MTO装置丙烯制冷压缩机系统设计研究

 徐雯雯*

（惠生工程（中国）有限公司，上海201210）

摘要：介绍了MTO装置烯烃分离单元丙烯制冷压缩机系统工艺流程及关键设备的设计，主要包括丙烯制冷压缩机、丙烯冷剂储罐及各段吸入罐。同时分析了不同驱动型式的压缩机工艺系统设计的区别以及压缩机开停车步骤等。丙烯制冷压缩机选用离心式压缩机，分析了离心式压缩机的工作原理、“喘振”原因，及影响“喘振”的因素，提出相应的防喘振措施。

 关键词：离心式压缩机；系统设计；喘振；防喘振措施

 中图分类号：TQ536.9  文章编号：0253 - 4320( 2016) 04 - 0150 - 04

 DOI:10. 16606/j. cnki. issn 0253 - 4320. 2016. 04. 037

1  丙烯制冷压缩机系统工艺流程简述

丙烯制冷压缩机系统由多级离心式压缩机以及相关的缓冲罐和换热器组成，提供多个温度级位的丙烯冷剂，通过与这些温度对应的汽化压力下的丙烯蒸发来实现制冷过程。蒸发后的气体再通过丙烯制冷压缩机压缩后，经丙烯冷凝器冷凝，进入丙烯冷剂储罐。从丙烯冷剂储罐出来的液相丙烯作为热源进入预切割塔再沸器，降温后开始作为冷剂，为系中的各换热器提供冷量。具体工艺流程见图1。

2丙烯制冷压缩机的选用

 丙烯制冷压缩机是丙烯制冷系统的关键设备，选用离心式压缩机。离心机具有压力范围广、效率高、操作范围宽、排气均匀无脉动、体积小、流量大、质量轻、连续运转周期长、运转可靠、易损件少、维修量小、压缩机润滑油不会污染输送气体等优点，在化工、能源和冶金等工业生产中发挥着极为关键的作用。

2.1  离心式压缩机工作原理及“喘振”发生

 离心式压缩机由1个叶轮和扩压器组成1个级。在1个级中，气体首先由叶轮加速到一定速度，再由扩压器将其动能转变为压能。当级的流量减小到某一值时，气流进入叶轮时的速度与叶片进口角不一致，气流冲击叶片，在叶道中引起边界层分离，此时叶道进出口将出现强烈的气流脉动。当级的流量继续减小，气流边界层的分离扩及整个通道，以致不能正常工作。此时级的压力突然下降，而出口端有压力的气体将倒流至级内。瞬间，倒流至级内的

气体弥补了流量的不足，压缩机回复正常工作，重新将倒流的气体压出去，这样又造成级中流量减少，继而压力下降，出口端气体再次倒流至级中。如此循环，在压缩机级和出口端间形成一种低频高振幅的压力脉动。由此引起叶轮应力增加，噪音严重，整机振动强烈，以致无法正常运转，这种工况称为“喘振”或“脉振”。“喘振”是离心式压缩机的固有特性，是一种周期性的听得见的现象，它能在压缩机机械部件上产生很大应力，造成压缩机内部损伤，严重时将导致重大的设备损坏事故。

2.2离心式压缩机喘振曲线

离心式压缩机在不同转速n下都有一条出口压力P(或压比K)与流量Q的曲线。该曲线为一条在流量不为0处有一最高点的曲线。将不同转速下的Q-P( K)曲线的最高点连接起来即为离心式压缩机的喘振曲线。详见图2中虚线。虚线右侧为稳定工作区（非喘振区），左侧为不稳定工作区（喘振区）。每条Q-P(K)曲线的最高点对应的流量即为压缩机喘振流量。一般多级离心压缩机的喘振限见表1。离心压缩机允许的最小工作流量一般比喘振流量大5%~10%。

2.3  引起离心式压缩机喘振的因素及防喘振措施

2.3.1  引起压缩机喘振的因素

 引起压缩机喘振因素很多，除阀门、仪表失效及压缩机本身故障外，人口流量或压力降低、人口温度升高、入口气体分子质量降低、压缩机转速升高和压缩机出口压力与管网压力不匹配等都是造成喘振的原因。

