国产化大型合成气压缩机组在中天合创甲醇合成装置中的应用 肖鹏
【期刊名称】《《煤化工》》足球机器人
【年(卷),期】2019(047)004
【总页数】4页(P24-27)
【关键词】甲醇合成装置; 大型合成气压缩机组; 国产化; 创新点 【作 者】肖鹏
【作者单位】中天合创能源有限责任公司 内蒙古鄂尔多斯017300
【正文语种】中 文
【中图分类】TQ051.21
甲醇合成装置中“心脏设备”合成气压缩机组，因其介质轻、压比大、工况复杂等诸多设计瓶颈，长期以来市场被国外厂商所垄断，国内尚无独立设计制造2×180万t/a甲醇合成装置用合成气压缩机组的先例。为实现大型合成气压缩机组国产化，以国家重点工程中天合创鄂尔多斯煤炭深加工示范项目为依托，成立了2×180万t/a甲醇合成装置用合成气压缩机组研发攻关团队，采取自主创新和产学研联合开发方式，攻克大型甲醇合成气压缩机组核心关键技术，从单元技术基本级开发、压缩机组方案优化、结构优化、材料选择等全方位进行研究，提高机组操作范围和效率，实现合成段和循环段的工艺流程匹配，以满足煤化工装置大型化发展的需要。 1 甲醇合成装置合成气压缩机组基本情况
中天合创鄂尔多斯煤炭深加工示范项目是由中国石油化工股份有限公司、中煤能源集团公司、申能（集团）有限公司以及内蒙古满世煤炭集团公司合资建设的世界级大型煤炭-化工联合项目，其中2×180万t/a甲醇合成装置作为该项目的主要生产装置之一，采用德国鲁奇（Lurgi）公司专利甲醇合成技术，以上游气化、净化装置生产的合成气为原料，经过合成气压缩、甲醇合成、甲醇精馏等主要工艺单元生产合格的MTO级甲醇，供下游烯烃装置使
用，装置组成中各工艺单元均为双系列，每系列合成单元各一台合成气压缩机组，分别为211压缩机组、221压缩机组。合成气压缩机组由离心式压缩机、驱动透平两部分组成，其中，离心式压缩机为沈阳鼓风机集团制造的一缸两段七级叶轮2BCL607型压缩机，驱动透平采用杭州汽轮机股份有限公司生产的NK50/56型全凝式汽轮机。压缩机与汽轮机由膜盘联轴器联接，压缩机采用公用底座，整个机组采用润滑油站供油，蒸汽冷凝采用哈尔滨空调股份有限公司生产的干式空冷器，压缩机的轴端密封采用成都一通有限公司生产的干气密封系统，整套机组由沈阳鼓风机集团总成。合成气压缩机组参数见表1。
2 机组研制关键技术及创新点
2.1 高能头系列模型级开发应用
基于计算流体力学CFD分析方法和对模型级内部损失的全涡室控制方法，研制出高效率、高能头、弹性操作范围宽的合成气压缩机专用模型级，实现高效压缩轻介质。该机组合成段压缩比1.65，合成气分子量为10.94，应用此模型级，仅需要5级叶轮即可实现此压缩比。如果合成段采用常规V系列模型级，需要6级～7级才能实现同样的压缩比，同比至少需要增加一级叶轮。该模型级能头为常规模型级的1.1倍 ～1.25倍。
表1 合成气压缩机组参数注：EOR-2为催化剂末期CASE2工况（性能保证点工况）。压缩机参数（2BCL607）额定转速 合成段入口压力 合成段出口压力 合成段流量 额定功率 循环段入口压力 循环段出口压力 循环段流量/r·min-1（EOR-2）/MPa（G）（EOR-2）/MPa（G）（EOR-2）/m·3h-1/kW（EOR-2）/MPa（G）（EOR-2）/MPa（G）（EOR-2）/m·3h-1 69365.269.1453761918 3017.959.08967829蒸汽透平参数（NK50/56）透平最大连续转速 透平蒸汽入口压力 透平入口温度 透平最大功率 透平出口压力 额定蒸汽流量/r·min-1/MPa（G）/℃/kW/kPa（A）/t·h-1 72833.63802108020101.5
2.2 先进的蜗室结构开发
首次采用了流线型高效率切向出口蜗室结构。与传统设计排气蜗室相比，此次改进后出口蜗室流场漩涡明显降低，蜗室压力分布和气流方向均匀性大大改善，总的多变效率提高5%，显著提高机组性能。
缝隙式排水沟2.3 背靠背结构的研究
为减少压缩机及附属设备成本及能源消耗，降低生产成本，主机本体采用背靠背的结构，低温热管
将新鲜气压缩机和循环气压缩机设计成一台压缩机，成功采用一台压缩机实现原工艺包2台压缩机才能实现的功能，解决由于设备联动带来的多种运行工况不匹配问题。
2.4 卡环的应用
