裂解气压缩机转子磨损分析与对策

王会刚 ，鲁伟娜，李丹

(1.中国石油吉林石化公司乙烯厂，吉林 吉林 132022；2.吉林市厦林化工分离机械工业有限公司，吉林 吉林 132000)   

摘要：分析了裂解气压缩机转子磨损的原因，并结合压缩机日常操作、维护与管理情况，提出了合理的预防措施，保证了压缩机组的安全平稳运行。

关键词：裂解气压缩机  转子  磨损  聚合物  阻聚剂

    我公司乙烯装置裂解气压缩机C3101为三缸五段十五级离心压缩机,系日本三菱公司制造。三缸型号分别为：9H-4W（LP）、9H-4B（MP）、7H-7B（HP），均为水平剖分。其在100%负荷时性能参数如表1所示。

表1 裂解气压缩机100%负荷性能参数表

    裂解气压缩机C3101在对裂解气升压过程中采用五段压缩，段与段间设置水冷却器和吸入罐，并采用“逆闪”工艺、压缩机壳体注水技术及各段入口注入阻聚剂，来降低压缩机功耗，避免聚合物生成并沉积在压缩机扩压器和叶片上^[1]。其工艺流程如图1所示。

图1 裂解气压缩机C3101工艺流程图

1 故障现象

    裂解气压缩机C3101自2008年6月大检修完毕开车投入运行至2012年6月，已连续平稳运行四年时间，运行过程中状态监测系统显示其轴瓦温度、轴振动、轴位移等各项参数均正常。2012年6月对压缩机进行四年一度解体大检修时，发现压缩机转子级间定距轴套多处磨损，中压（MP）缸转子第1级叶轮与第2级叶轮之间的定距轴套磨损最为严重（如图2所示），高压缸（HP）缸转子第3级叶轮与第7级叶轮之间的定距轴套疏齿密封也有轻微磨损（如图3所示）。

图2 C3101MP转子磨损示意图

图3 C3101HP转子磨损示意图

2 原因分析

根据裂解气压缩机C3101的实际运行状况，以及工艺操作情况分析可知，导致压缩机转子磨损的影响因素有以下几方面。

2.1 压缩机结垢的影响

    由于裂解气压缩机自身具有高温高压的工作特性，聚合结垢问题是影响其性能和长周期稳定运行的难点，也是造成压缩机损坏的重要原因之一，同时具有普遍性^[2]。

由图2和图3可以看出，在叶轮表面附着有大量的聚合物，一旦这些聚合物进入级间密封疏齿内，就会造成转子级间定距轴套和级间密封件的磨损。同时，由于聚合物在转子表面粘结本身具有不均匀性，在很大程度上破坏了转子动平衡，使转子在运转时与级间密封产生摩擦，从而造成转子和级间密封件的磨损。同时裂解气压缩机C3101二段出口、三段入口冷却器E3102A/B的压差设计值为30Kpa，自2010年10月以来，其压差由50Kpa左右开始缓慢上涨，到2011年12月上涨至190Kpa。2012年6月对C3101压缩机段间冷却器进行大检修时，发现各段冷却器内有不同程度的聚合物堵塞；尤其是在E3102A/B管束夹缝、隔板、分布盘上堆积了大量聚合物（如图4所示），使冷却器壳程严重堵塞，造成压差较高，这说明裂解气在中压缸内压缩过程中产生了大量的聚合物，进而造成中压缸转子严重磨损。

图4 E3102A/B管束聚合物堵塞情况示意图

由聚合反应机理和我公司目前所采取的防止压缩机结垢的技术措施分析可知，影响压缩机内大量聚合物堆积结垢的因素主要有以下几点：

（1）裂解气组分变化的影响。

裂解气压缩机结垢的主要原因是由于裂解气中的不饱和烯烃，特别是双烯烃、炔烃组分在一定温度下容易发生聚合反应，形成聚合物附着在转子、叶轮和扩压器等部位，随着压缩机运行时间的延长，聚合物逐渐积累结垢^[1]。

当裂解气组分发生变化时，尤其是不饱和烯烃浓度的增加，将会导致裂解气在C3101压缩机内被压缩、升压过程中产生大量的聚合物，这是导致压缩机结垢的根本原因。

（2）阻聚剂注入量偏差的影响。

我公司乙烯装置目前采用在裂解气压缩机C3101各段入口注入阻聚剂EC3298A，从使用效果上看，不仅可以减少聚合物的生成，而且还可以对已形成的聚合物起到分散清洗的作用。

通常阻聚剂注入量是以压缩机进料量为基础进行计算的，在装置生产负荷稳定的情况下，阻聚剂的注入应该是一个连续量稳的过程，这时阻聚剂的注入量是很容易控制的，能有效抑制聚合物的生成。然而，当装置提高生产负荷时，压缩机的进料量也随之增大，这时如果不能及时地重新计算和调整阻聚剂注入量，就不可能达到预期的阻聚效果，将会导致大量聚合物的产生。另一方面，压缩机Ⅰ至Ⅴ段入口阻聚剂分别由往复泵P3105、P3106、P3107、P3108和P3109注入，由于没有备用机泵，一旦某台泵发生故障，只能中断该段阻聚剂注入，这也将会导致大量聚合物的产生。

（3）注水量偏差的影响。

采用注水技术，我公司利用锅炉提供的高压锅炉给水直接将水注入到裂解气压缩机C3101的壳体内，依靠水的汽化潜热来大量吸收裂解气在压缩过程中产生的热量，可有效降低压缩机各段的温度，进而抑制不饱和烯烃聚合。

