黃心遠(yuǎn),劉 洋,劉龍海

(1. 中韓(武漢)石油化工有限公司,湖北 武漢 430082; 2. 杭州汽輪機(jī)械設(shè)備有限公司,浙江 杭州 310000)

乙烯裝置是石化工業(yè)的龍頭,是生產(chǎn)有機(jī)原料的基礎(chǔ),其生產(chǎn)規(guī)模與技術(shù)水平是衡量一個國家石化工業(yè)發(fā)展水平的重要標(biāo)志。乙烯裝置包括裂解急冷和壓縮分離兩部分,工藝流程長,設(shè)備種類多,三大機(jī)組(裂解氣、丙烯、乙烯)中裂解氣壓縮機(jī)組是核心設(shè)備,其通過增壓裂解氣為深冷分離創(chuàng)造條件【1】。

某企業(yè)80萬t/a乙烯裝置于2012年建成,采用的是脫丙烷前加氫工藝。2020年10月,該裝置進(jìn)行大檢修,并同時進(jìn)行了擴(kuò)能改造,設(shè)計年產(chǎn)乙烯達(dá)到110萬t。改造后,滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)下,裂解氣壓縮機(jī)機(jī)組(見圖1)汽輪機(jī)前軸振動大、負(fù)荷不匹配、真空度下降、能耗高,嚴(yán)重影響了機(jī)組長周期的穩(wěn)定運(yùn)行,也不符合“節(jié)能降耗,增產(chǎn)創(chuàng)效”的目標(biāo)。針對上述問題,本文采用裂解氣機(jī)組高負(fù)荷運(yùn)行參數(shù)中進(jìn)、出透平(ST-201)的蒸汽溫度、壓力、流量與壓縮機(jī)吸入排出氣體的溫度、壓力、流量等參數(shù),運(yùn)用化工熱力學(xué)方法與ASPEN PLUS工藝模擬軟件構(gòu)建五段壓縮機(jī)模型【2】,計算機(jī)組內(nèi)效率、汽耗率、熱耗率以及機(jī)械效率,并與廠家提供的標(biāo)準(zhǔn)工況進(jìn)行比較。同時,結(jié)合計算數(shù)據(jù)從汽輪機(jī)流通面積與凝汽器特性曲線等方面進(jìn)行分析。

圖1 裂解氣壓縮機(jī)機(jī)組

1 裂解氣壓縮機(jī)組內(nèi)效率與能耗和功率的計算

1.1 裂解氣壓縮機(jī)組內(nèi)效率計算方法【3-4】

級的有效比焓降與理想比焓降之比稱為級的相對內(nèi)效率,簡稱級效率。級的相對內(nèi)效率表示級的能量轉(zhuǎn)換的完善程度,是用來衡量級經(jīng)濟(jì)性的一個重要指標(biāo)。其大小不僅與級的類型、選用的葉型、反動度、速比和葉高有關(guān),還與蒸汽的性質(zhì)、級的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等有關(guān)。

1.1.1 高壓部分內(nèi)效率的計算

(1)

式中:η高——高壓部分內(nèi)效率,%;

H1——實(shí)際進(jìn)汽焓值,kJ/kg;

H2′——理想抽汽焓值(等熵情況下絕熱膨脹到抽汽壓力),kJ/kg;

H2——實(shí)際抽汽焓值,kJ/kg。

以上所有狀態(tài)函數(shù)數(shù)值均通過查焓熵圖或esayquery2軟件得出。

1.1.2 低壓部分內(nèi)效率的計算

(2)

式中:η低——低壓部分內(nèi)效率,%;

H3′——理想排汽焓值(等熵情況下絕熱膨脹到排汽壓力),kJ/kg;

H3——實(shí)際排汽焓值,kJ/kg。

以上所有狀態(tài)函數(shù)數(shù)值均通過查焓熵圖或esayquery2軟件得出。理想排汽焓值可能會在濕蒸汽區(qū),需先計算出干度X,再計算出濕蒸汽焓值。

(3)

式中:S2——實(shí)際抽汽熵值,J/(Mol·K);

S2′——完全飽和蒸汽狀態(tài)下實(shí)際排汽熵值,J/(Mol·K);

