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柴油加氢循环氢离心压缩机防喘振线的修正

刘 奇 杨富来/ 陕西延长石油(集团)有限责任公司炼化公司延安石油化工厂    

Abstract
摘要:由于压缩机混合气中氢气组分变化偏离设计值,致使柴油加氢循环氢离心机组原设计防喘振曲线不能满足生产的需要,导致机组运行中采用防喘振阀门回流的方法维持生产,负荷较高大部分循环气处于自循环状态,且无法保证反应系统所需氢气。压缩机处于高负荷下运行,使得汽轮机负载高,造成不必要的损失。对此具体分析了其原因,通过实测喘振点,修正了由于气体组分发生变化的防喘振曲线,解决了加氢装置运行的瓶颈,为用户实现有效氢量增加25%,直接节约动力成本260万/年。
关键词:柴油加氢离心压缩机;喘振工况;氢气组分变化;防喘振曲线修正
中图分类号:TH452 文献标志码:A
Correction to Anti-Surge Curve of Diesel Hydrogenation Recycle Hydrogen Centrifugal Compressor
Abstract: Due to the hydrogen gas component changing in the compressor mixture deviates from the design values, it had caused the original design anti-surge curve of diesel hydrogenation recycle hydrogen centrifugal compressor unit cannot meet the requirement of production, and the means of adopting anti-surge valve reflux will be used to maintain production in the unit operating. The load was higher, most of circulating gas was in the state of self-circulation, and the required hydrogen gas in reaction system cannot be ensured. The compressor will be running with high load, which made the turbine with high load and caused unnecessary losses. This paper had analyzed the reason, and based on actual measuring surge points, corrected the anti-surge curve caused by the change of gas component. Then the problem in hydrogenation unit running was solved, which increased 25% of effective hydrogen and saving power costs 2.6 million per year directly for users.
Key words:diesel hydrogenation centrifugal compressor; anti-surge; change of hydrogen component; correction of anti-surge curve
0 引言
  柴油加氢离心机组为加氢装置核心设备,其作用为提供临氢系统反应所需的足够氢气,保证氢油比,产出合格的柴油产品。由于原料供给不足,柴油加氢装置自2009年开工以来加工量一直保持在100t/h左右,同时离心机提供的氢气流量约为8万Nm3/h,机组防喘振阀门开度约为40%,机组防喘振流量约为6万Nm3/h。2012年初,随着柴油加氢装置负荷提升至接近满负荷状态时,系统反应所需氢气量快速增长,但是由于系统备压增大,机组运行喘振点接近防喘振曲线,防喘振回流阀门开度增至55%,导致反应氢气流量降至约4万Nm3/h,机组已无法提供足够的氢气保证反应的正常进行和装置的正常运转。这严重制约了柴油加氢装置的高负荷正常运行。同时机组运行做了大量的无用功,负荷居高不下,浪费了大量的蒸汽。整个装置的综合指标非常低,已经大大的影响工艺生产的需要。
  如果重新按现有的运行工况数据选购一台新的压缩机装置,最少需要1年左右的时间,势必会影响到整个公司的正常生产运行,有效的方案是在现有的基础上,采用最小的改动来满足生产工艺的要求,最大限度解决生产运行问题。
1 工艺问题分析与查找
  由于用户的工艺气组分与原设计的要求发生比较大的变化,工艺氢气的纯度由78.83%增加到92%左右,分子量发生了较大变化,平均分子量由6.393降到了4,但预期的防喘振线并没有发生改变。这样就造成在压缩机的预期防喘振性能曲线只有增加回流量,才能维持生产的需要,大大降低了装置做有用功的能力,远超出了装置原有设计的运行成本。
  针对柴油加氢循环氢离心压缩机防喘振阀门开度较大,大量氢气回流,无法保证反应系统所需的足够氢气和机组负荷过高、蒸汽消耗大问题,根据现场技术人员的大量技术分析和现场排查总结如下。
  1) 加氢临氢系统压降过大导致系统流量降低。车间组织技术人员对柴油加氢临氢系统全系统所有节点的压力进行了逐一检测并记录,发现系统各点压降较为平均,并且总值不大,不是导致机组防喘振阀门开度较大的主要原因。
  2) 临氢系统存在漏点导致氢气流量过低。经过对临氢系统和各个仪表接口进行认真排查,虽然发现了几处小漏点并进行了处理,但对机组防喘振阀门开度影响不大,因此这也不是导致问题的主要原因。
  3) 仪表测量的准确度问题。通过和仪表技术人员的沟通和检查,发现虽然仪表测量存在一定误差,但参数趋势是正确的,因此也排除了这一方面原因。
  4) 在排除了以上一系列原因后,我们通过对机组各个参数监控和现场实际运行状态观察,发现压缩机工作点接近防喘振线时,压缩机的实际运行状态并未出现喘振迹象。初步判定压缩机组的防喘振曲线的设定存在偏差,导致机组防喘振阀门开度较大,氢气流量无法保证。
  5) 根据理论分析压缩介质组分(见表1)的变化会对压缩机运行的工况产生影响,由于该类型机组由多个闭式轮组成,各叶轮的性能匹配关系会发生影响,实际喘振点会与设计计算存在较大偏差,所以建议在现场实测压缩机性能曲线,将喘振点实际标定,是让压缩机发挥最大能力的有效方法。
  经过对现场气体组分多次取样分析取平均值,同时对比压缩机组各项设计参数,发现柴油加氢装置在开工后,反应系统循环氢气的组分与原设计值相比发生了较大变化(见表1),导致工艺气分子量发生变化。 

