乙烯装置裂解气压缩系统长周期运行存在的问题

朱俊桦，曾淼洋，邵杰锋，张恒珍

（中国石化茂名分公司，广东茂名 525000）

裂解气压缩机被称为乙烯装置的“心脏”[1-3]，其主要作用是将来自乙烯裂解急冷单元的裂解气通过多段压缩，将压力提高到一定值后为深冷分离提供条件。1号裂解气压缩机采用水平剖分式结构，为三缸五段压缩。裂解气压缩机是装置能耗大户，机组运行是否平稳与经济，对装置能耗影响比较大。随着装置长周期运行，裂解气一段吸入压力增大、压缩机结垢、段间压差增大、碱洗塔结垢堵塞、干燥器水分穿透导致深冷系统水堵等问题影响了装置的长周期运行，制约了装置的高负荷生产。

1 裂解气压缩系统

裂解气压缩系统主要包括裂解气压缩、酸性气体脱除以及裂解气干燥三部分。其目的是将急冷系统来的裂解气经裂解气压缩机加压，使沸点较高的烃组分在较低温度下得以分离。同时，脱除裂解气中的少量酸性气体、相当数量的水分和重质烃。裂解气压缩工艺流程主要包括裂解气逐段增压、净化、干燥、脱丙烷和碳二加氢系统，在压缩机四段出口分别对裂解气进行脱除酸性气、水分、分离碳三及其以上组分和脱除乙炔。

2 裂解气压缩机一段吸入压力升高

随着裂解气压缩机长周期运行，一段吸入压力缓慢升高，压缩机内垢物不断积累，叶轮表面的粗糙度随之增加，气体流通面积减小，从而使气体在流过压缩机时，流动损失能、漏气损失能以及叶轮外表面转动时与气相摩擦产生的轮阻损失能等都相应增加，最终使得压缩机多变效率下降，压缩机出口温度上升。通过对压缩机各段N因子的监控，可以大致了解压缩机各段的结垢情况[4]。

裂解气压缩系统一段吸入压力设计值为30.01 kPa（裂解炉设计投料负荷为135 t/h），2016年检修前压力为60.01 kPa（裂解炉负荷为134.17 t/h）。在裂解炉投料负荷相近的情况下，随着一段吸入压力的升高，透平凝液量随之增加而抽气量相应减少，造成压缩机运行能耗增加。此外，一段吸入压力高还会导致烃的停留时间变长，裂解炉结焦速度变快，清焦周期缩短，裂解反应生成乙烯和丙烯选择性差等问题。

2.1 一段吸入压力升高原因分析

压缩机内结垢、排出管线结焦、段间冷却器结焦、压缩机转速过慢、投料负荷大、系统存在内漏都会造成一段吸入压力过高。图1是压缩机2011—2017年一段吸入压力与投料负荷随时间的变化趋势，由图1可知投料负荷不是影响一段吸入压力持续升高的主要原因。

图1 一段吸入压力与裂解炉负荷随时间的变化趋势

根据压缩机N因子变化情况，以及2016年大修进行压缩机本体和排出管线清焦后，一段吸入压力由检修前60.01 kPa（裂解炉负荷为 134.17 t/h）下降至47.29 kPa（裂解炉负荷为142.81 t/h），因此，一段吸入压力升高是由于压缩机长周期运行，压缩机、排出管线和排出冷凝器结垢导致。

N因子数值越大，说明压缩机能力越小，即压缩机段内结垢程度越严重。N因子计算如式（1）：

式中：Ps，Pd分别为各段的吸入和排出绝对压力；Ts，Td分别为各段的吸入和排出绝对温度。

图2为裂解气压缩机各段N因子自2011年以来变化趋势。

由图2可知，2011—2016年一段N因子变化不大；二段、三段有缓慢升高的趋势，二段N因子由2011年的1.264 0增长至2016年的1.298 8，增幅为2.7%，三段N因子由2011年的1.264 2增长至2016年的1.289 5，增幅为2%；四段的N因子增速较快，由2011年1.339 1增长至2016年检修前的1.597 4，增幅达到19.28%。

2016年装置大修对压缩机本体和排出管线进行清焦之后，二段、三段和四段N因子都有所下降，特别是四段N因子由检修前1.597 4下降至1.308 0，下降非常明显，说明四段结垢非常严重。

2.2 解决措施

裂解气压缩机注入洗油只能防止垢物聚积，不能阻止垢物产生。洗油以液滴形式分散于裂解气中，形成一层油膜，防止垢物附着在压缩机表面并利用相似相溶原理，使聚合物溶于洗油，通过段间冷却罐排出，最终达到相对防垢的目的。为了彻底防止压缩机结垢，在洗油中加注微量的阻聚剂，阻聚剂能阻止裂解气中的不饱和双烯烃聚合结垢，达到从根本上防止压缩机结垢的目的。

