方式操作简单,因此在个别机组的工程设计上仍会采用.
４㊀其它
４．１㊀防喘振
同其它离心式压缩机组一样,膨胀机Ｇ再压缩机需要在工程设计上考虑避免机组喘振.在机组选型时,设计人员需要认真研究机组的性能曲线,确保所选机型的各个工况操作点远离压缩机的喘振线.此外,设置从压缩机出口返回入口的防喘振回路,该回路上配置防喘振阀门,阀门全开的响应时间应在２s之内.防喘振的控制可通过C C S 实现,也可以在D C S中实现.当使用D C S进行控制时,需要制造厂提供完整的控制逻辑以及相应的防喘振算法.因此,国内的工程设计上膨胀机Ｇ压缩机的防喘振多在C C S中进行,或配置单独的防喘振控制器专用于防喘振控制,其余机组所需要的控制通过D C S实现.４．２㊀磁力轴承电控柜
当采用磁力轴承时,其电控柜需要安装在非防爆区域.电控柜中包括电源放大器㊁备用电池㊁P I D控制器㊁电流/电压调整器.由于该电控柜既需要接入强电,又有仪表信号进出,因此是安装在马达控制中心(M C C)还是现场仪表机柜间(F A R)中,需要工程设计单位㊁用户及制造厂根据安放位置的距离㊁用户操作维护制度等因素共同商定.不管放在M C C还是F A R中,出于特殊电缆的成本考虑,尽量确保距离机组的距离不超过４００m,如果距离超过４００m,特殊电缆的成本将增加很多.当放置在F A R中时,需要将该电控柜与其它仪表柜之间保持适当的距离,以免强电对其它仪表信号产生干扰.
５㊀结语
１)乙烯装置的膨胀机Ｇ再压缩机的机械设计中需要特别注意低温和高转速带来的影响,应采取相应的设计避免由此带来的问题.
２)主动磁力轴承由于具有不污染介质㊁适合高转速㊁能耗低等显著特点,在乙烯装置膨胀机Ｇ再压缩机工程选型设计时应优先考虑.３)膨胀机Ｇ再压缩机采用入口导叶调节为主的调节方法.
４)机组设计时需要设置密封气系统及压缩机防喘振系统.
参考文献:
[１]㊀王松汉．乙烯装置技术与运行[M]．北京:中国石化出版社,２００９．
[２]㊀邹余敏,王淇汶,孙晶磊,等．乙烯装置中尾气膨胀制冷及对深冷分离的影响[J]．石油化工,２０００,２９
(９):６８６Ｇ６８８．
[３]㊀李志权,邢桂坤,付大春,等．磁力轴承透平膨胀机/再压缩机组的选型探讨[J]．化工设备与管道,
２００９,４６(１):３１Ｇ３４．
[４]㊀A m e r i c a nP e t r o l e u mI n s t i t u t e．A x i a l a n dC e n t r i f u g a l
C o m p r e s s o r s a n d E x p a n d e rＧc o m p r e s s o r s:A P I
６１７ ２０１４[S]．W a s h i n g t o n,D C:A P IP u b l i s h i n g
S e r v i c e s,２０１４．
[５]㊀侯建军,蒋培．磁浮轴承技术综述[J]．科技创新导报,２００７,(３４):６０Ｇ６１．
[６]㊀吕峰,丁予展,高澜庆．磁悬浮轴承的原理与应用[J]．机械,１９９４,２１(６):４０Ｇ４３．
２３ 石㊀油㊀化㊀工㊀设㊀备㊀技㊀术２０１８年㊀。