整重离心压缩机组过程分析及节能优化探讨大学论文.docx

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整重离心压缩机组过程分析及节能优化探讨大学论文

重整离心压缩机组过程分析

及节能优化探讨

摘要：

本文通过分析影响装置两台离心机组能耗的因素出发，对过程适当简化后进行分析。

结果表明，在满足工艺及机组安全稳定运行要求的前提下，可通过减小K202一段和二段防喘阀开度、降低压缩机各入口空冷冷后温度、加强部分管线保温、降低系统压降、用氢流程优化五种途径降低压缩机的能耗。

依据本装置目前的实际情况，提出对空冷A201、A202、A203进行改造使冷后温度可控及再生部分用氢流程改动的建议。

关键词：

离心机组；过程分析；节能

（综观全文，应该改题名为压缩机组过称热力学分析，因为所有过程均进行的是热力学分析，动力学几乎没有什么涉及，所以应该加深过程的动力学方面的分析和探讨。

）

催化重整是石油炼制的主要生产过程之一，用于生产高辛烷值汽油、富氢气体及芳烃等产品。

中石化青岛炼油化工有限公司于2008年建造并一次投产成功的1500Kt/a连续重整装置，采用UOP三代超低压连续重整反应与再生工艺技术。

装置共有2台多级离心压缩机组，分别是重整循环氢压缩机K201（BCL904+BCL905）和增压氢压缩机K202（BCL707+BCL708）。

重整产物分液罐D201顶气体经K201一段4级压缩后进入二段5级压缩，出口气体一部分作为循环氢在反应系统中循环使用；一部分作为置换气进入四反底部置换由四反下落的催化剂上所携带的烃类；剩余部分气体经空冷A202至分液罐D202分液，D202顶部气体经增压机K202一段7级压缩后，再经空冷A203冷却，进入K202二段入口分液罐D203分液，再进入二段8级压缩后，与经泵升压后的重整生成油进行再接触。