2.3.2防喘振措施

 (1)设置最小回流线

对于压缩机入口流量降低引发的喘振，最直接有效的方法就是打开防喘振控制阀，增加压缩机人口流量。以丙烯压缩机一段吸人罐为例，在丙烯压缩机一段吸人罐入口设置一条从压缩机出口管线接出的最小回流线，管线上设置防喘振控制FV阀。同时为控制进入压缩机一段入口温度，设置一条激冷液管线接至最小回流线上，并设置TV阀。当压缩机人口流量小于喘振流量时，开启FV阀及TV阀。为混合均匀并尽量减少压缩机人口带液量，在最小回流线与激冷液管线混合处设置混合器M-5001，使最小回流线内高温气态丙烯和激冷液液态丙烯经混合器混合均匀后进入压缩机一段吸人罐。同时FV及TV上设置如下联锁：①压缩机／透平停车时，全开防喘振控制FV阀，关闭激冷液管线TV阀。②防喘振控制FV阀全开，允许压缩机开车。详见图3丙烯制冷压缩机一段防喘振控制。其他各段防喘振控制方式与一段相同。

混合器M -5001的设计计算采用ProⅡ模拟。模拟过程如图4。以山东某项目丙烯制冷压缩机一段吸入罐为例，要求混合器M -5001出口物流S5质量流量为51 272 kg/h，温度- 35.9℃，压力0.04M Pa。混合器压降为80 k Pa。其中物流S1为最小回流线，FV阀后压力为0.12  M Pa，S3为激冷液管线，TV阀后压力为0.12 M Pa。设一个控制器CN-M -5001，定量为混合器M-5001出口物流S5，温度- 35.9℃，变量为激冷液流量S3。给S1赋予一个值，运行程序，系统会自动得出相应的S3值，从而得出S5值。该过程反复迭代，直到得出满足规定的S5的温度、压力。此时会得出一个S5的流量值，将该计算值与要求的51 272 kg/h比较后，重新赋予S1新值，运行程序，直到计算的S5值与51 272 kg/h一致。程序运行结束。根据计算出的S1、S3值，确定最小回流线及激冷液管线尺寸及相应调节阀尺寸。运行结果如图4所示。

 (2)其他防喘振措施

 在压缩机恒压的运行工况下，人口压力越低，越容易发生喘振。因此压缩机人口过滤器前后压差增大时，须及时更换滤芯。入口气体温度越高，压缩机越容易发生喘振。因此对同一台压缩机来说，夏天比冬天更容易发生喘振。对于压缩机出口压力与管网压力不匹配，当管网的压力高于压缩机出口排气压力而造成喘振时，可开启出口放火炬阀。但该法造成压缩功浪费的同时也造成了压缩气体的浪费，多发生于项目开停车操作中。为降低该现象出现的几率，开车时，应该先升速后升压，停车时，则应该先降压后降速。

3丙烯冷剂储罐及各段吸入罐的设计

3.1  丙烯冷剂储罐的设计

 压缩机出口的高温气态丙烯经冷凝器冷凝成40℃液态丙烯进入丙烯冷剂储罐。因冷凝器循环水侧循环水温度由32℃升至40℃，故丙烯冷剂的冷凝温度不能低于40℃，否则会出现温度交叉。该罐的主要作用是液封，并分离出系统中的不凝气。该罐多为卧式，入口管线应从罐底部接入，且前面冷凝器出口管线也应从底部接出，以满足液封要求，详见图1。且为防止冷凝器出口的饱和凝液气化，丙烯冷凝器底部出口与丙烯冷剂储罐罐顶高差不应太大，故宜设计成卧式罐。该罐不要求有大的储存和缓冲能力，否则将占地太大。其通常为满液位操作，液位无需控制，但为避免气体短路，需设置低液位超持控制。

3.2各级吸入罐的设计

 对冷剂起到储存及缓冲功能的储罐一般为压缩机的最后一级吸入罐。该罐相对于其他各级吸入罐，尺寸较大，液体的停留时间较长，通常设为10 min，因此无需设液位控制，只需设液位指示与报警。若发现罐的液位太高或太低，可人工由系统向外界排放或由外界向系统补充冷剂。该罐进口管线设置PV控制，压力信号来自于压缩机出口，以维持压缩机出口压力稳定，详见图1。其他各级吸入罐设置原则基本相同，按照气液分离罐设计，在分离气

