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60万吨甲醇制烯烃(MTO)装置产品气压缩机研制

60万吨甲醇制烯烃(MTO)装置产品气压缩机研制

发布时间:
2015/01/05

通用机械网    姜 妍 惠洪杰

  一、前言

  MTO工艺即甲醇制烯烃工艺,是为了迎合近年来石油资源的持续短缺以及可持续发展战略的要求而发展起来的。随着我国各地区发展石油化工积极性不断高涨,极大的刺激了MTO项目建设,大家都试图通过“煤炭--甲醇--低碳烯烃--石油化工成品”这一模式来带动本地区经济的发展。在更高层面上,MTO工艺的大规模工业化对于减轻原油供应压力,提升国家的能源安全具有重要意义,并且也符合我国“富煤,缺油,少气” 的能源结构特点。

  中国石化中原石化60万吨甲醇制烯烃(MTO)装置于2010年正式启动,是我国煤基烯烃国产技术工业化及中国石化自主开发的MTO示范装置,经SEI和沈鼓多方努力和反复论证,最终实现了该装置压缩机的国产化,由沈鼓负责60万吨甲醇制烯烃(MTO)装置压缩机的设计和制造任务。其中产品气压缩机设计难度大,技术难点也最多,它的成功研制,为今后沈鼓压缩机的技术发展奠定了良好的基础。

  二、机组的结构特点

  2MCL454(LP)+2MCL404(MP)产品气压缩机组用于中国石化中原石化60万吨甲醇制烯烃(MTO)装置。原动机采用凝汽式汽轮机。全套系统由压缩机本体、底座、联轴器、汽轮机、润滑油站、气冷冷却系统、干气密封系统、注水系统、注油系统以及相关仪表控制系统等组成。

  产品气压缩机为水平剖分单轴双支撑多级结构,气体进、出口均向下。压缩机本体采用二缸四段八级式结构,背靠背布置,低压缸采用三元叶轮,高压缸采用高效二元叶轮,整个机组布置如图1所示。
  三、压缩机的设计

  1.压缩机气动方案设计

  产品气压缩机的组分组成非常复杂,其设计难点如下:

  1、组分中含低碳烯烃,如果压缩机出口温度过高会导致机组运行过程中流道结焦,这要求在保证性能、效率的前提下还必须尽可能降低出口温度,同时还需要考虑注水、注油对下一段性能的影响。


  2、产品气压缩机段间还需要参与工艺流程,因此必须限定压缩机每段的入口流量、压力、温度,并且每段组分也不一样,这使的叶轮匹配上难度很大。


  3、由于每段有压力、温度、流量的限制,会使稳定工况范围变窄,性能曲线更陡。尤其是最后几级流道,对压缩机运行工况范围有很大影响。因此在气动方案的计算中要重点考虑在各段介质组分变化的情况下保证压缩机具有较宽的运行范围,同时在此工作范围内具有高效率运行。

  考虑以上因素,最终压缩机选型为2MCL454+2MCL404,叶轮由高效三元轮和二元轮组成。机组性能曲线(100%负荷基础工况)。

  2.压缩机结构设计

  产品气压缩机分为高低缸,均为两进两出的结构。满足段间的压力和温度要求。

  (1)压缩机喷涂  由于介质中含有乙酸,腐蚀较为严重,所以,我们在设计上针对乙酸腐蚀的问题,进行了充分的考虑。转子主要采用沉淀化不锈钢,与工艺气接触的定子零部件,隔板采用马氏体不锈钢,机壳采用低合金钢和奥氏体不锈钢结合的设计方案。以往,我们设计的焊壳一直采用碳素钢和低合金钢的结构,热处理温度一般为500℃左右,而该温度正好是不锈钢的米化温度,所以,一般在焊接机壳中不能出现不锈钢的材质,如果,需要防腐,我们一般采用机壳精加工后喷涂不锈钢的方法,但由于喷涂的效率低,价格极其昂贵,一般为3万元/㎡,整个机组紧喷涂一项,需要费用100万元/套。除了费用问题,由于结构原因,变截面流道等部位,由于空间问题,根本无法实现。经过我们周密的计算和查阅了大量的资料,在这台机组的设计时,我们改进了工艺方法,采用了不锈钢和合金钢结合的设计方案。通过低温长时间的热处理和振动消应力的方法,避开了不锈钢的敏感温度,所以,部分流道采用了奥氏体不锈钢的材质,不仅省去了喷涂的高成本,更解决了许多由于结构原因无法实现喷涂的问题。