各段注水的水量应根据裂解气的排出温度（避免聚合反应所需要的温度）进行计算和调整，一般为裂解气量的1%～2%。所注入的水量除了汽化的部分以外，稍有一些过剩是比较有利，利用这部分没有汽化水的机械摩擦作用，可以一定程度上对气体流道进行清洗，以避免聚合物的沉积^[3]。显然，在注水量计算及工艺调整偏小的情况下，不可能达到预期降温阻聚的效果，将会导致大量聚合物的产生；尤其是在我国东北部，由于冬天温度较低，很容易发生注水管线及注水枪头冻堵事件，从而导致大量聚合物的产生。

由以上分析可知，压缩机结垢是多方面原因作用的结果，是导致压缩机转子磨损的主要原因。

2.2 压缩机运行周期长的影响

    裂解气压缩机C3101自2008年6月大检修完毕开车运行至2012年6月，运行时间已达四年之久，在同行业中为连续运转时间最长的一个周期。由于长时间的连续运转，一方面压缩机部件容易产生疲劳磨损、老化、腐蚀等，尤其是密封件在长时间使用下更容易磨损。另一方面，压缩机运行的时间越长，产生的聚合物累积也就会越多，对转子造成的磨损也就会越严重。

2.3 压缩机喘振的影响

离心压缩机对裂解气的压力、流量、温度变化比较敏感，极易发生喘振，喘振是离心压缩机固有的一种现象，喘振时由于气流强烈的脉动和周期性振荡，使整个压缩机和管网发生强烈振动，具有较大的危害性，也是压缩机损坏的主要原因之一。

喘振本质上是因为进入压缩机的流量不足以使压缩机产生足够的压力，以至于外部系统（外部管路）的压力大于压缩机内部的压力^[4]。因此，从裂解气压缩机C3101的运行状态看，导致压缩机产生喘振的原因，主要有以下几方面：①工艺操作的不稳定，造成压缩机入口流量的突然降低，将直接导致压缩机产生喘振；②叶轮和扩压器发生大量聚合物堵塞或严重锈蚀时，会减小气体流通面积，降低处理气量，引起喘振；③段间冷却器发生堵塞，造成换热效率降低，使气体进入下一级压缩的温度升高，造成流量降低，产生喘振。

在压缩机正常运行过程中，一旦发生喘振，将会造成转子、轴瓦、级间密封等易损件产生一定程度的磨损，甚至损坏；尤其是当压缩机内有大量聚合物堆积结垢存在时，这种磨损会更严重。

3 预防措施

    由于裂解气压缩机C3101系统复杂，受内外界影响因素较多，依据以上对影响压缩机转子磨损的因素分析，为防止压缩机损坏，提高压缩机运行的平稳率，应采取以下预防措施。

    （1）加强工艺培训，稳定工艺操作，严格执行工艺操作卡或操作规程。这主要包括：①加强裂解炉的温度控制，避免大幅温度波动，造成裂解气中组分变化，使过量不饱和烯烃在压缩机内发生聚合，产生大量聚合物造成转子磨损及段间冷却器堵塞；②对压缩阻聚剂从严管理，保证其注入量，增加备用机泵，出现问题应及时处理，监控阻聚剂质量，保证其加入后能达到预期的有效抑制聚合的效果；③对压缩机壳体注水量的控制实行动态管理，以压缩机各段排出温度为监控点，适时调整注水量；④严格控制工艺指标，加强工艺操作培训与仿真演练，提高操作人员的技能水平和责任心。

（2）充分利用压缩机状态监测系统，定期监测并记录压缩机各部位的振动、压力、温度等关键参数，由专业技术人员记录这些状态数据，并在计算机上将这些重要的工艺与机械参数实时与历史值进行比较，对压缩机运行状态作趋势分析，以指导压缩机的调整与处理。

（3）缩短大检修周期，将四年一大修改为三年一大修，保证大检修质量。

（4）强化日常监控与检查，贯彻执行点检、专检、巡检相结合的多级巡回检查制度，成立由设备、工艺、仪表、电气、机修等专业人员和各主管部门领导组成的特保特护领导小组，对压缩机定期进行多方联合检查和研讨，及时发现问题并协同相关部门采取积极措施，制订解决方案，以保证压缩机安全平稳运行。

4 结束语

    裂解气压缩机是乙烯装置的核心设备，直接关系到整套乙烯装置的安全平稳运行。本文以裂解气压缩机转子磨损为基础，分析了压缩机结垢、运行周期长和喘振三个因素对压缩机损坏及平稳运行造成的影响，这三个影响因素之间既有相互作用，又有各自独立影响部分；并结合压缩机实际运行状况，有针对性地提出了积极有效的预防措施，旨在防止压缩机损坏及故障停车，保证乙烯装置的长周期稳定运行。

参考文献：

[1] 李作政，冷寅正，方加禄，等.乙烯生产与管理[M].北京：中国石化出版社，1992：130-270.

[2] 杨春生.裂解气压缩机的结垢问题及其对策[J].乙烯工业，2000，12（4）：29-32.

[3] 杨咏.裂解气压缩机结垢原因及应对措施[J].乙烯工业，2011，23（2）：30-33.

[4] 钟瑞明. 离心式空气压缩机喘振故障分析与控制预防[J]. 采矿技术，2010，10（3）：84-86.