相中可能夹带的液滴的同时，也可以贮存本级饱和的丙烯冷剂，液体停留时间只需设3 min左右即可，因此罐的体积较小，需设置液位控制。由各段吸入罐液相进料管线上的调节阀进行控制。

  丙烯制冷压缩机系统是一个闭路循环系统，为满足不同的冷剂用户，可提供多个温位冷剂。以山东某项目为例，丙烯压缩机制冷系统一共提供4个温位的冷剂，- 40.6、- 24.6、-7.2、4.8℃。对应的饱和压力分别为0. 028、0.156、0.365、0.569  M Pa。压缩机停车时，整个系统处于平衡状态，此时会有一个平衡压力（也称滞止压力），系统的设计压力必须高于该值。因此在考虑各段吸人罐的设计压力时，不仅要考虑本段的操作压力，还应考虑系统的滞止

压力。

4  压缩机驱动方式不同对系统流程的影响

 为合理利用装置能源，压缩机的驱动方式也不尽相同，主要有蒸汽透平驱动、电机驱动2种方式。其中电机驱动又分为定频和变频2种。因变频驱动的压缩机各级转速可调，与透平驱动的压缩机效果相同，因此变频驱动压缩机系统流程与透平驱动压缩机系统流程大体一致。定频压缩机因各级转速不可调，因此在流程设计上需要增加级间连通管线。以四级压缩机为例，需设置4返3、3返2、2返1管线，以维持各段压力稳定。

 另外对于定频压缩机，需在压缩机一段吸入管线设置1个电动阀。刚开车时，将该阀门开度控制在70%~75%，降低启动电流。当压缩机开起来后，再将开度调到100%。

5  丙烯制冷压缩机的开停车步骤

5.1开车步骤

 (1)实气置换

 先将气相丙烯从压缩机四段吸入罐注入系统内，充压到系统压力为0.3  M Pa，再泄压至火炬系统，这样充压、泄压3次将氮气完全置换掉。

 (2)引实物料

 置换完毕并且整个系统用丙烯充压到合适压力(0.5～0.6 M Pa)后，缓慢地将液相丙烯冷剂注入四段吸人罐，并且在二段、三段和四段吸入罐内建立液位。液相丙烯的注入速度一定要适当，以防止设备过冷。

 (3)启动压缩机前的确认

 润滑油、密封气、缓冲气、丙烯冷凝器的冷却水、电机和润滑油、冷却器所需的冷却水准备就绪。压缩机供应商到现场调试压缩机轴承间隙、位移和对中找正等。了解压缩机调试和开车细节。

 (4)启动压缩机

 根据厂家提供的启机说明启动压缩机后，根据实际情况调整最小回流阀和激冷阀。通过调节激冷阀使最小回流的温度高于吸入罐5~ 100C，注意最小回流不能过度激冷，以防止吸人罐内液位升高。当系统稳定后，冷剂引到各用户，用液相丙烯将各段间吸人罐充至正常液位。界外引入丙烯补充至所需的液体储量。

5.2停车步骤

 丙烯制冷系统是正常停车步骤中最后一个环节。当停止进料和停产品气压缩机后停丙烯制冷系统。停压缩机后，整个系统将会平衡在滞止压力上，通过压力控制阀泄放多余的物料。在整个过程中润滑油系统始终运转，干气密封系统不能关闭，直到机组降到常温、盘车结束、压缩机系统置换合格并维持微正压，详见压缩机厂家的操作指导。

6结论

 (1)丙烯制冷压缩机系统是MTO装置烯烃分离单元的重要组成部分。作为该系统的关键设备的丙烯制冷压缩机的防喘振控制更是重中之中，在保证大机组的安稳运行方面起着极其重大的作用。因此在实际生产过程中，应结合生产实践，分析喘振产生的原因，采取有效的防喘振控制措施，提高压缩机的抗喘振性能及运行的可靠性。

 (2)在满足设计要求的情况下尽可能优化设备和管线的尺寸及布置，以便最大程度地节约投资。

 (3)丙烯制冷压缩机的开停车过程需严格按照压缩机厂家的开停车步骤完成，保证压缩机顺利开停车，减少能耗。

 (4)整个丙烯制冷系统各级用户的设置可优化，以实现能量的最大化利用。