煉油廠高壓加氫裝置循環氫壓縮機組的選型及控制分析

趙 鈺

(中石化洛陽工程有限公司)

循環氫壓縮機作為高壓加氫裝置的核心設備，其進出口壓力由工藝所選定的反應壓力和在操作周期中可預見的壓力降來決定。它的作用是將脫除H2S后的循環氫進行升壓，升壓后的循環氫分為兩部分，一部分與由氫壓縮機來的新氫混合后循環回反應部分；另一部分作為急冷氫去控制反應器入口溫度(運轉末期需要排放部分廢氫)。循環氫壓縮機一旦故障，常會引起反應系統飛溫，裝置緊急停車，出現重大生產事故，因此，一定要選擇可靠、穩定的機型作為循環氫壓縮機。基于此，筆者對循環氫壓縮機組的工程選型及控制方法等要點進行了分析。

1 壓縮機型式的選擇

目前，除了沸騰床渣油加氫裝置因循環氫壓比較大(2.3左右)而采用往復壓縮機升壓外，高壓加氫(固定床渣油加氫、加氫裂化)裝置中，在壓縮機入口狀態流量Vs>900m3/h時[1]，通常選用離心式筒形(雙殼體)壓縮機，通過變轉速調節以適應多工況的操作要求。典型的高壓加氫裝置循環氫壓縮機的選型情況如下：

最終用戶裝置名稱 中石化長嶺分公司1.7Mt/a渣油加氫處理裝置

壓縮機型號 BCL409

入口壓力(G) 15.0MPa

出口壓力(G) 18.5MPa

入口狀態流量 1 876m3/h

入口溫度 58℃

分子量 5.19

額定功率 2 381kW

從以上數據可以看出，循環氫壓縮機采用國產BCL系列壓縮機，根據入口狀態流量的不同，主要以BCL400、BCL450系列的機型為主，目前，該系列機型在各大煉油廠的加氫精制、加氫裂化和連續重整裝置中應用廣泛。沈鼓部分葉輪模型級的流量范圍見表1。

表1 沈鼓部分葉輪模型級的流量范圍

2 確定效率保證工況點

操作工況點較多是循環氫壓縮機工藝操作的特點之一，包括開工初期的反應系統干燥、氣密(介質為氮氣和氫氣)、催化劑的硫化和正常操作中的不同階段(指隨著反應的深入，反應器床層積垢造成壓力降加大)，循環氫壓縮機均應能適應工況要求，并平穩、可靠地連續運轉，因此壓縮機的選型要兼顧所有工況。

某渣油加氫裝置循環氫壓縮機的操作參數見表2。

表2 某渣油加氫裝置循環氫壓縮機操作參數

在選取壓縮機的設計工況時，首先其性能應滿足最苛刻工況，即額定工況(壓差最大、流量最大)要求，其次應使其設計的高效區靠近經常操作的正常初期工況點，以節省能耗。但由于離心壓縮機能量頭對分子量的變化比較敏感，實際操作中，分子量變小，壓縮機需要提供的能量頭增加，因此在轉速不變的前提下，壓縮機的操作工況點會向小流量區移動，靠近防喘振線，這就要求壓縮機在根據額定工況初步確定選型后，需復核在開工初期可能出現的小分子量情況，在已確定的最大連續轉速范圍內，盡可能包住所有的運行工況點，以滿足工藝操作的要求。

開工硫化工況就是一個典型的例子，該工況在高壓加氫裝置開工初期必不可少，它的作用是通過硫化劑的注入與硫化油混合后激活催化劑，循環氫主要為99%的純氫，分子量約2.3左右，這時就要復核在滿足反應系統氫氣循環壓差的前提下，壓縮機通過提高轉速(不能超過最大連續轉速)能達到的最大流量，如果循環壓差較大，且該工況轉速與額定工況轉速相差較大，也可將該轉速定義為最大連續轉速，需要注意的是，該工況一般出現在開工初期，只有2～3d左右，不能作為壓縮機選型和高效區選取的依據。

3 壓縮機關鍵選型參數的確定

循環氫壓縮機屬于入口高壓、小壓比(壓比一般在1.24左右)、處理氣體的分子量較小的多級離心壓縮機，在壓縮機選型中葉輪材料、葉輪直徑、葉輪頂尖轉速和葉輪級數是壓縮機的主要參數，同時它們也相互關聯、相互影響。每個工況下，壓縮氣體所需的多變能量頭Hp為：

