淺析大型甲醇裝置壓縮機的研制

金 鑫 紀書焱

（1．沈陽鼓風機集團股份有限公司，遼寧 沈陽 110869；2 中國石油物資采購中心，北京 100029）

0 前言

煤化工是以煤為原料，經過化學加工使煤“氣化”，從而產成其他化學品。將煤最終轉化成為甲醇的過程稱為“煤制甲醇”。煤制甲醇工藝具有工藝流程長、工藝結構復雜的特點。典型的煤制甲醇工藝流程包括：氣化（煤）、變換（一氧化碳）、低溫甲醇洗以及甲醇合成等工段[1]。煤制甲醇的整個工藝流程涉及的各類壓縮機工作條件及介質組分均不同，壓縮機的研制涉及氣動分析、結構分析、強度分析以及動力學分析等多種專業交叉，設計和制造的難度大。對于年產200 萬t 以上的甲醇項目，國內在其配套壓縮機的核心技術開發、關鍵零部件制造和機組長周期安全平穩運行等方面一直沒有突破，所需的大型二氧化碳壓縮機、丙烯壓縮機和甲醇合成氣壓縮機等全部依賴進口。該項目通過自主攻關和產學研合作，針對220 萬t/年的煤制甲醇項目，攻克了整個煤制甲醇工藝流程涉及的全部壓縮機組。

1 主要研究內容

該項目以國內最大規模的年產220 萬t 煤制甲醇裝置為依托，針對煤制甲醇工藝流程中各類壓縮機運行條件惡劣、性能要求嚴格、安全可靠性要求高以及加工制造難度大等特點，通過聯合攻關，突破了設計、制造、檢驗和試驗等多方面的技術關鍵，完成了大型甲醇裝置用丙烯壓縮機、二氧化碳壓縮機以及合成氣壓縮機組的國產化技術開發，實現了大型煤制甲醇工藝流程用全部種類壓縮機的國產化，產品各項技術指標達到國際同類產品先進水平，使我國完全具備大型甲醇裝置全工藝流程壓縮機組的設計、制造與成套的能力，能夠與國外知名廠商進行同臺競爭。

2 丙烯制冷壓縮機組研制

在甲醇的冷凍站設計中，介質主要為氨氣和丙烯。氨壓機設計相對簡單，但是投資較高，需要雙缸機組，葉輪數量一般需要14 級左右。丙烯機設計復雜，介質較重，在壓縮過程中馬赫數較高，最高可達1.2 左右，對壓縮機制造廠的技術先進性要求較高，一般廠家難以實現，但投資較低，單缸5～7 級機殼實現，因此目前大多數甲醇裝置低溫甲醇洗均采用丙烯制冷。根據以上制冷流程，進入蒸發器液丙烯為0.6 MPa（a），-20 ℃。壓縮機最終出口壓力為1.83 MPa（a），滿足丙烯氣冷卻到40 ℃后，變成液態。最終方案：經過多次設計計算，丙烯制冷壓縮機定為3MCL806，汽輪機機型為NK40/46/20，系統中設置1 ℃經濟器和-20 ℃過冷器。3MCL806 丙烯壓縮機首級葉輪采用適用跨音速高赫數、大流量系數和高能量頭模型級[2]，有效提高了壓縮機效率，降低了功耗。壓縮機組和驅動汽輪機采用公用底座如圖1 所示。

圖1 丙烯制冷壓縮機組布置圖

丙烯壓縮機的介質分子量較大，轉子長徑比L/D 接近10，由于轉子-支撐系統的技術難度大，因此為了保證轉子長周期負荷運轉的可靠性，該項目通過對轉子結構的優化設計，對轉子橫向振動及受氣體介質影響的穩定性進行了詳細的分析，各項結果都達到API617 標準要求。

3 二氧化碳壓縮機組研制

在甲醇裝置工藝流程中，二氧化碳壓縮機有單軸和多軸2 種方案。因為多軸二氧化碳壓縮機效率較高，但是運轉不穩定，檢維修復雜，周期長，所以目前行業內接受的還是單軸方案。針對單軸二氧化碳壓縮機，也有2 種不同的方案：1）方案一為2 個缸直連，中間不加變速機，即壓縮機機型為2MCL906+BCL606，該方案的優點是壓縮機與汽輪機直連，無變速機，故障點少，缺點是機組效率較低，且投資較大。2） 方案二的壓縮機機型為2MCL904+2BCL455，通過汽輪機+2MCL904+變速機+2BCL455 的方式來實現，該方案機組效率高，同時投資較低，缺點是多齒輪箱，故障點較多。綜合以上方案，該項目采用方案二，但變速機由國產變更為進口，雖然投資與方案一基本一致，但是效率高了很多，機組動力學好，同時機組檢維修成本也較低。原動機采用凝氣式汽輪機。整臺機組安裝在雙層布置的半封閉廠房內，其中低壓缸為水平剖分結構，高壓缸為垂直剖分結構，如圖2 所示，壓縮機有1 次抽氣，分成4 段共9 級葉輪組成。介質主要成分為二氧化碳。其中第1 段2 個葉輪，第2 段2 個葉輪，第3段2 個葉輪，第4 段3 個葉輪，共9 級葉輪。為了提高該裝置的壓縮機的效率，壓縮機全部采用高效三元葉輪。

