丙烯腈装置空压机优化运行参数实现节能降耗

郝天真

（中国石油大庆石化公司化工二厂，黑龙江大庆163714）

某石化公司的丙烯腈装置离心式空气压缩机C-101 于1987 年由日本整机引进，用背压式蒸汽透平驱动。空压机C-101出口流量55 700 kg/h，出口压力0.23 MPa，温度189.5 ℃，轴功率2 585 kW，转速7 900 r/min，该机组已运行超30 a。

1 空压机的工况

空压机C-101主要向反应器提供工艺空气，用来满足反应需要，空压机参数参数的调整必须与工艺系统联系起来。2003 年丙烯腈装置扩能改造，由 50 kt 扩到 80 kt，同时新增加了1 台空压机C-101A。C-101A 由电机驱动，增加了装置能耗。经计算使用C-101A 将使每t 成品丙烯腈增加成本50元，全年成本增加400多万元。装置开始尝试提高空压机C-101 负荷，同时调整流量和压力，以达单台C-101能够满足生产需要，C-101A做为备用。

2 空压机参数调整

对于离心式空压机C-101，压缩机消耗的有效功主要用于提高压缩机出口的空气流量和压力，总功率保持一定的情况下，降低其出口压力可提高出口流量。理论上压缩机的功率可以完全消耗在流量方面，即压缩机出口压力等于入口压力。采用降低压缩机出口压力、提高空压机C-101出口流量的调整方法，保证压缩机的出口流量满足生产需要，但同时要保证压缩机的出口压力不低于反应所需的最小压力。

2.1 空压机出口压力的调整

降低压缩机出口压力的关键在于确定压缩机出口压力P小值。改压力主要用于3个方面：

（1）维持反应器的反应压力P1。

该压力由压力表可以直接读出，P1＝56 kPa，如果低于该压力则反应不能进行。

（2）用于反应器催化剂流化时的压力消耗P2。

根据反应器工艺设计：反应器空气分布板处压降为反应器床层流动总压降的46%，用压力表测出空气分布板的压降为26 kPa，可以推算出，反应器催化剂流动时的压力消耗为P2＝56.5 kPa。

（3）用于气体流动过程中的压力损失P3。

空气从压缩机的出口输送到反应器的沿程压降损失可以用压力表测得，P3＝15 kPa。

根据以上计算，空压机出口最小压力P值为：

P=P1+P2+P3=56+56.5+15＝127.5 kPa

出口压力可以从0.23 MPa降到0.13 MPa，节省功率用于提高压缩机出口流量。

2.2 空压机出口流量的调整

反应器80 kt/a 的生产负荷，需要把空压机出口流量由55 700 kg/h 提高到67 000～68 000 kg/h。该过程是否能够达到，首先需要从理论角度进行计算分析，找到空压机C-101的最大流量值。

（1）空压机出入口压力比为1 MPa 时的流量。该工况是空压机出口压力为0.099 8 MPa，压缩机有用功都用来提高出口流量，根据性能曲线该种情况出口流量为80 000 kg/h，但其出口压力不能低于0.127 5 MPa，所以这种情况不成立。

（2）空气通过机组内的最小面积的流道（喉部）处的流速达到音速时的流量空气通过机组内的最小面积的流道（喉部）处的流速达到音速时的流量，是压缩机理想状况下的最大流量，该种工况叫“阻塞工况”在实际生产中不可能达到这种情况。因为气流在没有达到音速时，一般就会发生（可能性很大）气流的旋转脱离和激波，此时气体的流动损失会突然增加，造成压缩机出口压力急剧下降，流量也会发生较大波动，机组进入不稳定运行的工况。为避免上述情况发生，一般把压缩机内气体的最大流速控制在265～289 m/s。

计算空压机C-101出口最大流量：

Vax＝um×Fmin

式中V—空压机的体积流量，m3/s；umax—在空压机内的最大流速，m/s，取 265 m/s；Fmin—压缩机内气体流动过程中经过的最小面积，m2。

根据离心式压缩机设计原理和实际工况，叶片之间的流道都是扩张形的，因此最小面积应该在叶轮流道入口处。该压缩机有三级叶轮，第一级叶轮为半开式（有20 个叶片），第二级和第三级为三元闭式（各有相同的21个叶片）。根据叶轮结构并现场测量实物，第三级叶轮入口处面积最小，此处面积近似为长方形，计算得到Fmin＝0.056 m2。