(1)

式中Hp——多變能量頭，J/kg；

K——等熵指數；

M——氣體分子量；

p1——入口壓力(A)，MPa；

p2——出口壓力(A)，MPa；

T1——入口溫度，K；

ηp——多變效率。

不同轉數下，離心式葉輪對氣體提供的理論多變能量頭可根據轉速計算：

(2)

(3)

式中D——葉輪直徑，m；

Hp′——葉輪提供的理論多變能量頭，J/kg；

n——轉速，r/min；

u2——葉輪圓周速度，m/s；

φpol——多變能量頭系數，一般取0.4～0.5。

壓縮機選型工作就是要使各個工況下的Hp=Hp′，從而滿足工藝操作的要求。從式(2)、(3)可以看出，葉輪圓周速度u2的增大對Hp′的影響較為顯著，呈平方關系，所以加大葉輪直徑或提高壓縮機轉速都能增加Hp′，但u2的提高是受到限制的，較高的u2意味著葉輪在高速旋轉時會產生較大的應力，容易在應力集中區產生氫腐蝕開裂和H2S應力腐蝕。工程選型時，應嚴格控制葉輪可能產生的最大應力值，并使葉輪任意方向的應力在壓縮機100%轉速下不超過該葉輪材料最低屈服強度的60%。離心式循環氫壓縮機采用的是閉式銑制焊接葉輪，對于閉式葉輪來說，旋轉時其應力最大的區域位于前盤內徑處。

同時，避免H2S應力腐蝕、減小材料應力水平最直接的方法就是降低材料的屈服強度和硬度，在葉輪材料選取時，首先應按照API617規定的(處理含氫氣的介質，氫氣分壓大于0.689MPa

或氫含量大于90%)葉輪材料的屈服限不應大于827MPa、硬度應小于RC34的要求選擇，其次，由于循環氫中常含有H2S(特別是開工初期的硫化工況H2S含量可達2%wt)，需按照NACE MR0175的規定(介質氣中H2S的分壓應大于0.36kPa)選擇滿足該標準要求的相關材料，如果采用的材料不滿足NACE MR0175的要求，那么應限制其最大屈服限為620MPa、硬度不超過RC22，并且焊接部位應做焊后熱處理以保證焊縫和熱影響區滿足以上要求。通常沈鼓對于富氫場合選擇的葉輪材料是FV520B(- S)沉淀硬化不銹鋼，該材料等同17- 4PH，對應的國內牌號是0Cr17Ni4Cu4Nb。該材料符合NACE MR0175的相關規定，其屈服強度不大于827MPa。

最近幾套高壓加氫裝置循環氫壓縮機葉輪的選型參數見表3，可以看出，對于加氫裝置的循環氫壓縮機，由于介質氣中含有H2S氣體，且當其濃度超過NACE標準規定的安全區時，100%轉速下葉輪圓周速度一般不超過250m/s；對于不含H2S氣體的機組(如重整裝置的循環氫壓縮機和增壓機)，其葉輪圓周速度一般不超過300m/s。工程選型和評定制造廠報價時，如果葉輪圓周速度超過以上限制值，就應考慮用在葉輪直徑不變的情況下增加葉輪級數或在轉速不變的情況下減小葉輪直徑的方法來降低葉輪圓周速度。另外，通過對比國外主要壓縮機制造商的選型數據，加氫裝置離心壓縮機的單級葉輪能量頭一般不超過30kJ/kg，當計算出壓縮氣體所需的能量頭后，級數即可初步確定，可用于復核制造廠報價。

表3 幾套高壓加氫裝置循環氫壓縮機的葉輪選型參數

4 壓縮機性能曲線的復核

壓縮機的性能曲線應包括所有操作工況，每個操作工況應提供在不同轉速下的性能曲線。某廠渣油加氫循環氫壓縮機性能曲線如圖1所示。

圖1 某廠渣油加氫循環氫壓縮機性能曲線

其中，A點為正常末期工況操作點；B點為正常初期工況操作點；C點為額定工況操作點；同時，按照API617對離心壓縮機幾個關鍵設計轉速的定義，Q1曲線為100%轉速曲線；Q2為最大連續轉速曲線；Q3為機械跳閘轉速曲線；Q4為一階臨界轉速曲線。