表 1 循环氢组分表

参数V/V

硫化氢 ppm

氢纯度


甲烷

乙烷

碳二

丙烷

丁烷 ppm

氨气ppm

戊烷 ppm

水蒸气 ppm

平均分子量

原设计

771

78.83

14.9

3.29

0

2.0

5130

568

2160

1630

6.39

实际运行

500

93.34

3.85

1.02

1.02

0.75

0.22

0

0

0

3.71

  对本机组的防喘振控制系统进行分析,本机组防喘振控制采用了压比(pd/ps)~流量(h/ps) 的计算方法,防喘振控制见图1。

  如图1所示,防喘振曲线把压缩机组工作区域分为两个部分,安全区和循环区,正常工况时机组在安全区内运行,一般防喘振线位于超过喘振极限流量的5%~10%之处,当机组运行到达喘振设定值时,调节系统将逐渐打开防喘振阀,使更多氢气进行自循环,增加进口流量,使工作点右移,保证机组在安全区内运行。
  加氢离心机组控制系统上的压缩机防喘性能曲线是根据装置的初始设计参数为依据进行计算的,从而导致机组的防喘振性能曲线与真实曲线偏差较大。应对原机组的防喘振性能曲线进行重新计算和修正,以保证加氢装置及机组的正常运行。
2 喘振点的标定测试
  首先根据用户提供的运行数据进行了大量的理论数据和实际数据对比的计算,根据初步计算得出:压缩机按工艺条件运行,理论上可以将预期的喘振线向左移动,来扩大压缩机的运行范围。但在实际运行过程中会与理论存在偏差。这样就可能给用户的安全运行带来一定风险。
  为了确保在安全条件下解决问题,制定了现场测定真实喘振线的详细方案,由于介质是以易燃易爆的氢气为主,试验存在的一定的难度和风险,所以要充分考虑到可能出现的各种突发情况,做好相关预案,从而确保试验的安全完成。
  2012年8月10日,在装置正常运行的状况下,对加氢循环氢离心压缩机进行了防喘振性能曲线修正,通过现场三次实验得到的真实喘振点数据,重新校正了机组防喘振性能曲线。
       此次试验按ASME PTC-10标准,即以真实气体的气动性能试验[1-4] ,由于该机组是汽轮机拖动,属于变转速调节压缩机,需要测试在额定转速的100%、90%、80%转速下喘振点,从而修整防喘振曲线。
  在柴油加氢装置正常运行的情况下,用真实工况下的循环氢气做实验,此次实验人员共分为三组:内操负责进行具体操作和记录所有相关数据;压缩机现场人员负责观察压缩机组现场运行情况,确认机组运行状态,防止意外情况发生;另一组现场人员负责如压缩机组防喘振调节阀无法打开时,现场打开调节阀副线阀门,使压缩机组脱离喘振工况。具体实验步骤如下:
  1) 在试验前进行气体取样分析,确定气体组分;
  2) 工艺内认真操作,及时调整,确保压缩机进口压力恒定和加氢装置的平稳运行;
  3) 转速调节到设计转速11 020r/min;
  4) 缓慢关闭防喘振调节阀,通过内操各项参数和现场机组运行情况判断,直至压缩机进入真实喘振工况。记录喘振点数据,后逐渐打开压缩机防喘振调节阀直至压缩机组停止喘振,正常运行;
  5) 用同样的方法确定设计转速90%(9 918 r/min)、80%(8 816r/min)的喘振点;
  6) 根据实测压缩机组喘振点对压缩机控制系统的防喘振性能曲线进行修正。
3 喘振点的预判
  压缩机喘振工况,在压缩机流道中,由于工况改变,流量明显减小,而出现严重的旋转脱离,形成突变型失速时,流动情况会大大恶化。这时工作轮虽然仍在旋转,对气体作功,但却不能提高气体的压力,于是压缩机出口压力显著下降。由于瞬间发生,管网的压力还没有降低,使得气体向压缩机处倒流,当压力平衡,会回到正常状态,但只要管网主力未发生改变,这种现象就会周而复始的循环出现,整个系统中会发生周期性的轴向低频大幅度的振动。
  喘振所造成的后果常常是严重的,它会使压缩机转子和静子经受交变应力而断裂,使级间压力失常而引起强烈振动,导致密封及推理轴承的损坏,使运动元件和静止元件相碰,造成事故。所以,如果在现场进行测试,必须由专业的有经验的相关专家进行分析操作,在有相关迹象的情况下及时推出,以根据预期曲线判断是否接近喘振区,在此期间监视以下参数,直到下述②~⑥中任意一条显示出机组将发生喘振[5-8]
  ①防喘阀的实际位置与反馈是否一致;
  ②压缩机进口和出口是否有异常低频脉动声音;
  ③观察到压缩机进口压力值出现明显波动;
  ④观察压缩机出口压力值,在站循环阀缓慢关闭时气压力会缓慢升高,当第一次监测到压力显示有降低时,认为机组发生喘振;
  ⑤观察压缩机进口流量值,当动态压差超过稳定状态的20%时,如果没有其它指示,可认为机组发生喘振;
  ⑥观察机组HMI界面和振动检测系统压缩机驱动端和非驱动端振动以及轴向位移的振动图像和趋势,如果振幅信号有微小的突变表示机组可能开始喘振;
  当上述②~⑥中任意一条显示出机组将发生喘振时,迅速拷屏主界面后立即按下紧急按钮快速打开防喘振阀;
4 试验结果分析
  最终根据现场真实试验数据,依据压缩机标准理论公式,考虑到进口条件和组分的变化,重新计算出接近实际喘振区域的喘振线坐标。