则有：Vax＝u×Fmin＝265×0.056＝68 731 kg/h

可以看出以上计算出的最大流量可满足生产需要，将空压机出口流量逐步增加到68 731 kg/h。

2.3 流量与压力的调整操作

以上对空压机的出口流量和压力在理论上进行了计算分析，分别得到了各自的调整范围，在实际操作中，要充分的认识到影响空压机的操作的因素比较多，例如空气的温度、湿度、粘度等等。所以在操作中要注意3个问题：

（1）调整速度要缓慢

调整速度过快会造成机组运行的波动，从而影响工艺系统。

（2）压力与流量同时调整

在实际操作过程中，压力和流量的设定值是串级的，如果保持压缩机总功率不变，提高流量的同时，必须降低出口压力，防止机组负荷过大。

（3）考虑气温的影响

空压机所能够消耗的最大功率是固定的，运行过程中不能超负荷。在影响压缩机功率的各个参数中，如果其它参数不变，则粘度越大，功率越大。对于空气来说，温度越高气体粘度越大，所以空压机在夏季气温较高时，为了保证机组总的负荷不超，就要适当的降低空气的流量或者压力。

丙烯腈装置的空压机在装置扩能改造后，按照以上的调整原则和注意事项，经过多次的调整，逐步的把流量和压力调整到了能够满足工艺生产的要求状态。现在实际运行的参数为：

出口流量为67 000～67 500 kg/h，出口压力为0.15～0.17 MPa，温度165 ℃，轴功率2 500 kW，转速7 780～7 900 r/min。

以上状态既能保证生产（80 kt/a 的负荷，其空气量并不是固定的，还受反应物料配比等因素的影响），又使机组的主要参数控制在预先的计算数值之内。

3 机组运行状况分析

空压机经参数调整后，运行工况点发生变化。

3.1 流量分析

空压机出口实际流量是设计流量的1.2 倍，对于离心式空压机来说，允许最大流量达到设计流量的1.15～1.2倍，而且从前面计算得知，此时的实际流量低于计算得出的机组的最大稳定流量，所以该流量是稳定的。

3.2 压力分析

空压机实际运行压力高于生产所要的压力为0.02 MPa，是稳定的。

3.3 转速分析

实际转速是设计转速的98.5%～100%，低于最大转速8 295 r/min，转子的最大线速度和扭距都低于或者等于设计值，对材料的强度方面不会产生影响。

3.4 机组性能曲线的绘制

根据机组出厂前在实验室做出的性能曲线的基础上，结合空压机的实际运行中的调整，绘制出了机组的实际运行的性能曲线，见图1。

图1 丙烯腈装置空压机C-101性能曲线

（1）喘振线：机组出口流量达到喘振线时，会发生喘振，运行中要严格控制好出口流量。

（2）防护线：为防止机组喘振，设计了防护线，当流量达到防护线的位置时，机组的防喘振装置开始动作，防护流量是喘振流量的1.05倍。

（3）设计的最大流量线：对于离心式压缩机，最大流量是额定转速下流量的1.15～1.2 倍（空压机C-101设计流量55 700 kg/h，目前实际运行中的流量达到设计值的1.2倍）。

（4）稳定工况的极限流量：此条线表示机组最大流量，超过此流量机组就会进入不稳定工况。

（5）工艺需要的最小压力线：表示空压机在正常运行过程中，不能低于该压力。

（6）阻塞线：该线表示如果机组出口流量达到该值，机组会发生压力、流量波动，进入阻塞工况。

（7）最小转速：是指调速器最小转速，在此以上运行才可调整转速，正常运行不能低于该转速。

（8）第一临界转速：指压缩机的第一临界转速，开停车和运行过程中坚决不允许该改转速附近运行，否则会引起共振。

（9）设计转速：空压机设计转速7 900 r/min。

（10）机组正常转速：空压机C-101 正常转速是设计转速的98.5%，即7 780 r/min。

（11）机组最高转速：该转速为设计转速的1.05 倍，即7 900×1.05＝8 295 r/min，该转速也是调速器的最大转速。

（12）机组稳定运行工况区域：图中阴影部分，它是由机组防护线、机组最小转速、工艺需要的最小压力、稳定工况的最大流量线和机组的最高转速线围成的面积，运行工况越在该阴影的内部，运行越平稳，反之处于不稳定工况。

4 结束语

通过对空压机各参数的调整，保证空压机消耗的总功率不变的情况下，降低压力，提高流量，使之能够满足生产需要，节约了大量的生产成本，降低了装置的能耗，减少了员工的劳动强度。在满足生产的前提下，节约电能1 000 kW·h 以上，节约循环水超过200 t/h。机组在新的工况点稳定运行，但是如果流量再提高就可能会进入不稳定运行工况，在实际生产中一定要避免这种情况的发生，所以流量方面也要有一定的富余量。