對于圖1，在正常工況下的性能曲線應檢查從100%轉速曲線上的額定流量點(D點)到飛動點(E點)的流量范圍(稱為穩定性)和從額定點(C點)到額定點等壓力線與飛動線交點(F點)的距離(稱為調節范圍)。需要復核在105%轉速(最大連續轉速)和跳閘轉速下葉輪的周速、應力水平和應具備的安全系數是否足夠。

對所有操作工況下性能曲線的復核應注意的問題有：

a. 每一個操作點與相對應喘振點應有足夠的安全距離避免出現喘振，一般地，初期、末期、額定工況操作點最好位于對應性能曲線的中間稍靠后位置；

b. 操作轉速與臨界轉速的隔離裕度應充足避免出現扭轉振動；

c. 蒸汽輪機驅動時，氮氣工況的操作轉速是否在調速器的控制范圍內。

5 驅動機的選擇

工藝操作的特點決定了壓縮機需要從裝置運行的初期至末期適應循環氫分子量的變化、反應器壓降的變化及循環氫流量的變化等因素，因此，通常需要變轉速操作。驅動機通常選用蒸汽輪機或變轉速調節的異步電動機。配置形式如下：

蒸汽輪機 背壓式汽輪機+壓縮機、凝汽式汽輪機+壓縮機(用于蒸汽、冷卻水富裕的場合)

異步電機 變頻調節異步電機+齒輪箱+壓縮機、異步電機+齒輪箱+液力耦合器+壓縮機(用于蒸汽、冷卻水缺乏，電能富裕的場合)

在煉油廠內，由于蒸汽具有穩定、可靠性高的特點，因此，在蒸汽條件具備的現場，蒸汽輪機驅動壓縮機得到廣泛應用，成為驅動機的首選。

5.1蒸汽輪機的選擇

蒸汽輪機按出口壓力可分為背壓式和凝汽式兩種，按獲得能量的方式可分為沖動式和反動式兩種。對于沖動式蒸汽輪機，蒸汽在噴嘴或靜葉中完全膨脹，動葉中不再有壓降；而反動式蒸汽輪機，蒸汽在靜葉和動葉中都有壓降。不管是哪一類，蒸汽總是通過壓力和速度的降低，把壓力能和動能轉化為機械能，從而實現蒸汽和轉子之間的能量傳遞。背壓式透平一般位于全廠蒸汽平衡系統的前段或中段，排出的低壓(或中壓)蒸汽進入相應的管網；而凝汽式透平一般位于全廠蒸汽平衡系統的末段，排出的蒸汽凝結成水后，泵送回鍋爐循環。

相同進汽條件和負載情況的兩種汽輪機特點比較見表4。

表4 兩種汽輪機的特點比較

通常，蒸汽輪機采用背壓式還是凝汽式取決于煉油廠全廠蒸汽平衡的結果，但對于壓縮機機型和功率較大的場合，配置凝汽式透平驅動壓縮機對壓縮機的選型是有利的。對于工程設計選型來說，蒸汽輪機選用的原則是在最小能量條件(即最低進氣壓力、溫度，最高排氣條件)下，所選汽輪機能提供被驅動壓縮機需要的額定軸功率。

5.2蒸汽耗量的計算

蒸汽耗量為：

QST=α×W

式中QST——蒸汽耗量，kg/h；

W——壓縮機額定工況軸功率，kW；

α——汽耗率，kg/(kW·h)。

α的選取可參考表5。

表5 α的取值

當選用凝汽式汽輪機并用空冷器(ACC)冷卻時，選型中應注意的問題有[2]：

a. 正常全負荷時乏氣的正常工作真空度高于20kPa(A)。環境大氣設計溫度的范圍一般是60～110℉(15. 5～43. 3℃)。但ACC 的設計溫度至少不能低于同裝置工藝空冷的設計溫度，最高環境溫度可以確定某種規格的ACC 在全負荷工況下透平的允許最低真空度；最低環境溫度主要用于確定防凍溫度和措施。對于ACC無論是雙排管還是單排管，其迎風面積都是非常重要的參數，同時，ACC的蒸汽總管和支管中還應有可靠的不凝氣排出手段以保證換熱效果和排氣真空度。