2.2.1 压缩机阻聚剂注入调整

裂解气压缩机于2007年9月开始使用阻聚剂，厂家推荐一、二段注入量为5 μg/g，三段注入量为6 μg/g、四段注入量为7 μ g/g，连续注入即可防止压缩机结垢，折算单耗为0.069 kg/t乙烯。

由于在2011—2016年运行周期内出现四段N因子持续增长，压缩机振动异常增高，对此不断优化调整阻聚剂的注入量，由0.069 4 kg/t乙烯提高至0.150 3 kg/t乙烯（详见表1），确保了压缩机稳定运行。

表2为企业一和企业二使用阻聚剂LT-7情况，其单耗分别为0.163 6 kg/t乙烯和0.138 0 kg/t乙烯，阻聚剂注入量分别为茂名厂家推荐的0.069 kg/t乙烯的237%和200%。

表1 压缩机阻聚剂用量情况

表2 不同企业使用L阻聚剂情况

由于裂解原料的轻质化，裂解汽油收率下降导致裂解气压缩机四段结垢严重，对比其他企业L阻聚剂使用情况，为了有效控制裂解气压缩机结构问题，确保裂解气压缩机高负荷稳定运行，将L阻聚剂注入量由0.069 kg/t乙烯调整至0.116 kg/t乙烯，具体加剂方案为一段注入量为6 μ g/g，二段注入量为8 μ g/g，三段注入量为8 μ g/g、四段注入量为12 μ g/g。

2.2.2 压缩机分散剂的注入调整

2011—2016年，由于压缩机内部已存在焦粉和微量垢物，并成为聚合物包裹的中心，加速了聚合结垢。为了尽快将这些杂物清理干净，在运行周期内加入了少量分散型压缩机阻聚剂，加强了助剂的分散清净功能，并保留了助剂的抗氧阻聚功能。

分散剂注入浓度为5%～8%，注入分散剂量不易过急过大，以防止出现大焦垢脱落，引发叶轮不平衡，使机组振动加剧。通过使用分散剂，有效清除并抑制了垢物在压缩机上的积累，确保了裂解气压缩机的长周期稳定运行。

2.2.3 压缩机洗油注入调整

压缩机洗油注入能有效防止垢物在压缩机内聚集，注入量通常为裂解气质量流量的2%～3%。2011年洗油注入总量约500 kg/h，随着原料轻质化，洗油注入量满足不了压缩机的长周期运行，通过更新洗油注入泵提高注入能力，增加洗油注入点提高注入量等措施，目前洗油注入总量约为1 955 kg/h，裂解气压缩机四段注入量为400 kg/h，有效控制了压缩机的N因子增长。

2.3 裂解气压缩机透平运行成本

表3为公司内部结算蒸汽的价格。压缩机透平运行成本Y计算公式见式（2）。

式中：Y为运行成本，元/（h·t裂解炉负荷）；F1为超高压蒸汽进汽量，t/h；F2为高压蒸汽进汽量，t/h；ySHP、yHS、yCD为超高压蒸汽、高压蒸汽、凝液的价格，元/t；H为裂解炉单位负荷，h。

表3 不同等级蒸汽价格

表4为裂解气压缩机近几年的运行成本。由表4可知，随着压缩机长周期运行，压缩机叶轮、排出管线和段间冷却器结垢日趋严重，运行成本呈增大趋势。对比2016年检修清焦前后，运行成本由检修前72元/（h·t裂解炉负荷）下降至61元/（h·t裂解炉负荷），年经济效益为840万元。

3 段间冷却器结垢

3.1 段间冷却器阻力降变化情况

裂解气压缩机为五段压缩，在一段、二段、三段和四段排出设置段间水冷却器，以带走裂解气压缩过程中的温升，降低各段吸入温度，降低压缩机功耗。由于裂解气中含有丁二烯、苯乙烯等不饱烃类物质，在压缩过程中更易发生结焦和结垢，随着长周期运行，冷却器的结垢和结焦越趋严重，严重时甚至堵塞冷却器导致压缩机喘振[6]。

表5为各段换热器2016年检修时排出管线和换热器进行清焦前后的压差变化情况。由表5可以看出，一段、三段和四段换热器压差下降明显，一段排出冷凝器由检修前33 kPa下降至17 kPa，三段排出冷凝器由检修前38 kPa下降至28 kPa，四段排出冷凝器由检修前110 kPa下降至45 kPa。