S2″——完全不飽和水狀態(tài)下實(shí)際排汽熵值,J/(Mol·K)。

以上實(shí)際排汽焓值根據(jù)凝汽器實(shí)際參數(shù)進(jìn)行能量衡算所得。

目前計算透平做功的難點(diǎn)在于排汽狀態(tài),因?yàn)榕牌屑扔酗柡驼羝灿袧裾羝?需要通過計算求出干度。單憑排氣溫度與壓力無法確定排汽狀態(tài),即無法直接求出低壓部分的排汽焓。本文根據(jù)凝汽器換熱負(fù)荷的能量守恒進(jìn)行低壓排氣焓的計算。凝汽器為表面冷凝器,排汽的凝結(jié)水焓可通過查表得出。將冷凝水側(cè)的流量與進(jìn)、出口溫度代入ASPENPLUS工藝模擬軟件,可得出實(shí)際排汽焓。

1.2 裂解氣壓縮機(jī)組汽耗率與熱耗率計算方法【5】

在電廠熱力系統(tǒng)中,汽耗率與熱耗率是考核汽輪機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行性的主要指標(biāo)之一,是對汽輪機(jī)的綜合效率衡量。

每產(chǎn)生1 kW·h的功所耗費(fèi)的蒸汽量稱為汽耗率,用d表示(單位:kg/kW·h)。

d=D/N

(4)

式中:D——主汽流量,kg/h;

N——機(jī)組發(fā)出的電功率, kW。

每產(chǎn)生1 kW·h所需要的熱量稱為熱耗率。用q表示[單位:kJ/(kW·h)]。

q=Q/N

(5)

汽耗率與熱耗率指標(biāo)的考核與分析已得到電廠的普遍重視,成為監(jiān)測汽輪機(jī)性能的重要手段之一。本文將壓縮機(jī)做功類比于電廠機(jī)組發(fā)電功率來對機(jī)組性能進(jìn)行對比分析。

結(jié)合實(shí)際情況并按照以下方法計算裂解氣壓縮機(jī)組的汽耗率與熱耗率。

1.2.1 裂解氣透平汽耗率的計算

(6)

式中:D機(jī)——機(jī)組汽耗率,kg/kW·h;

F1——機(jī)組進(jìn)汽流量即主蒸汽流量,kg/h;

W——透平輸出功率,kW。

1.2.2 裂解氣透平熱耗率計算

悅管家在布局后勤服務(wù)網(wǎng)絡(luò)之初，創(chuàng)新提出“云店模式”，通過合伙人制將其轉(zhuǎn)化為云店負(fù)責(zé)人，成為事業(yè)共同體，激發(fā)其工作積極性。面對分散的用戶市場建立了分散的服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)搭建“云店”數(shù)據(jù)中樞，在核心區(qū)域開設(shè)實(shí)體門店，覆蓋街道附近的用戶。在分散城區(qū)設(shè)立虛擬門店，人員無需建設(shè)門店，通過互聯(lián)網(wǎng)，就可將該區(qū)域的服務(wù)人員做線上聚合、線上派單。

(7)

式中:q機(jī)——機(jī)組熱耗率,kg/(kW·h);

F2——機(jī)組抽汽流量,kg/h;

F3——機(jī)組排汽流量,kg/h。

以上所有狀態(tài)函數(shù)數(shù)值均通過查焓熵圖或esayquery2軟件得出。

1.3 壓縮機(jī)側(cè)功率計算方法

以化工流程模擬軟件ASPEN PLUS(版本11.0)為優(yōu)化平臺,建立裂解氣壓縮機(jī)K-201工藝模型。

其中,熱力學(xué)方法采用PENG-ROB狀態(tài)方程法,ASPEN完成二元交互系數(shù)計算和物性分析,并在SIMULATION中建立流程。以2022年1月11日作為標(biāo)準(zhǔn),從DCS導(dǎo)出當(dāng)日整點(diǎn)時刻的24組裂解氣壓縮機(jī)一段～五段吸入、排出運(yùn)行參數(shù)(壓力、溫度、流量)并計算壓縮機(jī)側(cè)做功。同時,根據(jù)對應(yīng)時刻汽輪機(jī)輸出功計算機(jī)組機(jī)械效率(壓縮機(jī)做功/汽輪機(jī)輸出功率)。