再接触罐D204顶分离出的氢气一部分至装置再生部分用作还原气、再生剂提升气和闭锁料斗增压气使用。

另一部分经脱氯后，少量去本装置预加氢部分作为补充氢，其余部分进氢气管网供加氢装置使用。

两台机组均以3.5MPa蒸汽驱动的背压式汽轮机（K201背压为0.45MPa，K202背压为1.0MPa）为其驱动机，其设计技术参数如表1、表2所示【1】。

由表可知两台汽轮机组设计汽耗约为176T/h，是装置3.5MPa蒸汽耗汽大户。

另外，这两台压缩机组的

表1.K201驱动机（NGS40/32）技术参数

运行点

主轴

进汽

排气

功率KW

转速r/min

流量T/h

压力MPa（G）

温度℃

压力MPa（G）

温度℃

额定点

7317

5287

82.368

3.5

400

0.6

220

正常点

6092

4570

70.236

3.5

400

0.6

220

其他点

7317

5287

93.1

3.3

3.8

0.7

223

调速范围

70%～105%

最大连续转速r/min

5551

电子跳闸转速r/min

5972

表2.K202驱动机（NGS50/40）技术参数

运行点

主轴

进汽

排气

功率KW

转速r/min

流量T/h

压力MPa（G）

温度℃

压力MPa（G）

温度℃

额定点

8144.4

7625

131.76

3.5

400

1.1

276.63

正常点

6451

7050

105.8

3.5

400

1.1

276.8

其他点

8144.4

7625

169.2

3.3

380

1.2

279

调速范围

70%～105%

最大连续转速r/min

8006

电子跳闸转速r/min

8646

机械跳闸转速r/min

8807

安全稳定运行对装置反应系统的稳定至关重要。

因此通过各种途径使其既能安全稳定运行，又能减少运行能耗是本装置节汽工作的重点。

1.影响因素分析

影响K201、K202能耗和安全稳定运行的因素很多。

由工艺方面考虑，K201需完成循环氢输送和重整产氢一段压缩的任务，K202需完成将K201出口的重整产氢增压送至氢管网的任务。

由伯努利方程可知，流体的循环和增压过程除需克服流体经过系统的阻力外，还需提供工艺系统所需的位头、速度头和压力头。

对于气体输送，属于可压缩流体流动，一般情况位头、速度头变化可忽略不计，但压头和阻力损失与流体具体流动过程有关。

压头损失应根据等温、绝热等多种不同过程通过流体的P-V-T关系积分计算。

由范宁摩擦方程可知，对特定的管路系统，系统阻力⊿Pf=B×Qv2，式中Qv为流体的体积流量。

B为流体性质（如密度、粘度等）及流体流经的相应管路、设备性质（如表面粗糙度、形状等）的函数。

一般而言，流体密度、粘度及管路的表面粗糙度越大，B值越大。

气体在管内流动，密度和速度沿管长变化，故总的阻力损失需将管线微分后计算出阻力后积分得出。

由机组安全稳定运行方面考虑，K201、K202均为离心式压缩机，必须避开喘振工况。

喘振是离心压缩机的一种特殊现象，与其结构尺寸、输送的气体性质及具体的工况等有关。

对于任何一台固定结构尺寸的离心机而言，当其转速和出入口气体性质及状态固定时，存在一个最低流量，当压缩机入口流量低于此数值时，就会产生喘振。

离心机转速降低、进气温度过高、进气压力减少、进气分子量、密度或粘度减小等因素使叶轮产生的离心力减小，导致入口段压差减小，不利于将气体吸入压缩机内，可能导致入口流量低而发生喘振；在同样叶轮离心力下，出口管线排气不畅或出口压力升高等因素会使排气量减少，从而使入口气体流量减少也可能引起喘振。

综上所述，影响K201、K202能耗和安全稳定运行的主要为其各段进出口气体的流量、性质、状态及其输送气体所经管路、设备等的压头和阻力损失。

上述因素并不是相互独立的，而是互相影响并为非线性关系。

对本装置而言，系统内气体的流动可近似视为稳态湍流状态（依据？

应该通过Re确定）。

依据装置的设计数据【2】，气体的压缩因子变化范围为0.998～1.0018，可近似视为理想气体。

系统内气体在压缩机和控制阀内的流动过程近似为绝热过程。

气体沿保温良好管线流动无阻力和热量损失，可认为其状态不变。

忽略D202、D203、D204气体的凝液对重整产气量的损失。

依据这些假定对本装置离心机组的压缩过程进行过程热力学分析，再依据实际工况对其结果进行修正，找到使K201、K202既能安全稳定运行且满足工艺要求，又能节能降耗的途径。

（考虑到使用的假定均将其考虑成为热力学的分析，其实是热力学分析，假定了以后对其分析不够，系统做的不够大，没有太考虑气体的实际的所有的状态参数，分析力度还不够，应该加强。

）

2.过程分析

稳态流动过程流体的所有参数仅随空间位置的改变而改变，与时间无关。

因此在某一特定工况下，K201、K202的各段进出口气体的流量、性质、状态等可近似认为都是常数。

为满足工艺要求及机组稳定运行，一些参数值是必须严格约束的，本文称其为过程约束量。

而另外的一些参数可以在一定范围内进行调节，本文称为过程非约束量。

2.1过程约束量分析

K201的进口压力由重整反应产物分液罐D201压力决定，而重整反应产物分液罐D201压力是关系到装置平稳操作及反应性能的重要控制参数，工艺要求必须稳定，其设计值为0.24MPa。

K202的二段出口压力由氢气管网决定，固定为2.1MPa。

重整反应及再生工艺所需的各种用氢的约束参数如表3所示。

其中重整循环氢是为了保持重整催化剂的稳定性，它能起到从催化剂上将积碳前身物清除的作用，从而减小积碳的速度，同时使石脑油以较快的速度通过反应器，并使由于吸热反应产生的温降减少。