表 2 压缩机防喘振测试记录数据

点号

进口压力

进口温度

出口压力

出口温度

转速

差压

单位

MPa

MPa

r/min

kPa

01

6.48

37.2

8.35

70.2

11015

3.43

02

6.50

38.1

8.04

66.7

9916

2.20

03

6.49

38.0

7.72

64.1

9497

1.4

  应用户要求,将喘振线与防喘振线之间的距离由原来的10%调整为8%,对压缩机组控制系统原有的防喘性能曲线进行了修改[9-12] 。修改前、后的压缩机防喘振控制性能曲线见图2~图4。

  由修改前后的防喘振性能曲线图可以明显看出[13-14] ,修正后的压缩机防喘振性能曲线明显向横坐标低数值端移动,使压缩机组获得更大面积的工作区域,在同工况下,可使防喘振阀门明显关小,回流量减小,降低了机组负荷,同时反应系统混氢流量明显增加。

表 3 加氢循环氢离心机防喘振性能曲线修正前后参数对比

参数名称

修改前数值

修改后数值

工艺气体分子量

6.393kg /kmol(原设计)

3.7 kg/kmol(现工况)

防喘振阀门开度

55% (额定转速)

38% (额定转速)

防喘振氢气流量

105730Nm 3 /h

56000 Nm 3 /h

反应系统混氢流量

76800Nm 3 /h

126542Nm 3 /h

蒸汽压力

3.6MPa

3.6MPa

蒸汽消耗量

43t/h( 同工况 )

32t/h( 同工况 )

  由表3中机组修改前后各项参数对比可以看出,此次修正试验效果比较明显。
5 成果分析
  柴油加氢装置在同等工况下,防喘振阀门关小至38%,防喘振流量下降了49 730Nm3/h,加氢反应系统循环氢流量增加了49 742Nm3/h,提高了氢油比,减少催化剂结焦,同时保证了反应系统的循环氢量, 减少了压缩机组的无用做功,降低了机组负荷。在同等工况下,3.6MPa中压蒸汽消耗量从43t/h降至32t/h,按装置年运行8 000小时计算,年消耗中压蒸汽减少88 000吨。现中压蒸汽价格约200元/吨,低压蒸汽约170元/吨,每年可节约费用(200-170)×88 000=264万元。
6   结论
  此次加氢循环氢离心机防喘振性能曲线的修正是成功的,效果很明显,经过机组防喘振曲线的修正,机组运行区间大幅提高,运行更加平稳,解决了提高加氢装置加工量的瓶颈。同时,节省了大量蒸汽,在极大的降低了我厂蒸汽系统消耗的同时,也节约了可观的费用,降低了装置的能耗。

                 参 考 文 献
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