炼油厂高压加氢装置循环氢压缩机组的选型及控制分析

赵 钰

(中石化洛阳工程有限公司)

循环氢压缩机作为高压加氢装置的核心设备，其进出口压力由工艺所选定的反应压力和在操作周期中可预见的压力降来决定。它的作用是将脱除H2S后的循环氢进行升压，升压后的循环氢分为两部分，一部分与由氢压缩机来的新氢混合后循环回反应部分；另一部分作为急冷氢去控制反应器入口温度(运转末期需要排放部分废氢)。循环氢压缩机一旦故障，常会引起反应系统飞温，装置紧急停车，出现重大生产事故，因此，一定要选择可靠、稳定的机型作为循环氢压缩机。基于此，笔者对循环氢压缩机组的工程选型及控制方法等要点进行了分析。

1 压缩机型式的选择

目前，除了沸腾床渣油加氢装置因循环氢压比较大(2.3左右)而采用往复压缩机升压外，高压加氢(固定床渣油加氢、加氢裂化)装置中，在压缩机入口状态流量Vs>900m3/h时[1]，通常选用离心式筒形(双壳体)压缩机，通过变转速调节以适应多工况的操作要求。典型的高压加氢装置循环氢压缩机的选型情况如下：

最终用户装置名称 中石化长岭分公司1.7Mt/a渣油加氢处理装置

压缩机型号 BCL409

入口压力(G) 15.0MPa

出口压力(G) 18.5MPa

入口状态流量 1 876m3/h

入口温度 58℃

分子量 5.19

额定功率 2 381kW

从以上数据可以看出，循环氢压缩机采用国产BCL系列压缩机，根据入口状态流量的不同，主要以BCL400、BCL450系列的机型为主，目前，该系列机型在各大炼油厂的加氢精制、加氢裂化和连续重整装置中应用广泛。沈鼓部分叶轮模型级的流量范围见表1。

表1 沈鼓部分叶轮模型级的流量范围

2 确定效率保证工况点

操作工况点较多是循环氢压缩机工艺操作的特点之一，包括开工初期的反应系统干燥、气密(介质为氮气和氢气)、催化剂的硫化和正常操作中的不同阶段(指随着反应的深入，反应器床层积垢造成压力降加大)，循环氢压缩机均应能适应工况要求，并平稳、可靠地连续运转，因此压缩机的选型要兼顾所有工况。

某渣油加氢装置循环氢压缩机的操作参数见表2。

表2 某渣油加氢装置循环氢压缩机操作参数

在选取压缩机的设计工况时，首先其性能应满足最苛刻工况，即额定工况(压差最大、流量最大)要求，其次应使其设计的高效区靠近经常操作的正常初期工况点，以节省能耗。但由于离心压缩机能量头对分子量的变化比较敏感，实际操作中，分子量变小，压缩机需要提供的能量头增加，因此在转速不变的前提下，压缩机的操作工况点会向小流量区移动，靠近防喘振线，这就要求压缩机在根据额定工况初步确定选型后，需复核在开工初期可能出现的小分子量情况，在已确定的最大连续转速范围内，尽可能包住所有的运行工况点，以满足工艺操作的要求。

开工硫化工况就是一个典型的例子，该工况在高压加氢装置开工初期必不可少，它的作用是通过硫化剂的注入与硫化油混合后激活催化剂，循环氢主要为99%的纯氢，分子量约2.3左右，这时就要复核在满足反应系统氢气循环压差的前提下，压缩机通过提高转速(不能超过最大连续转速)能达到的最大流量，如果循环压差较大，且该工况转速与额定工况转速相差较大，也可将该转速定义为最大连续转速，需要注意的是，该工况一般出现在开工初期，只有2～3d左右，不能作为压缩机选型和高效区选取的依据。

3 压缩机关键选型参数的确定

循环氢压缩机属于入口高压、小压比(压比一般在1.24左右)、处理气体的分子量较小的多级离心压缩机，在压缩机选型中叶轮材料、叶轮直径、叶轮顶尖转速和叶轮级数是压缩机的主要参数，同时它们也相互关联、相互影响。每个工况下，压缩气体所需的多变能量头Hp为：