二氧化碳壓縮機的低壓缸轉子剛性較好，通過常規產品設計即可滿足API617 對壓縮機轉子動力學的要求。而高壓缸由于壓力高、介質密度大、轉子尺寸小功率大和轉子結構設計難度大，因此，主要針對高壓缸轉子進行優化設計。

轉子一級穩定性分析結果：QA為預期的交叉耦合剛度，Q0為產生零對數衰減率所要求的交叉耦合剛度。當軸承間隙取最大值時，Q0/QA=2.39，對數衰減率δA=0.48136，從一級穩定性篩選圖可以看出，不需要進行二級穩定性分析。當軸承間隙取最小值時，Q0/QA=1.31，對數衰減率δA=0.08368，從一級穩定性篩選圖可以看出，需要進行二級穩定性分析。在最小軸承安裝間隙的情況下，進行下一步的二級穩定性分析。

從圖3 可知，轉子在最大連續轉速下的最終對數衰減率為0.158，滿足API617 的標準要求（＞0.07） 。

圖 2 二氧化碳壓縮機裝配圖

4 甲醇合成氣壓縮機組研制

甲醇合成氣壓縮機有缸內混合和缸外混合2 種形式，同時也有單缸機組和雙缸機組2 種區別，新鮮段葉輪數量在3級～15 級，循環段在1 級～2 級。上述方案取決于工藝包的要求。目前沈鼓集團擁有100 余臺甲醇合成氣壓縮機的設計和制造經驗。從早期的通用模型級到專屬模型級，專屬模型級從第1 代到第3 代，氣動模型級技術得到了大幅度的提高，壓縮機組的效率指標與國外機組站在了同一平臺上。合成氣壓縮機分子量小，機組馬赫數低，但是密度大，機組功率較高，易發生氣體激振等復雜工況，對壓縮機的設計范圍要求很大，對新鮮段和循環段的匹配上要求很高。機組一般至少有初期正常和額定，末期正常和額定、開車工況、還原工況等。該項目在方案論證階段，也考慮了2 個方案：1）方案一新鮮段和循環段在同1 臺壓縮機內，壓縮機結構設計更加復雜。同時為保證機組的動力學指標，包括振動指標和穩定性指標，機組的L/D 又不能太大[3]，一般小于12。為了保證效率指標，要求機組有較寬的跨距。綜合上述的條件要求，壓縮機的機型為3BCL908，效率相對較低。2） 方案二為新鮮段和循環段分別做1 個缸，機型為BCL806+BCL802，該方案由于動力學充裕，并且直徑較小，機組效率較高，因此在與汽輪機搭配時，轉速也在汽輪機的高效點。

因此針對220 萬t/年甲醇合成氣壓縮機組的工藝參數，通過采用壓縮機集成優化設計系統軟件進行技術方案配置，反復優化計算結果，壓縮機最終采用雙缸兩段壓縮方案，即新鮮氣和循環氣分別為兩缸壓縮，在最終出口混合。采用汽輪機雙出軸方案，新鮮氣壓縮機與循環氣壓縮機分別位于汽輪機兩側，使機組檢修更方便。新鮮氣壓縮機全部采用了最新開發的第三代高能頭輕介質高效率模型級“LR 系列”，機組型號為BCL806；循環氣壓縮機則全部采用了最新開發的大流量系數、高效率模型級“NC 系列”，機組型號為BCL802。該機組采用進口膜盤聯軸器，保證機組的動力學安全性。原動機采用凝汽式汽輪機和壓縮機單獨底座，驅動汽輪機則直接安裝在水泥墩結構上，如圖4 所示。

圖3 轉子一階正進動的對數衰減率隨轉速的變化曲線

圖4 合成氣壓縮機組布置圖

5 結語

針對220 萬t/年甲醇裝置，開發出大型丙烯制冷壓縮機組、二氧化碳壓縮機組以及合成氣壓縮機組成套設計技術，實現了甲醇裝置核心壓縮機組的全部國產化。該壓縮機組開發成功，打破了國外在該領域技術和產品的長期壟斷，產品各項技術指標達到國際同類產品先進水平，預計未來3 年有20 余套200 萬t/年甲醇裝置。該項目的研發成功，不僅滿足了國家能源戰略發展的需要，使我國國產化甲醇合成氣壓縮機組技術與國際先進水平保持同步，同時也為企業帶來了巨大的經濟效益。