丙烯制冷系統改造及優化操作

李 杰

（中國神華集團 煤制油化工有限公司 包頭煤化工分公司，內蒙古 包頭 014100）

中國神華集團煤制油化工有限公司包頭煤化工分公司（簡稱包頭煤化工分公司），是世界首套、全球最大、國家級煤制烯烴示范工廠，具有年產180萬t煤制甲醇轉60萬t烯烴的生產規模。甲醇裝置的丙烯制冷單元（雙系列）由中國五環化學工程公司設計，丙烯制冷壓縮機組選用日本日立壓縮機3MCH808，透平部分選用杭州汽輪機廠生產的NK25/29/25型號汽輪機，控制系統選擇北京康吉森自動化設備技術有限責任公司提供的TS3000系統，干氣密封系統由約翰克蘭公司制造。丙烯制冷單元為低溫甲醇洗單元提供冷量，并帶走甲醇吸收放出的熱量。本文主要討論丙烯制冷系統改造及優化操作。

1 丙烯制冷原理及工藝流程

丙烯制冷是利用丙烯液體汽化時的吸熱效應實現制冷。將液體丙烯置于密閉容器中,液體和蒸氣會在某一壓力和溫度下達到平衡,此時的氣體稱為飽和蒸氣,它的壓力稱為該溫度下的飽和壓力,飽和壓力隨溫度的升高而升高。如果將一部分飽和蒸氣從容器中抽出,就會有液體再汽化為蒸氣來維持平衡,液體汽化需要吸收熱量,此熱量稱為汽化潛熱,而汽化潛熱則來自被冷卻對象,它使被冷卻對象維持在低于環境溫度的某一溫度。為使上述過程持續進行,必須不斷地從容器中抽出蒸氣,再不斷地將液體補充進去，使容器內壓力和溫度保持不變。丙烯制冷系統利用壓縮機把蒸氣抽出壓縮,然后將其冷卻凝結成液體返回到容器中,完成一個制冷循環。

丙烯在激冷器內與甲醇發生熱量交換，吸收低溫甲醇洗中甲醇的熱量，產生的低壓蒸汽（-40℃,40kPa（G））被壓縮機吸入，經壓縮后以高壓排出，壓縮過程需要消耗能量。壓縮機排出的高溫高壓（93℃，1.6MPa（G））氣態丙烯在冷凝器（142E101）被循環水冷卻，凝結成高壓液體。高壓液體流經節流閥142LV105節流，變成低壓、低溫濕蒸氣0.51MPa(G)進入丙烯閃蒸槽(142V103)，閃蒸出的丙烯氣在三段入口分離器(142V105)中分離夾帶的丙烯液后，進入壓縮機三段入口。從丙烯閃蒸槽(142V103)底部出來的液體丙烯(1.2℃，0.51MPa(G))分成兩股，一股直接進入丙烯過冷器(142E102)的管程，被另一股流經節流閥142LV108減壓至0.15MPa(G)進入丙烯過冷器(142E102)殼程的丙烯冷卻至-20℃后，送至低溫甲醇洗單元使用。從丙烯過冷器(142E102)殼程出來的氣體丙烯(-25℃，0.15MPa(G))經二段入口分離器(142V104)分離夾帶的液體丙烯后，進入壓縮機二段入口。兩系列制冷裝置共用一個丙烯貯槽(142V102)，同時兩個制冷系列共同使用一個煮油器(142V106)，用來去除系統中的雜質。

2 對丙烯制冷系原設計的改造

（1）日立公司原始設計時并沒有壓縮機二三段入口分離器142V104/204、142105/205和二三段入口噴淋丙烯，這些是后來工藝人員設計審查時提出添加的。在開車時，機組在 600、2200、3900r·min-1暖機時，一二三段的防喘閥處于全開狀態，如果沒有噴淋丙烯，機組低速暖機時二三段的入口溫度都很高，出口溫度更高，對機組的安全性有很大的影響。在正常運行時，會因為142V103、142E102操作幅度過大、低溫甲醇洗加減負荷過快、液位控制過高或液位計失真等原因，及可能使氣相丙烯帶液，造成壓縮機液擊，破壞葉輪，影響正常生產。142V104/204、142105/205起到氣液分離器的作用，將液態丙烯分離，防止液體進入壓縮機，保護機組，使其安全穩定運行。原始設計及改造后工藝流程見圖1、2圖。