(1)

式中Hp——多变能量头，J/kg；

K——等熵指数；

M——气体分子量；

p1——入口压力(A)，MPa；

p2——出口压力(A)，MPa；

T1——入口温度，K；

ηp——多变效率。

不同转数下，离心式叶轮对气体提供的理论多变能量头可根据转速计算：

(2)

(3)

式中D——叶轮直径，m；

Hp′——叶轮提供的理论多变能量头，J/kg；

n——转速，r/min；

u2——叶轮圆周速度，m/s；

φpol——多变能量头系数，一般取0.4～0.5。

压缩机选型工作就是要使各个工况下的Hp=Hp′，从而满足工艺操作的要求。从式(2)、(3)可以看出，叶轮圆周速度u2的增大对Hp′的影响较为显著，呈平方关系，所以加大叶轮直径或提高压缩机转速都能增加Hp′，但u2的提高是受到限制的，较高的u2意味着叶轮在高速旋转时会产生较大的应力，容易在应力集中区产生氢腐蚀开裂和H2S应力腐蚀。工程选型时，应严格控制叶轮可能产生的最大应力值，并使叶轮任意方向的应力在压缩机100%转速下不超过该叶轮材料最低屈服强度的60%。离心式循环氢压缩机采用的是闭式铣制焊接叶轮，对于闭式叶轮来说，旋转时其应力最大的区域位于前盘内径处。

同时，避免H2S应力腐蚀、减小材料应力水平最直接的方法就是降低材料的屈服强度和硬度，在叶轮材料选取时，首先应按照API617规定的(处理含氢气的介质，氢气分压大于0.689MPa

或氢含量大于90%)叶轮材料的屈服限不应大于827MPa、硬度应小于RC34的要求选择，其次，由于循环氢中常含有H2S(特别是开工初期的硫化工况H2S含量可达2%wt)，需按照NACE MR0175的规定(介质气中H2S的分压应大于0.36kPa)选择满足该标准要求的相关材料，如果采用的材料不满足NACE MR0175的要求，那么应限制其最大屈服限为620MPa、硬度不超过RC22，并且焊接部位应做焊后热处理以保证焊缝和热影响区满足以上要求。通常沈鼓对于富氢场合选择的叶轮材料是FV520B(- S)沉淀硬化不锈钢，该材料等同17- 4PH，对应的国内牌号是0Cr17Ni4Cu4Nb。该材料符合NACE MR0175的相关规定，其屈服强度不大于827MPa。

最近几套高压加氢装置循环氢压缩机叶轮的选型参数见表3，可以看出，对于加氢装置的循环氢压缩机，由于介质气中含有H2S气体，且当其浓度超过NACE标准规定的安全区时，100%转速下叶轮圆周速度一般不超过250m/s；对于不含H2S气体的机组(如重整装置的循环氢压缩机和增压机)，其叶轮圆周速度一般不超过300m/s。工程选型和评定制造厂报价时，如果叶轮圆周速度超过以上限制值，就应考虑用在叶轮直径不变的情况下增加叶轮级数或在转速不变的情况下减小叶轮直径的方法来降低叶轮圆周速度。另外，通过对比国外主要压缩机制造商的选型数据，加氢装置离心压缩机的单级叶轮能量头一般不超过30kJ/kg，当计算出压缩气体所需的能量头后，级数即可初步确定，可用于复核制造厂报价。

表3 几套高压加氢装置循环氢压缩机的叶轮选型参数

4 压缩机性能曲线的复核

压缩机的性能曲线应包括所有操作工况，每个操作工况应提供在不同转速下的性能曲线。某厂渣油加氢循环氢压缩机性能曲线如图1所示。

图1 某厂渣油加氢循环氢压缩机性能曲线

其中，A点为正常末期工况操作点；B点为正常初期工况操作点；C点为额定工况操作点；同时，按照API617对离心压缩机几个关键设计转速的定义，Q1曲线为100%转速曲线；Q2为最大连续转速曲线；Q3为机械跳闸转速曲线；Q4为一阶临界转速曲线。