因此循环氢量决定于催化剂上允许的积碳速度，而积碳速度又与反应的苛刻度有关。

根据实际情况选用不同的循环氢量，可以使反应在经济合理的条件下进行操作，但在实际操作中由于受到压缩机排量的限制，并为了避免操作的波动，一般很少进行调节。

本装置设计的满负荷精制油处理量178.6T/h时的循环氢量为127177Nm3/h，目前正常操作一直维持在120000Nm3/h左右。

重整产氢量主要取决于重整油处理量、原料油性质、重整反应苛刻度、催化剂水氯平衡等因素，另外也取决于管网用氢的需要。

在正常操作中主要取决于重整处理量及反应苛刻度，当处理量及苛刻度一定时，可近似认为是常数，本文设定为xNm3/h。

由前所述，工艺要求D201压力必须稳定，因此重整产氢必须经K201一段增压后再由K202继续增压全部送至管网，增压氢量过少或过多D201压力都无法稳定，因此K201、K202各段出、入口气量受到重整产氢量的约束。

另外K201、K202各段为了防喘，其入口流量必须大于发生喘振时的最小流量。

K201作为循环氢压缩机，其出口循环氢及置换气经反应系统返回入口，流量远远高于正常工况下K201发生喘振时的流量。

K202有自己的防喘振控制系统，在其一、二段出口均设置了防喘振控制阀。

当其入口流量低于喘振时的流量时，防喘控制阀会打开将出口气返回入口防止机组喘振。

由机组的设计参数和日常正常操作所得的数据分析，其一段入口最低流量约为90000Nm3/h，二段入口最低流量约为75000Nm3/h。

本文假定由一段防喘振阀返回气量为yNm3/h,二段防喘振阀返回气量为zNm3/h，其大小由防喘振阀开度决定。

置换氢、还原氢、增压氢、提升氢和预加氢补充氢为装置反应及再生部分的提供用氢，其流量要求必须稳定。

K201出口压力主要由反应系统的压降、D201压控工艺要求及K202的稳定运行要求决定。

K201作为重整反应循环氢压缩机，反应系统压降越小则循环氢回路系统的阻力损失越小，所需的K201的出口压力就越低。

K201出口又作为K202的入口，其压力过低可能导致K202一段压比过高发生喘振，危及K202机组的安全运行。

由机组的设计参数和日常正常操作所得的数据分析，K201的出口压力在0.57MPa左右，本文设定其为0.57MPa。

K202的一段进口压力由K201的出口压力及系统阻力损失决定。

由前所述，K201出口压力稳定在0.57MPa左右，工艺上不允许波动太大。

当K202一段进口压力、二段出口压力和转速固定的情况下，其一段出口压力也应稳定在设计值1.07Mpa左右。

依据上述约束条件，将K201、K202系统的各部分氢气的约束条件列出，如表3所示。

表3、K201、K202系统过程约束量表

用途

流量（Nm3/h）

最低压力（MPa）

最高压力（MPa）

重整循环氢

约120000

0.24

0.57

重整置换气

700

0.24

0.57

再生还原气

3680

0.24

2.1

再生剂提升气

830

0.24

2.1

再生增压气

平均约为750

0.24

2.1

预加氢补充氢

平均约为750

2

2.1

重整产氢

约为定值，令其为x

0.24

2.1

K202一段氢

x+y,>=90000

0.57

1.07

k202二段氢

x+z,>=75000

1.07

2.1

2.2过程非约束量分析

K201入口气体性质主要取决于重整原料性质、重整反应苛刻度、催化剂水氯平衡、入口分液罐D201的温度和压力等因素。

K202一段入口气体性质取决于K201的出口气体性质和其入口分液罐D202的压力和温度。

二段入口气体性质主要取决于K202一段出口气体性质和其入口分液罐D203的压力和温度。

重整反应发生的裂化反应越低、生成的小分子烃类越少，入口分液罐的温度越低，压力越高，则K201入口气氢纯度越高，密度及粘度越小。

当重整原料、催化剂性质及反应苛刻度基本不变的情况下，重整反应生成物的组成基本不变。

D201压力稳定为0.24MPa，其温度为重整产物空冷器A201冷后温度，取决于重整处理量、环境气温、空冷的换热面积及运行风机的台数等因素。

同理，系统要求的D202、D203压力也较稳定，其温度为其入口空冷