圖1 原始設計圖Fig.1 The original design

圖2 改造后圖Fig.2 The graph transfor mation

（2）原設計汽輪機主蒸汽是來自變換廢熱鍋爐142E104/142E204產4.1MPa(G)，溫度為390℃的并入管網后的蒸汽，主蒸汽溫度壓力受變換開停車，加減負荷影響波動大，變換開車142E104/142E204廢熱鍋爐蒸汽并網時溫度最低達到330℃，壓力3.5MPa(G)，影響機組的安全，有時甚至造成機組停車，嚴重影響裝置正常生產。2011年8月大修時對4.1MPa(G)蒸汽管線進行改造，另從變換廢熱鍋爐所產蒸汽并網前一段主蒸汽管線引入熱電所產蒸汽，從而保證了4.1MPa(G)，溫度為390℃的蒸汽的穩定，避免了受變換開停車加減負荷等原因所引起的蒸汽溫度壓力波動，防止蒸汽帶水，造成汽輪機水擊，損壞機組，影響正常生產。

3 出現的問題

（1）142V101壓縮機入口分離器的主要作用：①將來自低甲的丙烯氣液分離，防止壓縮機帶液，損壞葉輪；②用來自過冷器142E102中的丙烯將來自壓縮機出口通過一段防喘振閥返回壓縮機入口的93℃，1.6MPa(G)丙烯氣體降溫到-36℃，進入壓縮機一段入口，防止壓縮機喘振。但實際運行的過程中當液位控制超過10%時（設計值為30%～60%)會出現一段入口流量計讀數變為零，一、二、三段防喘振閥全開，后發現流量計引壓管能排出液體丙烯，由于氣相帶微量液體丙烯使得流量計為零，壓縮機不能正常工作。還有時142V101液位計失真液位滿量程100%，液位達到87.5%液位高高壓縮機聯鎖跳車，但實際液位不足20%。

（2）包頭煤化工分公司壓縮機干氣密封氣若高低壓段一級泄露氣排放線上的3個壓力傳感器中的兩個超過高高聯鎖跳車值時，機組將聯鎖跳車。一級泄漏氣壓力在全廠開車的過程中高達250kPa(設計值為195kPa)。原因是在全廠開車的過程中公用火炬管網的壓力高，并非壓縮機干氣密封系統故障。

（3）在壓縮機試車時，在開車過程中壓縮機出口壓力達到1.79MPa，(壓縮機出口最高設計壓力為1.73MPa)，但壓力控制142PV104放空閥全開，但壓力依然高于設計最高值1.73MPa，后發現142E101冷凝器積液包丙烯液溫度測點溫度高達60℃，但是積液包并沒有液位，打開142E101循環水回水導淋閥發現水中夾帶丙烯。Ⅱ系列出現同樣的問題。高壓查漏并堵死已漏列管。

（4）試車時期在壓縮機開車過程中，機組在600、2200、3900r·min-1暖機時，一二三段的防喘閥處于全開狀態，由于壓縮機出口氣相沒有經過冷卻器直接返回二三段的進口使溫度高達80℃左右，二、三段進口需要開噴淋丙烯降溫，使系統循環量增加，導致系統超壓而被迫放空，有時甚至出現轉速下降等現象，給開車造成很大的操作困難，并造成丙烯消耗量增加，同時也增大功耗。