对于图1，在正常工况下的性能曲线应检查从100%转速曲线上的额定流量点(D点)到飞动点(E点)的流量范围(称为稳定性)和从额定点(C点)到额定点等压力线与飞动线交点(F点)的距离(称为调节范围)。需要复核在105%转速(最大连续转速)和跳闸转速下叶轮的周速、应力水平和应具备的安全系数是否足够。

对所有操作工况下性能曲线的复核应注意的问题有：

a. 每一个操作点与相对应喘振点应有足够的安全距离避免出现喘振，一般地，初期、末期、额定工况操作点最好位于对应性能曲线的中间稍靠后位置；

b. 操作转速与临界转速的隔离裕度应充足避免出现扭转振动；

c. 蒸汽轮机驱动时，氮气工况的操作转速是否在调速器的控制范围内。

5 驱动机的选择

工艺操作的特点决定了压缩机需要从装置运行的初期至末期适应循环氢分子量的变化、反应器压降的变化及循环氢流量的变化等因素，因此，通常需要变转速操作。驱动机通常选用蒸汽轮机或变转速调节的异步电动机。配置形式如下：

蒸汽轮机 背压式汽轮机+压缩机、凝汽式汽轮机+压缩机(用于蒸汽、冷却水富裕的场合)

异步电机 变频调节异步电机+齿轮箱+压缩机、异步电机+齿轮箱+液力耦合器+压缩机(用于蒸汽、冷却水缺乏，电能富裕的场合)

在炼油厂内，由于蒸汽具有稳定、可靠性高的特点，因此，在蒸汽条件具备的现场，蒸汽轮机驱动压缩机得到广泛应用，成为驱动机的首选。

5.1蒸汽轮机的选择

蒸汽轮机按出口压力可分为背压式和凝汽式两种，按获得能量的方式可分为冲动式和反动式两种。对于冲动式蒸汽轮机，蒸汽在喷嘴或静叶中完全膨胀，动叶中不再有压降；而反动式蒸汽轮机，蒸汽在静叶和动叶中都有压降。不管是哪一类，蒸汽总是通过压力和速度的降低，把压力能和动能转化为机械能，从而实现蒸汽和转子之间的能量传递。背压式透平一般位于全厂蒸汽平衡系统的前段或中段，排出的低压(或中压)蒸汽进入相应的管网；而凝汽式透平一般位于全厂蒸汽平衡系统的末段，排出的蒸汽凝结成水后，泵送回锅炉循环。

相同进汽条件和负载情况的两种汽轮机特点比较见表4。

表4 两种汽轮机的特点比较

通常，蒸汽轮机采用背压式还是凝汽式取决于炼油厂全厂蒸汽平衡的结果，但对于压缩机机型和功率较大的场合，配置凝汽式透平驱动压缩机对压缩机的选型是有利的。对于工程设计选型来说，蒸汽轮机选用的原则是在最小能量条件(即最低进气压力、温度，最高排气条件)下，所选汽轮机能提供被驱动压缩机需要的额定轴功率。

5.2蒸汽耗量的计算

蒸汽耗量为：

QST=α×W

式中QST——蒸汽耗量，kg/h；

W——压缩机额定工况轴功率，kW；

α——汽耗率，kg/(kW·h)。

α的选取可参考表5。

表5 α的取值

当选用凝汽式汽轮机并用空冷器(ACC)冷却时，选型中应注意的问题有[2]：

a. 正常全负荷时乏气的正常工作真空度高于20kPa(A)。环境大气设计温度的范围一般是60～110℉(15. 5～43. 3℃)。但ACC 的设计温度至少不能低于同装置工艺空冷的设计温度，最高环境温度可以确定某种规格的ACC 在全负荷工况下透平的允许最低真空度；最低环境温度主要用于确定防冻温度和措施。对于ACC无论是双排管还是单排管，其迎风面积都是非常重要的参数，同时，ACC的蒸汽总管和支管中还应有可靠的不凝气排出手段以保证换热效果和排气真空度。