1.4 裂解氣壓縮機(jī)組能耗與效率計算的比較

根據(jù)廠家給出的裂解氣壓縮機(jī)組不同工況下的工藝參數(shù),運(yùn)用上述方法計算機(jī)組在標(biāo)準(zhǔn)工況下的理想效率與能耗(見表1)。由表1可見:高壓部分相對內(nèi)效率在70.302%～72.213%之間,低壓部分相對內(nèi)效率在77.503%～79.569%之間,機(jī)組整體相對內(nèi)效率在74.251%～76.075%之間,該結(jié)果與廠家核算的內(nèi)效率基本一致,說明計算方法準(zhǔn)確;能耗方面,熱耗率在9 390.486～9 580.632 kJ/(kW·h)之間,汽耗率在7.623 6～8.356 5 kg/(kW·h)之間,該結(jié)果與50～100 MW汽輪機(jī)的性能參數(shù)一致。在2021年裝置大檢修開工后,裂解氣壓縮機(jī)組存在“使不上力”的情況,超高壓蒸汽用量與機(jī)組整體負(fù)荷不匹配,存在較大的能耗損失。以2022年1月11日機(jī)組最高負(fù)荷作為標(biāo)準(zhǔn),從DCS導(dǎo)出當(dāng)日整點(diǎn)時刻的24組運(yùn)行參數(shù)(進(jìn)汽、抽汽、排汽的壓力、溫度、流量),并根據(jù)運(yùn)行參數(shù)計算實(shí)時工況下的機(jī)組相對內(nèi)效率、汽輪機(jī)壓縮機(jī)做功、機(jī)械效率、汽耗率與熱耗率(見表2),結(jié)果顯示:機(jī)組高壓部分相對內(nèi)效率在56.62%～60.61%之間,遠(yuǎn)低于廠家給出的幾種標(biāo)準(zhǔn)工況下高壓部分的相對內(nèi)效率,低壓部分相對內(nèi)效率略有上升,整體相對內(nèi)效率下降5～7%。結(jié)合機(jī)組前軸振動較高等因素,認(rèn)為高壓部分葉輪可能出現(xiàn)了機(jī)械損傷、結(jié)垢、角度偏離等方面的問題,導(dǎo)致高壓部分流通面積減小、相對內(nèi)效率下降。而根據(jù)壓縮機(jī)做功(47 500 kW左右)可得出機(jī)組整體機(jī)械效率不到80%,說明汽輪機(jī)側(cè)做了大量“無用功”。機(jī)組實(shí)時汽耗率為7.888 4 kg/(kW·h),比額定標(biāo)況[7.623 6 kg/(kW·h)]下高出3.473 4%;熱耗率為10 372.199 kJ/(kW·h),比額定標(biāo)況下[9 580.632 kJ/(kW·h)]高出8.262 2%,說明機(jī)組存在一定能耗損失。

表1 不同工況下汽輪機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)相對內(nèi)效率與熱耗率和汽耗率計算

表2 2022年1月11日裂解氣壓縮機(jī)組性能參數(shù)計算

2 原因分析

在汽輪機(jī)組運(yùn)行的過程中,氣體做功和機(jī)組運(yùn)行緊密相關(guān),直接影響汽輪機(jī)組最終的能耗值大小。熱力學(xué)計算與ASPEN PLUS模擬結(jié)果表明:該乙烯裝置裂解氣壓縮機(jī)組高壓部分效率比設(shè)計值低,機(jī)組熱耗率、汽耗率較高,汽輪機(jī)與壓縮機(jī)負(fù)荷不匹配。流通性是影響機(jī)組能量消耗的關(guān)鍵。根據(jù)“弗留格爾公式”[見式(8)],同時結(jié)合廠家提供的”抽汽溫度變化曲線”(見圖2),并與實(shí)時工況數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,得出理論排汽溫度比實(shí)際工況低15 ℃的結(jié)論,說明第一膨脹段效率低于設(shè)計值,流通面積減小。

圖2 抽汽溫度變化曲線

分析原因有以下幾點(diǎn):1)內(nèi)缸中分面安裝葉片處的中分面螺栓未擰緊,蒸汽產(chǎn)生內(nèi)漏;2)該段通流汽封片磨損,間隙大于設(shè)計值;3)葉片結(jié)垢或沖蝕;4)角型環(huán)密封不佳,導(dǎo)致漏汽量較大。汽輪機(jī)理論計算做功和壓縮機(jī)ASPEN模擬耗功計算值相差較大,機(jī)械效率較低,說明汽輪機(jī)可能受到了安裝和運(yùn)行因素的影響,具體為:1)汽輪機(jī)內(nèi)缸平衡活塞處中分面螺栓未擰緊,較多蒸汽從平衡活塞中分面通過平衡管未做功即漏入排缸;2)平衡活塞汽封片因各種原因磨損較大,密封效果變差,較多蒸汽通過平衡管未做功即漏入排缸【6-8】。