表4 裂解气压缩机透平运行成本变化

表5 检修前后段间压差变化情况

图3为2016年检修时四段排出冷却器芯，可见四段换热器壳层工艺侧堵塞严重。2011—2016年运行周期内，四段排出冷却器最高压降为280 kPa。

图3 四段排出冷却器芯

3.2 段间换热器结垢原因及解决办法

通过对换热器垢物分析发现，聚合垢物含量在65%～80%，主要由聚苯乙烯和聚丁二烯组成。为了减缓冷却器结垢速率，减小段间阻力降对压缩机功率的影响，保证裂解气压缩机各段洗油和阻聚剂的注入量，控制聚合物的集聚和聚合速度。针对三段排出和四段排出冷却器有备用换热器，实时监控各段冷却器压差的变化情况，定期清焦。

4 排出管线结垢

4.1 排出管线结垢原因分析

近几年，随着裂解原料的轻质化，加氢料减少，压缩机内部获得芳烃洗油量减少导致裂解气在压缩升温的条件下，裂解气中不饱和烯烃等组分在多变压缩过程中、压缩机排出管线、段间换热器内会积累大量聚合物，最终导致压缩机段间压力损失增大，压缩机运行效率降低，严重时将导致机组被迫停工，严重制约压缩机的长周期平稳运行[7]。

4.2 水刀切割清焦前后压缩机运行情况

由于裂解气压缩机排出管线结焦组分主要是丁二烯、聚芳烃等聚合物，按照常规检修清焦方法，须动火将排出管线分段切断进行清焦处理，在动火处理过程中存在聚合物燃烧的风险。水刀切割技术是通过超高压发生器将水加压到300 MPa以上，通过一个专用的切割喷头从极细的小孔中喷出，对管线进行切割加工的一种现代制造技术。水刀切割时不产生热量和有害物质，管线切割后易于恢复，处理过程安全、环保、速度快、效率高[8]。

2016年裂解装置大检修时，应用水刀切割技术对裂解气压缩机一段、二段、三段和四段排出管线及压缩机本体进行清焦。清焦过程发现各段排出管线不同程度的出现结焦，四段排出管线结焦尤为突出，管线最大结焦厚度达到管线直径的30%左右，一段、二段和三段在2.0%～7.8%之间。

表6为裂解气压缩机排出管线清焦前后压缩机各段的运行情况。由表6可见，通过压缩机本体的通流部分和段间排出管线清焦后，段间压力损失明显下降，一段压力损失由检修前34.0 kPa下降至17.1 kPa，四段压力损失由308.9 kPa下降至230.9 kPa，其中一段、三段、四段的压力损失甚至低于设计值。压缩机二段、三段、四段的多变效率均较检修前有所上升，最明显的是四段多变效率自检修前50.7%上升到检修后的83.1%，提升了32.4百分点，进一步验证了压缩机四段及四段排出管线结焦严重。压缩机总运行功率由检修前16 163 kW下降至14 684 kW，节能效果明显。

表6 裂解气压缩机排出管线清焦前后运行情况

5 碱洗塔堵塞

碱洗塔自1996年运行至今，曾先后多次出现堵塞现象[9-12]。其中，2011—2016年运行周期内，从2014年4月份开始，碱洗塔强碱段、弱碱段碱样出现异常，主要表现是强碱浓度偏低，一般在5.0%～7.5%之间，弱碱浓度偏高，多在3%～5%。2014年11月开始出现强碱段液位缓慢上涨的现象，强碱段碱液未能正常溢流至弱碱段，碱洗塔弱碱段开始出现堵塞。强碱段液位频繁波动，随之弱碱段液位，塔压差也波动频繁，弱碱段浓度偏高，强碱段浓度偏低，液泛严重时则水洗段pH值超标呈强碱性，严重影响装置正常运行。

5.1 碱洗塔堵塞原因分析

2016年裂解装置停车检修，进塔检查时发现，碱洗塔塔盘完整，没有塔盘脱落现象，碱洗塔弱碱段第26/27/28块塔盘上积累有大量聚合垢物，堵塞在塔盘固阀通道内，导致弱碱段气相流通面积减少，弱碱段顶部液相无法正常溢流，进而导致强碱段液相无法通过降液管正常溢流到弱碱段，弱碱段液位降低，强碱段液位高，碱洗塔压差高的堵塔现象[13]。图4为检修时碱洗塔内弱碱段第26块塔盘正面和反面。

图4 碱洗塔T-340第26块塔盘

碱洗塔入口温度只能通过压缩机四段排出冷凝器控制，碱洗塔进料为裂解汽油的饱和馏分，碱洗塔入口温度过低会导致烃类在碱洗塔内冷凝，重烃在碱洗塔聚合反应加剧；入口温度过高则会使原本应该在段间冷却器冷凝下来的双烯烃和重烃进入到碱洗塔，在碱洗塔内冷凝集聚。