4 優化操作方案

（1）針對142V101液位計失真，使142V101液位控制過高，造成一段入口流量計失真的問題。處理措施：不以142V101液位計讀數為準，在不影響機組正常運行的情況下，通過監控一段入口壓力和溫度調整142LV101閥門的開度，使142V101不建立液位或液位很低，使一段進口的溫度高于進口飽和壓力所對應的溫度8～10℃，使一段進口氣相丙烯具有一定的過熱度，從而避免一段氣相丙烯帶液，沒有再出現上述問題，并且機組防喘振控制系統具有一定的安全裕度，取得良好效果。為防止142V101遠傳液位計失真引起機組跳車，把142V101液位達到87.5%時液位高高壓縮機聯鎖跳車摘除，由142V101液位開關控制，防止機組誤聯鎖跳車，保證機組安全穩定運行。

（2）火炬管網壓力高主要是火炬管網液封罐液位控制過高所致。火炬系統是公用的，說不定哪個裝置帶液或什么原因引起憋壓，我們采取的措施是將火炬管網液封罐中液位嚴格控制。另外一級泄漏氣流量很小，大約5m3·h-1，為防止機組因外管網壓力波動跳車，在大修時，將泄漏氣另配1寸管道引至戶外高點放空，起到雙重保險的作用，既能使機組穩定運行，又能保護機組的安全。

（3）丙烯壓縮機出口壓力超過設定值1.73MPa，是由于142E101/142E201丙烯冷凝器泄漏，丙烯氣不能冷凝所致。142E101/142E201為列管式換熱器，采取的措施是停車高壓清洗冷凝器列管，高壓查漏并堵死已漏列管。采取上述措施后，丙烯制冷單元基本能正常運行，但是在炎熱的七八月份的白天，由于冷凝器換熱面積減少，換熱效果下降，壓縮機出口壓力仍然略高于1.73MPa（壓縮機出口最高設計壓力為1.73MPa，當壓力超過1.73MPa時，壓力控制放空閥142PV204會自動打開），壓力調節閥142PV204有一定的開度，大約3%～8%，大大增加了丙烯的消耗。提高壓縮機的轉速，把壓縮機一段進口壓力由原設計的40kPa（G）改為30kPa（G），40 kPa（G）對應的溫度為 -40℃，30 kPa（G）對應的溫度為-42℃這樣即增大了系統的制冷能力。一段防喘閥也由原來的52%～58%關到42%～50%，大大減少了系統丙烯的循環量，由原來的83～87t·h-1降為71～75t·h-1，使出口壓力低于 1.73MPa，壓力調節閥142PV204關為0，降低了丙烯的消耗，蒸汽消耗也降低 2～5t·h-1。

（4）隨經驗的豐富，改變開車方法，原來是當汽輪機暖機結束，可以用調速器調整時，收二三段的防喘振閥，后改為只要一二三段有裕度便慢慢收防喘振閥，汽輪機在3900r·min-1暖機時慢慢收二三段的防喘振閥，一般在3900r·min-1暖機結束時，三段防喘閥關為0，二段關到40%～80%，大大減少噴淋丙烯量，使系統循環量減少，出口壓力不高于1.73MPa，壓力控制放空閥142PV204開度僅為5%～10%，為放掉開車過程中的不凝氣，改進后不但操作方便而且還可以減少系統壓力高對冷凝器142E201的沖擊，保護設備，降低丙烯消耗，也縮短了開車時間。

5 成效

丙烯制冷系統從2010年6月運行至今，經過上述技術改進和優化操作，實現了安全穩定長期運行，丙烯制冷裝置丙烯消耗和蒸汽消耗降低，大大降低了生產成本，真正實現了節能降耗。汽輪機耗蒸汽從優化操作前（2010.6～2011.8）的 27t·h-1降到優化操作后（2011.8～2012.6）的 22t·h-1；丙烯平均月耗從優化前的24t減少到現在的1t；開車時間也從4h縮短至2h，為公司節約了生產成本，也為以后的安全穩定運行奠定良好基礎，達到了系統改造及操作優化的目的。