(8)

式中:GA、GB——工況變化前、后主蒸汽流量,t/h;

P0A、P1A——工況變化前、后調(diào)節(jié)級壓力,MPa;

P0B、P1B——工況變化前、后第一抽汽口壓力,MPa;

T0Ai、T0Bi——工況變化前、后各級溫度,℃;

i——級數(shù)。

汽輪機(jī)的真空運(yùn)行具有較高的經(jīng)濟(jì)性,能夠有效節(jié)約企業(yè)的生產(chǎn)成本。一旦汽輪機(jī)出現(xiàn)真空度下降故障,將會大大降低汽輪機(jī)的運(yùn)行效率,增加生產(chǎn)成本。該乙烯裝置改造后,機(jī)組負(fù)荷大幅增加,排汽壓力由 0.015 MPa升高至 0.027 MPa,排汽溫度從57 ℃升高至69 ℃。真空度下降導(dǎo)致機(jī)組做功效率變低。技術(shù)人員通過涂抹肥皂的方法查找漏點(diǎn),并用膠帶纏繞可能出現(xiàn)泄漏的法蘭等連接處,進(jìn)一步消除隱患。采取上述措施后,經(jīng)檢查,兩級射汽抽氣器工作正常,汽輪機(jī)軸封壓力正常。該乙烯裝置凝汽器為利舊換熱器,結(jié)合廠家提供的凝汽器參數(shù),并根據(jù)工程熱力學(xué)計算結(jié)果繪制凝汽器(換熱面積4 400 m2)在實(shí)際工況下的理論特性曲線,同時,收集現(xiàn)場數(shù)據(jù)與擬合的特性曲線進(jìn)行對比(選取冷凝水入口溫度為34 ℃與39 ℃兩種工況進(jìn)行分析),結(jié)果表明: 目前凝汽器運(yùn)行工況在特性曲線上方,已經(jīng)嚴(yán)重偏離標(biāo)準(zhǔn)工況。凝汽器性能曲線與實(shí)時工況對比見圖3(a)～圖3(d)。由于凝液量(排汽量)的大小對真空度幾乎沒有影響,因此可以判斷,凝汽器出現(xiàn)結(jié)垢,使得換熱面積不足、換熱效率變低并導(dǎo)致真空度上漲是造成能耗增高、效率降低的原因【9】。

圖3 凝汽器性能曲線與實(shí)時工況對比

3 結(jié)論

采用化工熱力學(xué)與ASPEN PLUS構(gòu)建流程模擬方法對高負(fù)荷工況下某乙烯裝置裂解氣壓縮機(jī)組的能耗與效率進(jìn)行計算,并通過“弗留格爾公式”計算理論排汽溫度,通過擬合凝汽器特性曲線與凝汽器實(shí)際運(yùn)行工況進(jìn)行對比分析,為裝置機(jī)組運(yùn)行提供數(shù)據(jù)參考與優(yōu)化方向,結(jié)論如下:

1) 高壓部分相對內(nèi)效率比標(biāo)況低11%,低壓部分相對內(nèi)效率略有上升,整體相對內(nèi)效率下降5%～7%。機(jī)組實(shí)時汽耗率為7.888 4 kg/(kW·h),比額定標(biāo)況下[7.623 6 kg/(kW·h)]高出3.473 4%;熱耗率為10 372.199 kJ/(kW·h),比額定標(biāo)況下[9 580.632 kJ/(kW·h)]高出8.262 2%,存在一定能耗損失。機(jī)組負(fù)荷不匹配,壓縮機(jī)側(cè)做功47 500 kW,透平內(nèi)功率61 000 kW,機(jī)組整體機(jī)械效率不到80%。

2) 機(jī)組前軸振動較高,高壓部分葉輪可能出現(xiàn)了機(jī)械損傷、結(jié)垢、角度偏離等方面的問題,導(dǎo)致高壓部分流通面積減小、相對內(nèi)效率下降。

3) 機(jī)組凝汽器運(yùn)行已偏離特性曲線,凝汽器可能出現(xiàn)了結(jié)垢、換熱面積不足、換熱效率變低等現(xiàn)象,導(dǎo)致真空度上漲,引起能耗增高、效率降低。