  (2)压缩机叶轮强度分析  叶轮是压缩机设计的关键,根据用户的要求,在给定的运行工况下,采用公司自主研发的三元叶轮和高效二元叶轮,以保证整机效率。在叶轮选材时,考虑气体组分中硫化氢产生的腐蚀应力,根据API617中相关规定,使用沉淀硬化马氏体不锈钢,δb达到785N/m㎡以上,满足大型机组叶轮强度需要。对于轴向跨距较大的首级叶轮,通过热处理使材料δs在770-827 N/ m㎡,δb达到925N/ m㎡以上,并利用ANSYS强度分析软件在跳闸转速下对该叶轮进行强度分析,计算结果显示叶轮强度均满足所选材料许用应力值,分析结果如图4所示。叶轮以及隔套、轴套、平衡盘等零部件与主轴装配方式全部采用过盈热装法,使机组的运转更安全可靠。
  (3)压缩机临界转速分析  大型离心压缩机,作为工业生产流程中的关键设备,其转子系统的运转是否平稳、动力性是否满足设计要求决定着产品是否能够顺利出厂并投入运转,显然对转子的临界转速分析尤为重要。对于本产品,在设计过程中利用转子-轴承系统动力特性分析软件在工作转速范围内分别对高、低压缸转子进行不平衡响应分析计算,并以API617对计算结果进行分析判别,转子均满足相关设计要求,转子不平衡响应曲线。

   (4)压缩机注水系统、注油系统设计  由于温度是产品气压缩机聚合反应的根本原因,因此从设计观点出发,避免聚合物沉积并粘附在压缩机内是最简单的办法,还可以要求限制每段出口温度在90℃以下,避免聚合反应在压缩机内发生。因此对产品气压缩机而言,通常情况下,压缩机在稳定运行时,各级叶轮的出口温度是恒定的,采取措降低每级叶轮的出口温度,从而保证压缩机每一工艺段的出口温度始终低于90℃,使得裂解气的聚合反应永远不会发生。采用连续注入水,加上段间中间冷器,可降低该段出口温度,其冷却作用主要是来自蒸发潜热。

  喷嘴通过螺纹配合在管嘴架上,并以防松剂锁定或冲死。管嘴支架安装在机壳外直径上(通常安装在压缩机的下半机壳上,用户检修时就不用拆卸喷嘴管架及相应管路) ,若没有充分空间,管嘴可设计成固定位置方式。喷嘴、管嘴支架及其它附属设备材质应为不锈钢。溶剂的注入可使聚合物粘块松动, 并冲刷出压缩机外。 将足够量的溶剂注入,以使足够量的溶剂液卷入气流内, 通常是长期或定期以2~3%的气体容积流量注入溶剂,松动作用不能由其它方法获得。如“大庆石化总厂”的一台“三菱”制造的裂解气压缩机就是在其段进口通过阀门、 喷嘴注入溶剂。注入的溶剂在压缩机内流通是需要耗功的,不符合环保要求;

  同时,因压缩机和管路系统注满液体,当压缩机重新启动时会发生液滴冲击。 以上的处理办法只是在聚合反应发生后的解决办法, 并不能从根本上解决问题,上面所述说的注水方法才是一种有效解决问题的方法。

四、结语

  通过,改进设计思路,采用新的工艺方法,选用新的材料,不仅达到防腐蚀的目的,更为公司节约了70万/套的成本,不锈钢、碳钢结合的机壳的设计思想,打开了我们机壳设计的新理念,更为我们将来的产品设计提供了宝贵的经验。

  该机组于2011年10月一次开车成功投入运行,终于取得了历史性的突破,实现了MTO装置用离心压缩机组的国产化。该装置离心压缩机组的成功运转,开创了我国MTO装置用离心压缩机组设计制造的历史,填补了国内空白,为国家节省了大量外汇,创造了巨大的经济效益和社会效益。

  该项目研制成功,增加了沈鼓产品的市场竞争力,也为沈鼓创造了巨大的财富,沈鼓先后参与了多套MTO装置用离心压缩机的报价和投标工作,先后签订了宁波禾元等多套MTO装置用离心压缩供货合同,经济效益显著。

通过同类项目的实施,为我国形成甲醇制烯烃生产提供了优秀的设备支持,也为煤炭开发利用工程这一公认的清洁和关键产业带来巨大的发展商机。随着国民经济的发展,我国化工工业、汽车工业必将快速增长,人们更多的关注提高能源质量,使用环保能源,降低成本,因此发展应用MTO装置已成为我国经济快速增长的一种有效途径。推动了装备制造业的发展和产品结构调整,对我国装备制造业的发展具有十分重要的意义。其次,MTO广阔的市场前景对我公司是个机遇,MTO装置压缩机的成功研制,为今后沈鼓压缩机在MTO装置领域进一步扩大市场占有率奠定了基础。

  参考文献

 

  [1] 徐忠.离心式压缩机原理[M].北京:机械工业出版社,1990.

 

  [2] 虞烈.轴承转子系统动力学[M].陕西:西安交通大学出版社,2001.

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