b. 支撐冷凝器管束的鋼結構在充分考慮風載、雪載及地震等因素影響的同時可采用共同底座結構，這樣便于安裝和集中布置。

c. ACC的布置應考慮到裝置內其他空冷和熱源的影響，夏天主要考慮換熱性能問題，冬天主要考慮防凍問題。

d. 為便于節能，ACC多采用自扇冷變頻電機驅動的風機，風機葉片頂尖轉速應盡量低，葉片盡量多，葉片寬度盡量寬。

e. ACC系統的控制一般在透平出口法蘭處測量壓力，并通過壓力的變化來調整，通過管束的冷卻風量來實現，冷卻風量可以靠改變電機轉速來調節。

f. 熱井與凝結水泵的相對安裝高度應滿足凝結水泵最小汽蝕余量的要求，通常為5m。

g. ACC還應考慮冬季開車的防凍問題，根據需要設置暖機旁路，制造廠應提供防凍最小蒸汽流量，最小蒸汽流量與環境溫度的關系如圖2所示。

圖2 最小蒸汽流量與環境溫度的關系

6 壓縮機的負荷調節和防喘振控制

6.1循環氫壓縮機負荷調節

在控制過程中，工藝過程要求壓縮機出口壓力穩定，而流量可以在不使機組發生喘振的情況下適當調節，一般采用變更轉速的方法來改動壓縮機負荷。在不同的性能曲線下，以壓縮機出口壓力控制離心機的轉速做等壓力調節(出口壓力不變，改變流量)，此方法調節范圍大，不會引起額外損失，經濟性好。

6.2壓縮機防喘振控制

喘振對離心壓縮機的危害很大，也是生產操作中必須避免的。根據離心式壓縮機喘振現象產生的機理，可以得出：引起離心式壓縮機喘振的根本原因就是排氣背壓增高、氣體分子量變小和循環壓降增大導致的壓縮機流量過小，這使得壓縮機能頭(排壓)不足以克服管網壓降，從而導致喘振。防止壓縮機喘振有兩種控制方法：

a. 固定極限流量防喘振控制[3]。只要保證壓縮機入口流量始終大于某一極限值，就能保證壓縮機的穩定運行。其中固定流量極限值為大于任何轉速下的喘振點流量，一旦入口流量小于極限值，則喘振返回調節閥自動打開，一部分出口返回入口，以保證入口流量大于固定流量的極限值，從而防止喘振發生。固定極限流量防喘振控制方法簡單、可靠性高，但壓縮機在低轉速運行時能耗較大。

b. 可變極限流量防喘振控制(隨動防喘振流量控制)[3]。變速運行的離心壓縮機宜采用隨動防喘振流量控制系統，該系統將隨壓縮機的不同工況自動改變防喘振流量調節器的設定值，從而克服了固定極限流量防喘振控制能耗較大的缺點。如圖1所示，在壓縮機喘振線右側畫一條與其平行的直線即為防喘振流量控制給定線，兩個直線間距x為7%～10% 流量值。通常此種方法應用較多。

7 結束語

循環氫壓縮機組作為高壓加氫裝置的核心動設備，選型工作中機型的確定、壓縮機轉速與驅動機轉速的匹配、壓縮機轉速與葉輪級數的合理選取，對于加氫裝置平穩操作意義重大，另外，選型時還應充分考慮在壓縮機效率變化不大的前提下，為裝置操作幾個周期后可能的擴能改造在轉速可調空間上留有余量。筆者對高壓加氫裝置中循環氫壓縮機及其驅動機在工程選型、工程設計、操作控制中需要著重考慮的問題進行了分析，列舉了一些工程實例。結合以上分析和討論，希望能對循環氫壓縮機的工程選型提供一定的幫助。

[1] 王存智.循環氫壓縮機工程設計中幾個關鍵問題的分析與探討[J].石油化工設備技術，2006，27(3)：60～64.

[2] 楊立民.凝汽式蒸汽透平空氣冷凝器的應用[J].煉油技術與工程，2009，39(6)：25～28.

[3] 陳以虎.加氫裂化裝置氫氣流路壓力控制[J].石油化工自動化，2009，36(5)：36～39.