裂解气压缩机段间冷却器应是最大限度的冷凝，分离出烃液重组分和水分，但由于碱洗塔灵敏板温度控制在48.9℃，如果裂解气进料温度控制太低容易导致碱洗塔灵敏板温度太低，所以不得不提高碱洗塔入口温度。表7为在不同碱洗塔入口温度下裂解气的主要组成部分，由表7可以看出，碱洗塔入口温度越高，更多的碳四及碳五的重组分进入碱洗塔，增大了碱洗塔内黄油生成量。

表7 碱洗塔在不同入口温度下的裂解气组成

5.2 解决措施

在碱洗塔运行过程中，通过注入黄油抑制剂、增加注冲洗油的频率、投锅炉给水冲洗波动方法，可以有效抑制黄油的生成，缓解塔盘堵塞问题。为从根本上解决黄油产量大导致塔盘堵塞的问题，在裂解气在进入碱洗塔之前通过段间冷凝器充分冷凝双烯烃及重组分，然后通过过热器过热5℃左右进入碱洗塔，避免重组分在碱洗塔内冷凝，从而减少碱洗塔黄油的生成量。改造流程如图5所示。由于段间冷凝器的充分冷凝，可以减少双烯烃和重烃进入后系统，在一定程度上降低了高压脱丙烷塔、低压脱丙烷塔和脱丁烷塔负荷。

图5 改造后碱洗塔流程

6 干燥器水分穿透

6.1 干燥器水分穿透及应对措施

2015年12月开始深冷分离后系统乙烯精馏塔频繁出现冻堵现象，具体表现塔压差增大，塔釜液位波动等。由于裂解气气相和液相干燥器分子筛已运行5年，分子筛水吸附性能下降，干燥器出口含水量超标，出口物料带水量增长迅速，以致水进入后系统。虽然碳二加氢辅助干燥器能起到保护作用，但是没有备用床，在其切出再生时，使得水分进入后系统变得更加容易，水分逐渐在乙烯精馏塔内富集，最终导致乙烯精馏塔出现冻堵现象。

乙烯精馏塔发生冻堵时通过注入甲醇可以解决一时的冻堵问题，但是无法从根本上解决。在乙烯塔注入甲醇时，一方面给乙烯精馏塔操作带来一定的问题；另一方面，甲醇随塔釜乙烷进入乙烷裂解炉会对乙烷裂解炉造成不利的影响，氧化物进入乙烷炉加速炉管结焦，同时可能导致一氧化碳波动引起碳二加氢漏炔影响产品质量问题。通过调整气相干燥器和液相干燥器的运行周期从48 h至36 h，优化干燥器升、降温速度，升、降压速度，规范切换和再生操作程序，后系统乙烯塔水冻堵问题得到根本解决。

6.2 干燥器水分穿透原因

随着长周期运行，干燥器分子筛吸附性能下降，水分穿透，其原因主要为分子筛粉化造成[14-15]。分子筛的粉化造成分子筛晶体结构的破坏，降低了分子筛的脱水能力。分子筛在加热、冷却过程中，由于不断地膨胀和收缩，分子筛间的磨损导致其不断的粉化。运行过程中，由于阀门故障导致气体压力突然增大或降低时，干燥器内的分子筛也会产生破裂。分子筛在干燥器中使用几个月后，会压实且变得紧密，干燥器内留下的间隙给分子筛活动创造了空间，在一定程度上导致了分子筛粉化。干燥器再生时，如果重组分没有在升温前解吸，则经过加热再生时可能会发生结焦现象，由于焦炭与分子筛的热膨胀系数不同，也可使分子筛变成粉末状。

分子筛粉化后导致床层活动空间加大，床层随着交变的气流做活塞运动，在降压或增压初期整个床层冲击丝网，损坏干燥器部件。分子筛粉化导致床层分布不均匀，造成整个床层的压差增加，导致局部偏流，造成干燥效果变差，原料气含水量超标，导致低温分离单元出现冻堵现象。分子筛粉尘随再生气进入冷却器内，堵塞冷却器管束，导致再生气系统循环不畅，再生气量减少，影响分子筛的脱水效果，造成恶性循环。分子筛粉末随裂解气进入装置下游，会产生堵塞，使冷箱压差增大。

7 结论

在裂解气压缩机长周期运行中，一段吸入压力和N因子出现增长的趋势，三段和四段换热器由于结垢导致段间压差上涨，压缩机排出管线结焦导致的压缩机段间压降增大，压缩机透平运行效率下降，运行成本不断增加。通过不断优化压缩机的洗油和阻聚剂的注入量，做到预防结垢和在线除垢同时进行，有效预防N因子上升。根据压差变化情况，定期切出清焦，确保了机组的稳定运行。通过注入黄油抑制剂，增加注冲洗油的频率，投锅炉给水冲洗波动等方法，有效抑制黄油的生成，缓解塔盘堵塞问题。通过调整干燥器运行周期、优化干燥器升、降温速度，升、降压速度，规范切换和再生操作程序，根本解决后系统乙烯塔水冻堵问题。