大型丁二烯生成氣壓縮機組國產化開發與應用

文/張貴軍 連小松

生成氣螺桿壓縮機是氧化脫氫制丁二烯裝置的核心設備——針對國內某10萬t/a大型裝置的工藝特點，研究了螺桿壓縮機溫度控制及大型化系統設計的要點，開發了大型生成氣壓縮機。機組成功投用，并實現了長周期運行，成功實現了國產化，填補了國內空白。

丁二烯作為碳四餾分中最重要的石油化工基礎原料，廣泛應用于橡膠、樹脂、涂料以及尼龍等化工產品的生產。工業上，丁二烯的生產方法包括：碳四餾分分離法、合成法和脫氫法（包括丁烷脫氫、丁烯脫氫及丁烯氧化脫氫等）。

生成氣壓縮機組是丁烯氧化脫氫制丁二烯工藝中的關鍵設備之一。在丁烯氧化單元中，生成氣壓縮機位于冷卻塔與洗醛塔之間。其主要作用是壓縮混合氣體，使升壓后的混合氣體便于溶劑油吸收，分離出碳四組分。生成氣壓縮機輸送的丁二烯混合氣體主要包括丁二烯、丁烯、丁烷、氮氣和少量氧氣以及含氧化合物等。由于丁二烯含有2個不飽和雙鍵，在高溫下極易發生自聚甚至爆炸風險，機組選型十分關鍵。螺桿壓縮機作為少數可噴液控溫的壓縮機，成為生成氣壓縮機的最佳機型選擇。

早期，國內建設的氧化脫氫制丁二烯裝置單線規模僅為2.5萬t/a，生成氣壓縮機主要配套國內小型無油螺桿壓縮機。隨著化工裝置大型化的發展，大型生成氣壓縮機成為裝置的技術瓶頸。2012年末，經過專家充分論證，在國內某10萬t/a氧化脫氫制丁二烯裝置上，對該設備進行國產化開發，以解決卡脖子問題。

開發

根據年產10萬t丁烯氧化脫氫項目需求，包括兩方面課題：溫度控制和大型化。生成氣壓縮機應滿足以下技術指標（如表1）：

溫度控制

壓縮機的排氣溫度與壓比、噴液及內部結構相關。

針對壓比方面：本項目壓縮機操作壓比大于6.67，盡管螺桿壓縮機單級壓比最高可達到11。在控制噴液情況下，排氣溫度仍然可以滿足要求。但是螺桿壓縮機存在內壓縮，機體部溫度與排氣存在一定的差異。極端情況下（噴液斷流），壓縮機內部腔體的溫度和壓力分布如圖1所示。

表1 技術指標

圖1 腔內壓力及溫度分布

根據圖1可以發現，采用雙級壓縮，腔內壓縮壓力上升平穩，過壓縮小。即使在斷液的情況下，壓縮機內部的溫度仍然較低。因此，為實現更高的安全性，項目采用雙級壓縮，利用級間的冷卻器移除壓縮熱。

針對噴液方面：噴液量的霧化效果對壓縮機腔內溫度影響明顯。霧化效果與噴液量及噴液溫度息息相關。在有限的腔體空間呢內噴液入大量的液體難于獲得小粒徑液滴。通過雙級壓縮已顯著降低噴液量。為進一步減少噴液量，采用低溫的工藝水作為冷卻液。核算后，一二級噴液量分別為1.4 t/h和3.0 t/h，霧化至0.1 mm的液滴。各級出口水蒸汽為過熱狀態，既起到了潤滑、密封、降噪以及沖刷雜質的作用，又沒有帶來較大的流動損失和振動。

圖2 壓縮機排氣孔口

圖3 壓縮機串聯和并聯布置方式

圖4 生成氣壓縮機現場照片

針對內部結構方面：螺桿壓縮機的最高溫度與內容積比關系密切，理想的壓縮過程是內外壓比基本相等，此時功耗最小，效率最高，氣動損失與振動噪聲也最小。螺桿壓縮機的內容積比與介質的物性、轉子的型線、壓縮機的轉速以及內外壓比等息息相關。在確定級間壓力后，項目依據完善的熱力學模型和壓縮機的工作過程動態仿真，進行壓縮機內容積比的確定，對排氣孔口角度、位置、形狀和大小進行設計計算，其軸向和徑向排氣孔口形狀如圖2所示。

通過上述三方面措施，理論上可有效保證生成氣壓縮機的排氣溫度滿足工藝生產要求。

大型化系統設計

小型氧化脫氫制丁二烯裝置中，生成氣壓縮機采用電機分別驅動一級和二級壓縮機。在本次10萬t/a規模的裝置中，聯合開發團隊經多次論證，決定采用一臺蒸汽透平驅動兩臺壓縮機，這不僅可以大大提高蒸汽透平效率，變速節能調節降低了整套機組的操作難度。但是，兩臺壓縮機與蒸汽透平的布置及連接，需比選串聯和并聯方案，如圖3。

串聯布置方案，布置及連接相對簡單，但軸系長，對振動可能造成一定的不利影響。同時，對機組的制造、安裝等其他因素的要求也大大提高。并聯布置方案，需要設置雙輸出齒輪箱來實現一臺透平驅動兩臺壓縮機。齒輪箱跨距過大，國內無法生產，因此選用進口品牌。同時，采用轉子動力學軟件進行機組扭振分析。

表2 現場主要數據

應用

投產情況

本套10萬t/a氧化脫氫制丁二烯裝置于2017年9月開車成功，至今已運行3年以上。其中，生成氣壓縮機組布置緊湊，現場運行平穩，如圖4所示。

現場實際運行的各項數據如表2所示：

上述各項指標均在設計范圍內。各級壓縮機進氣溫度控制較低，且一級壓縮機提高了噴液量，因此排氣較設計低。滿足工藝要求。

后續改進

項目在實施過程中，對主要的大管線進行了管道應力及振動分析。但對壓縮機組的油路及二級壓縮機的平衡管等小管線缺乏重視。導致部分小管線出現振動，甚至裂紋情況。后續存在改進空間。

結論

通過對工藝及設備設計要點的研究，成功開發了國內首套10萬t/a的氧化脫氫制丁二烯生成氣壓縮機，最后通過現場運行數據驗證了開發設計的合理性，并找出需完善的地方。

機組的開發成功，不僅可填補國內空白，為國內丁烯氧化脫氫制丁二烯工藝裝置提供國產化的生成氣壓縮機，為我國石油和化工行業的發展提供技術支撐，對替代進口、縮短工期、節約資金起到重要的作用，在重大裝備國產化方面社會效益顯著，具有廣泛的推廣應用前景。