聚烯烴裝置進口丙烯制冷機組故障分析及改造

張緒文

（中石油四川石化公司生產五部，四川成都 611930）

0 引言

30 萬噸/年低密度聚乙烯裝置采用國外流化床工藝，于2009年開始工程建設，2014年3月一次投料開車成功。其回收單元的作用是將聚合單元及脫氣倉排出尾氣中一丁烯、異戊烷等組分回收再利用，其工作過程是由排放氣壓縮機將尾氣壓縮，通過深冷換熱器將尾氣中的一丁烯、異戊烷由氣體冷凝為液體，冷凝下來的一丁烯、異戊烷通過泵輸送回聚合單元再利用。為深冷換熱器提供冷媒的裝置為制冷單元，該單元的核心設備是進口的知名丙烯制冷機組。該機組于2012年進廠安裝，2014年3月投入運行，投用以后頻繁出現油分離器內潤滑油突然消失同時聯鎖停機的故障。頻繁的故障對裝置平穩生產造成了極大的困擾，因此決定對其進行改造。

1 故障統計

該丙烯制冷機組每次出現故障后，就要給油分離器泄壓并重新加油，需要6～7 h 才能處理完畢，但是重新啟動時，但往往剛一啟動又重復出現同樣的故障。頻繁的故障不但使機組管理及維修人員身心疲憊，而且對裝置平穩生產造成了極大的困擾。

為解決這一難題，相關工作人員經常24 h 在現場蹲守，仔細觀察機組的運行參數，以及發生故障時的特征。相關故障統計見表1。

2 故障原因

2.1 系統制冷工作原理

如圖1 所示：螺桿壓縮機的入口與氣液分離器的頂部連接，壓縮機從氣液分離器內吸入丙烯氣體，壓縮后送入冷凝器冷凝成液態，液態丙烯進入并儲存在丙烯罐內，在壓縮機出口壓力的作用下，通過液位調節閥節流后進入氣液分離器，在氣液分離器內膨脹氣化吸熱；氣液分離器通過管道與蒸發器連通，丙烯在蒸發器內吸收冷媒的熱量實現制冷，氣化的丙烯聚集在氣液分離器的頂部空間，被螺桿壓縮機吸入。這樣不斷循環往復，實現制冷循環。

2.2 故障原因分析

2.2.1 故障原因的確定（圖2）

氣液分離器的液位是非常重要的操作參數之一，正常控制范圍為40%～65%，液位過低會引起螺桿壓縮機吸入壓力低聯鎖；液位過高會造成液體進入壓縮機，不但容易損壞壓縮機，而且在氣液分離器液位高聯鎖的瞬間，液體通過螺桿壓縮機進入油分離器。由于油分離器內的正常油溫在50以上，丙烯液體遇見熱油會劇烈氣化并將油霧化后帶到后系統，造成跑油。

表1 故障統計

機組每次發生故障后檢查操作畫面，都會顯示“氣液分離器液位高”連鎖，觀察油分離器的玻璃板液位計，顯示無油位。該機組的控制系統為PLC,沒有運行參數存儲，只能實時顯示，僅通過故障后對操作畫面的觀察無法準確判斷故障原因。為此對機組進行了連續蹲守、觀察，重點捕捉故障瞬間運行參數及特征，經過多次蹲守終于捕捉到了其三個最顯著的特征：首先，每次發生故障時都會出現壓縮機出口溫度急劇下降的情況，溫度從130瞬間降低到-20以下；與此同時油分離器溫度由50以上瞬間降低到-20以下；在停機瞬間壓縮機出現轟鳴聲；停機后氣液分離器玻璃板液位計顯示無油位。

圖1 氣液分離器液位控制原理

圖2 液位控制閥結構示意

該臺機組的故障表現，完全符合氣液分離器液位過高、液體丙烯吸入螺桿壓縮機引起跑油的故障特征。因此故障原因定性為氣液分離器液位控制失靈，造成制冷單元聯鎖停機并跑油。

2.2.2 氣液分離器液位控制失靈原因分析

（1）液位控制原理。氣液分離器液位控制系統由浮閥和液位調節閥及平衡管組成（圖1），其控制原理為壓縮機啟動后來自丙烯罐的1.3 MPa 左右的液體丙烯進入液位調節閥入口，丙烯通過供液孔進入活塞室，克服彈簧阻力推動活塞帶動閥芯上行，使閥門開啟，液體丙烯通過閥門不斷進入氣液分離器，待氣液分離器達到一定液位時浮閥打開，帶壓的液體丙烯通過平衡管進入液位調節閥的平衡室，此時活塞的上側液體推力與彈簧力之和大于活塞下側所受的液體推力，閥芯下行閥門關閉。隨著氣液分離器內的丙烯不斷氣化被吸入壓縮機，其液位逐漸下降，當降至一定液位后，浮閥關閉將供給平衡室的丙烯切斷，此時液位調節閥的活塞上側液體推力與彈簧力之和小于活塞下側所受的液體推力，閥芯上行閥門打開，液體丙烯再次通過閥門進入氣液分離器（圖2）。如此不斷反復實現液位控制。

（2）液位控制系統失靈原因。淤浮閥殼體內的丙烯液體處于沸騰狀態，浮球的工作環境非常惡劣，經常造成球體的變形或破裂；浮閥在液位作用下開關異常頻繁，極易出現磨損及卡澀；于該液位控制閥屬于開關兩位閥，只有開和關兩個位置，動作異常頻繁，并且每次開關閥芯與閥座之間都會產生沖擊，極易損傷密封面造成閥門泄漏。

以上問題均會造成氣液分離器的液位失控，液位過高引起聯鎖停機及跑油。

3 改造方案

（1）將原來的液位控制閥及浮閥廢除，改為氣動調節閥PID控制，蒸發器液位檢測采用雙法蘭差壓變送器（圖3）。

圖3 液位控制系統改造

（2）氣動調節閥選型主要數據見表2。

（3）差壓變送器量程設置。滿量程壓差（按液相丙烯密度計算）P=丙烯密度g上下法蘭中心距。其中，丙烯密度為574 kg/m3，g 為重力加速度，9.8 m/s2；上下法蘭中心距為0.8 m。則P=57490.89.8=4500 Pa。

4 改造效果

由于氣動調節閥以及雙法蘭差壓變送器均為成熟技術，并且采用了國內知名品牌。自2015年3月對氣液分離器液位控制系統實施改造后，到目前已運行近5年時間，再未出現過聯鎖停機及跑油故障，機組運行非常穩定，徹底解決了該機組經常跑油停機的問題。