由于该套压缩机筒体直径较大，水压试验压力高，在核算端盖与机壳把合螺栓强度时，发现普通螺栓把合结构无法达到强度要求。为此研发了针对“超大尺寸壳体整体结构”的减重轻量化新技术，采用先进的卡环固定端盖，彻底解决了机组外形尺寸大而重的弊端。
2.5 定子的可靠性设计
合成气介质中含有CO2和水，属于腐蚀性介质。所以该机组所有流道均要考虑防腐措施，其中最难解决的便是定子件中的内机壳和隔板的防腐蚀问题。经计算分析，最终选定X12Cr13作为内机壳材料、ZG12Cr13作为隔板材料。将具有超高硬度（1000 HV～2000 HV）、超大水接触角（＞150°）的类金刚石薄膜技术应用于内机壳滚轮表面，大大地提高了内机壳耐摩擦、磨损及抗异物黏结能力，可防止装配过程中的卡死，有效提高了部件服役周期。
2.6 转子的可靠性设计
通过对合成气压缩机的各个叶轮进行叶轮静强度、叶轮与主轴的过盈量、叶轮的动力特性等可靠性分析及结构优化，使得各个叶轮材料具有足够的静强度储备，叶轮与主轴之间给定的过盈量足以传递相应的扭矩，叶轮叶片不会与定子部分发生共振，叶轮具备合格的动力特性。根据该机组运行特性和技术特点，进行了轴系转子动力学分析方法和计算程序的完善与改进。针对合成气压缩机转子进行了横向振动分析，以及轴承和转子的结构优化。考虑到旋转叶轮内气体激振现象，研究了合成气压缩机转子的稳定性问题。完成了正常运转轴系和事故工况轴系的扭振分析与校核。同时对叶轮长周期使用中的固有频率干涉等现象进行了分析研究，保证了机组全工况下的运行可靠性。
2.7 驱动机的创新设计
根据煤化工领域用工业汽轮机大容量、高转速、高参数的特点，运用反动式设计原理，对工业汽轮机内部通流结构进行优化设计，对机组高低压缸进行优化组合，进行转子前后支撑的校核计算，设计开发了新型可靠的轴承座结构和科学的汽封设计，提高机组的整体内效率、可靠性。针对高转速精密核心部件——汽轮机转子（转速6936 r/min，振动值20 μm）
的工作特点，分别采用了末级大型扭叶片激光选区性制造工艺技术、大型静叶片工艺攻关，动叶片力矩测量方法研究，大型排汽缸的整体焊接工艺技术，以及调节汽阀的激光双金属复合制造工艺技术及攻关等，满足了大吨位高转速条件下工作的叶片、汽阀、汽缸等关键部件的抗气蚀性能、密封性能及抗振动性能等特殊性能要求。
3 合成气压缩机组运行情况分析湿电除雾器
3.1 机组运行概况
频率控制字
甲醇合成装置二系列于2016年9月下旬开车，9月21日启动221压缩机组，合成催化剂升温，9月24日产出合格甲醇产品。甲醇合成装置一系列于2017年3月初开车，211压缩机组于2017年3月2日氮气工况启动，合成单元开始催化剂升温还原，3月10日产出粗甲醇产品。此后，两系列甲醇装置一直处于高负荷连续运行状态，两台机组各项运行参数稳定，总体运行平稳。
221压缩机组开车以来始终保持高负荷平稳运行，各项参数均较正常：透平轴位移-0.015 mm～0.03 mm（高报警值 H：±0.56 mm，高高报警值 HH：0.8 mm），透平前后支撑轴
承振动为 18 μm～20 μm （H：52.9 μm，HH：77.6 μm），轴瓦温度 62 ℃～93 ℃（H：105 ℃，HH：115℃）；压缩机轴位移 0.13 mm～0.24 mm（H：±0.5 mm，HH：0.7 mm），前后支撑轴承振动为 11 μm～18 μm（H：63.5 μm，HH：88.9 μm），轴瓦温度 54 ℃～77 ℃（H：105℃，HH：115℃）。211压缩机组自一次投料成功后，也一直处于高负荷平稳运行状态，在一年多的运行中，透平的轴位移维持在0.02 mm～0.04 mm，前后轴承轴振动为 10 μm～20 μm，前后轴瓦温度为 65 ℃～85 ℃；压缩机轴位移0.13 mm～0.24 mm，前后轴承轴振动为11 μm～24 μm，前后轴瓦最高温度 60 ℃～80 ℃。
3.2 机组能力及功耗
221和211两机组开车以来，大部分时间负荷维持在100%～110%，并都曾突破设计上限运行，机组在各种负荷下的耗蒸汽量均小于设计值。
为适应不同煤种所致的合成气组分差异，机组设计覆盖了CASE1、CASE2以及对应的催化剂初期（SOR）、催化剂末期（EOR）和氮气还原REDUCTION工况。机组性能保证点按EOR-2考虑，机组最大负荷为110%SOR-1。具体运行情况如下：
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