提高膨脹機制冷量的研究與應用

馬 健 張萌萌 李 輝

（陜西延長石油（集團）有限責任公司永坪煉油廠）

0 引言

某煉油廠氮氧站裝置是根據空氣中各組分沸點不同的原理將氮氣分離。原料空氣由空氣壓縮機壓縮至0.9 MPa，經預冷機組預冷并經油水分離器分離游離水以及空氣中可能帶入的油分后，進入純化器，在純化器中吸附原料空氣中的水分、二氧化碳、碳氫化合物后進入分餾塔，空氣在分餾塔中經主換熱器與返流之富氧氣及氮氣進行換熱而冷卻到飽和溫度后進入精餾塔進行精餾,在精餾塔的頂部得到高純度氮氣。膨脹機是氮氧站裝置中空分設備的配套機組，該設備為臥式單級徑軸向心反擊式油軸承透平，對外做功將氣體溫度降至約-180 ℃，為整個裝置提供冷量。由冷凝蒸發器輸送的富氧氣經膨脹降溫后通過過冷器，并經過板式換熱器復熱，用于純化器再生。

2020 年11 月以來，氮氧站裝置運行不平穩，空分設備故障率較高，經研究分析后可知，主要制冷設備的膨脹機組制冷量不足，無法維持空分設備的熱平衡，使空分設備故障檢修頻率增加，導致氮氧站裝置氮氣制備量減少，從而影響原油加工的產量。

1 存在的問題

膨脹機的制冷量是指膨脹機對外輸出功造成氣體的壓力、溫度降低，焓值減小，氣體的能量減少，從而增加的吸熱能力。根據膨脹機進、出口氣體的溫度、壓力等數值，從空氣的熱力性質圖上查到相應的比焓值，并經分析計算，得出膨脹機月均制冷量理論值為1 680 kJ/kmol。

對2020 年11 月到2021 年1 月膨脹機平均制冷量進行了統計，具體如表1 所示。

表1 膨脹機制冷量統計表

從表1 可以發現，2020 年11 月到2021 年1 月期間，膨脹機平均制冷量為1 173 kJ/kmol，與膨脹機理論計算值相差較大。隨后通過查閱設備運行記錄，在2017 年2 月—5 月期間，膨脹機月均制冷量最高可達到1 968 kJ/kmol，因此，將膨脹機制冷量提高到1 680 kJ/kmol 以上是有可能的。

2 原因分析

為了確定膨脹機月均制冷量不足的原因，對膨脹機的各項運行數據進行了分類統計和分析對比。

2.1 各運行班次制冷量分析

2020 年11 月到2021 年1 月期間，各運行班次機組制冷量數據統計結果可見表2。

表2 各班次制冷量對比表

對表2 數據進行分析后可知，各運行班次之間膨脹機制冷量平均值相差不大，且數值均較低。

2.2 設備故障分析

根據該設備檔案統計，對 2020 年11 月到2021年1 月此期間膨脹機出現制冷量不足的故障類型進行統計，詳見表3。

表3 膨脹機運行故障統計表

根據表3 數據形成排列圖，詳見圖1。

圖1 膨脹機運行故障排列圖

由圖1 可知，累計頻率在80%以內的是導致設備故障的主要問題。對上述統計數據進行分析后可知，膨脹機轉速過低是膨脹機制冷量不足的主要原因。

3 優化改造

針對膨脹機轉速較低的問題，擬定調整膨脹機制動閥開度、重新修正膨脹機參數設定、優化過濾系統等措施。

3.1 調整制動閥開度

為了更準確地確定制動閥開度對膨脹機轉速的影響，將制動閥開度分別設置為70%、80%、90%及100%，在確保其他參數不變的情況下，測試膨脹機的轉速，試驗結果可見表4。

表4 膨脹機轉速統計表

將表4 數據采用折線圖表示，詳見圖2。當制動閥開度增大時，膨脹機轉速相應得到提高。

圖2 膨脹機轉速統計圖

3.2 修正膨脹機參數設置

為了進一步確定膨脹機調整制動閥開度最佳開度大小，以及進口溫度、壓力變化對膨脹機轉速的影響，通過正交實驗的方法來確定最佳參數。

將影響膨脹機轉速的3 個關鍵參數形成正交實驗因素表，詳見表5。

表5 正交實驗因素表

對將各個因素的取值進行分析，形成三位級，詳見表6。

表6 正交試驗方案表

根據上表，設計L9(33)正交試驗方案，并根據試驗類別分別測得膨脹機轉速值，如表7 所示。

表7 不同參數下膨脹機轉速統計表

通過對比9 組實驗數據的轉速值，分析確定第7組實驗的轉速數值最高，即A1B3C3 為最佳組合；根據表7 數據得出趨勢圖，詳見圖3，由圖3 同樣可知A1B3C3 為最優參數組合。

圖3 因素位級實驗趨勢圖

由于因素B 的極差R為9，比其他列極差更大，這說明因素B 進口溫度的變化是影響膨脹機轉速的重要因素，由此可知，參數對結果影響權重依次為B＞C ＞A。

分析對比直觀分析和組合分析組合結果一致，可以確定參數設定的最優方案為：進口壓力為400 kPa，進口溫度為140 ℃，進口閥開度為100%。

3.3 改造過濾系統

在原設備工藝流程（詳見圖4）的基礎上新增過濾器自潔系統（詳見圖5），在膨脹機出口閥過與濾器之間安裝反吹管線，并新增電磁閥和電動控制箱，通過一定頻率的反吹實現過濾器的定期自潔功能，在降低人工成本的同時，有效減少了濾芯堵塞面積。

圖4 原設備流程

圖5 新增過濾自潔系統

在原入口過濾器（詳見圖6）周圍新增安裝過濾網（詳見圖7），可以有效阻擋空氣中的大分子雜質,進一步降低了濾芯負載，延長了濾芯的使用壽命，最大程度地保障膨脹機設備正常運行。

圖6 原過入口濾網示意圖

圖7 新增濾網示意圖

4 效果評價

4.1 運行效果

為了進一步驗證改造后的運行效果，統計分析了改造前后的膨脹機制冷量數據，如表8 所示。

表8 膨脹機制冷量效果對比統計表

根據表8 數據分析可得，膨脹機的制冷量在改造后有明顯提高，平均月均制冷量可達1 877 kJ/kmol，一直保持在理論值計算值1 680 kJ/kmol 以上，設備整體運行平穩。

4.2 經濟效益

改造實施過后，優化了過濾系統，提高了膨脹機制冷量，降低了膨脹機入口濾芯更換頻次，成本節約統計如下：

（1）濾芯單價S1=2 000 元，濾芯個數a=120 個；

（2）措施前濾芯費用Q1=120×2 000=24 萬元；

（3）過濾網費用Q2=1 000 元；自潔系統費用Q3=2 萬元；

（4）人工成本Q4=1 000 元。

通過計算可知，共節省成本Q=Q1-Q2-Q3-Q4=24-0.1-0.1-2=21.8萬元

5 結語

通過本次優化改造，提高了膨脹機制冷量，成功解決了因制冷量不足造成空分設備運行異常的問題，降低了設備的檢修頻次，保證了氮氧站平穩運行，從而保證了全廠用氮設備的安全穩定，提供優質可靠的煉化石油，提升了生產裝置設備管理水平,延長了生產裝置運行周期。