b. 支撑冷凝器管束的钢结构在充分考虑风载、雪载及地震等因素影响的同时可采用共同底座结构，这样便于安装和集中布置。

c. ACC的布置应考虑到装置内其他空冷和热源的影响，夏天主要考虑换热性能问题，冬天主要考虑防冻问题。

d. 为便于节能，ACC多采用自扇冷变频电机驱动的风机，风机叶片顶尖转速应尽量低，叶片尽量多，叶片宽度尽量宽。

e. ACC系统的控制一般在透平出口法兰处测量压力，并通过压力的变化来调整，通过管束的冷却风量来实现，冷却风量可以靠改变电机转速来调节。

f. 热井与凝结水泵的相对安装高度应满足凝结水泵最小汽蚀余量的要求，通常为5m。

g. ACC还应考虑冬季开车的防冻问题，根据需要设置暖机旁路，制造厂应提供防冻最小蒸汽流量，最小蒸汽流量与环境温度的关系如图2所示。

图2 最小蒸汽流量与环境温度的关系

6 压缩机的负荷调节和防喘振控制

6.1循环氢压缩机负荷调节

在控制过程中，工艺过程要求压缩机出口压力稳定，而流量可以在不使机组发生喘振的情况下适当调节，一般采用变更转速的方法来改动压缩机负荷。在不同的性能曲线下，以压缩机出口压力控制离心机的转速做等压力调节(出口压力不变，改变流量)，此方法调节范围大，不会引起额外损失，经济性好。

6.2压缩机防喘振控制

喘振对离心压缩机的危害很大，也是生产操作中必须避免的。根据离心式压缩机喘振现象产生的机理，可以得出：引起离心式压缩机喘振的根本原因就是排气背压增高、气体分子量变小和循环压降增大导致的压缩机流量过小，这使得压缩机能头(排压)不足以克服管网压降，从而导致喘振。防止压缩机喘振有两种控制方法：

a. 固定极限流量防喘振控制[3]。只要保证压缩机入口流量始终大于某一极限值，就能保证压缩机的稳定运行。其中固定流量极限值为大于任何转速下的喘振点流量，一旦入口流量小于极限值，则喘振返回调节阀自动打开，一部分出口返回入口，以保证入口流量大于固定流量的极限值，从而防止喘振发生。固定极限流量防喘振控制方法简单、可靠性高，但压缩机在低转速运行时能耗较大。

b. 可变极限流量防喘振控制(随动防喘振流量控制)[3]。变速运行的离心压缩机宜采用随动防喘振流量控制系统，该系统将随压缩机的不同工况自动改变防喘振流量调节器的设定值，从而克服了固定极限流量防喘振控制能耗较大的缺点。如图1所示，在压缩机喘振线右侧画一条与其平行的直线即为防喘振流量控制给定线，两个直线间距x为7%～10% 流量值。通常此种方法应用较多。

7 结束语

循环氢压缩机组作为高压加氢装置的核心动设备，选型工作中机型的确定、压缩机转速与驱动机转速的匹配、压缩机转速与叶轮级数的合理选取，对于加氢装置平稳操作意义重大，另外，选型时还应充分考虑在压缩机效率变化不大的前提下，为装置操作几个周期后可能的扩能改造在转速可调空间上留有余量。笔者对高压加氢装置中循环氢压缩机及其驱动机在工程选型、工程设计、操作控制中需要着重考虑的问题进行了分析，列举了一些工程实例。结合以上分析和讨论，希望能对循环氢压缩机的工程选型提供一定的帮助。

[1] 王存智.循环氢压缩机工程设计中几个关键问题的分析与探讨[J].石油化工设备技术，2006，27(3)：60～64.

[2] 杨立民.凝汽式蒸汽透平空气冷凝器的应用[J].炼油技术与工程，2009，39(6)：25～28.

[3] 陈以虎.加氢裂化装置氢气流路压力控制[J].石油化工自动化，2009，36(5)：36～39.