裂解气离心压缩机能效诊断方法

(机械工业仪器仪表综合技术经济研究所 网络控制研究中心， 北京 100055)

符号说明

η——压缩机效率，%

P内——压缩机裂解气内功率，kW

P内i——压缩机各压缩段的裂解气内功率(i=1～5)，kW

Ps——压缩机轴功率，kW

P——压缩机输出功率，kW

Pi——压缩机各压缩段输出功率，kW

ηpo——压缩机内效率，%

ηpoi——压缩机各压缩段内效率(i=1～5)，%

Y——压缩机各压缩段包含的压缩级数

qm——裂解气的工况质量流量，kg/s

m——多变压缩指数

mi——各压缩段的多变压缩指数(i=1～5)

Z1——进气条件下压缩系数

Z2——排气条件下压缩系数

T1——进气温度，K

T2——排气温度，K

ε——单级压缩比

ε总——单个压缩段的总压缩比

ε总i——各压缩段的总压缩比(i=1～5)

p1——进气压力，MPa

p2——排气压力，MPa

κ——绝热指数

κi——各压缩段的绝热指数(i=1～5)

κ入——入口绝热指数

κ出——出口绝热指数

离心压缩机是常见的气体压缩设备之一。受设计、制造、安装、操作等过程因素影响，离心压缩机运行时常因喘振、转子不平衡、转子重心改变、联轴器不平衡、轴承座松动、压缩机的基础松动或转子弯曲等引起异常振动故障，需要进行检修才能恢复正常使用，影响了装置的长周期安全运行[1-2]。

基于能效的设备诊断方法，根据振动会造成压缩机能量损失，对压缩机振动与压缩机的能效进行关联，通过监控压缩机运行过程中的能效，达到提前发现异常，找到对应的故障和改进点，然后进行故障排除的目的，可有效提高企业的生产率并降低能源消耗[3-4]。

应用基于能效的设备诊断方法，对抚顺石化乙烯装置裂解气压缩机进行能效诊断计算。选取裂解气离心压缩机的效率作为能效诊断评价指标[5-6]，通过逐一计算裂解气离心压缩机各个压缩段的效率，获取了整个裂解气压缩机的效率。将计算得到的整机效率确定为启动压缩机检修的效率判断依据， 保证了裂解气压缩机长时间运行的同时，最大限度减少了检修工作。

1 乙烯裂解压缩机能效诊断评价指标

裂解气离心压缩机的效率按照式(1) 计算。

(1)

其中

(2)

(3)

(4)

(5)

ε=ε总1/Y

(6)

(7)

(8)

2 裂解气离心压缩机能效诊断模型

裂解气离心压缩机能效诊断模型见图1[7-10]。裂解气离心压缩机输入低压裂解气，输出高压裂解气。通过压缩做功过程， 压缩机输入的透平轴功率大部分转化为裂解气的内功率，同时伴有叶轮盖处裂解气泄漏和叶轮内外壁面与气体摩擦产生的能量损失。

图 1 裂解气离心压缩机能效诊断模型

3 裂解气离心压缩机能效诊断计算[11-13]

3.1 乙烯裂解装置概况

中国石油天然气股份有限公司抚顺石化分公司(简称抚顺石化)乙烯装置采用美国S&W公司专利技术设计，由80万t/a乙烯裂解和40万t/a裂解汽油加氢2个部分组成[14]。乙烯裂解部分由原料预热、裂解、急冷、压缩、冷分离、热分离、制冷、废碱氧化、汽油加氢和公用工程等工艺单元组成[15]。乙烯裂解部分主要设备裂解炉为USC型管式裂解炉，急冷油塔、急冷水塔及碱洗塔采用S&W公司的波纹塔盘。低压裂解气采用离心压缩机，分五段逐级完成压缩升压[16]。

3.2 计算输入条件

抚顺石化的乙烯裂解装置裂解气压缩共有5个压缩段，每一压缩段的压缩级数均为1，各个压缩段裂解气的质量流量、入口和出口温度、入口和出口压力、入口和出口绝热指数、进气口和出气口压缩系数等计算输入参数见表1。

表1 乙烯裂解气压缩机能效诊断计算输入参数

3.3 能效分段计算

3.3.1一段压缩

一段绝热指数K1=(1.215+1.196)/2=1.206，一段总压缩比ε总1= 0.354/0.225=1.573，一段内效率ηpo1=lg(0.354/0.225)/lg(359.7/313.2)/[1.206/(1.206-1)]=56.1%，一段多变压缩指数m1=1/[1- lg(359.7/313.2)/ lg(0.354/0.225)]=1.439，一段压缩机输出功率N1=9.807×10-3×89.78×1.439/(1.439-1) ×29.8×(0.995+0.993)/2×313.2×[1.573(1.439-1)/1.439-1]=3 962.88 (kW)，一段内功率N内1=3 962.88/0.561=7 063.96 (kW)。

3.3.2二段压缩

二段绝热指数K2=(1.223+1.204)/2=1.214,二段总压缩比ε总2= 0.571/0.33=1.730,二段内效率ηpo2=lg(0.571/0.330)/lg(357.9/310.1)/[1.214/(1.214-1)]=67.6%，二段多变压缩指数m2=1/[1- lg(357.9/310.1)/ lg(0.571/0.330)]=1.353，二段压缩机输出功率N2=9.807×10-3×86.92×1.353/(1.353-1) ×29.8×(0.991+0.989)/2×310.1×[1.730(1.353-1)/1.353-1]=4 578.38(kW)，二段内功率N内2=4 578.38/0.676=6 772.75(kW)。

3.3.3三段压缩

三段绝热指数K3=(1.232+1.215)/2=1.224，三段总压缩比ε总3= 1.005/0.543=1.851，三段内效率ηpo3=lg(1.005/0.543)/lg(359.2/310.7)/[1.224/(1.224-1)]=77.6%，三段多变压缩指数m3=1/[1- lg(359.2/310.7)/ lg(1.005/0.543)]=1.309，三段压缩机输出功率N3=9.807×10-3×83.72×1.309/(1.309-1) ×29.8×(0.984+0.980)/2×310.7×[1.851(1.309-1)/1.309-1]=4 933.04(kW)，三段内功率N内3= 4 933.04/0.776=6 357.01(kW)。

3.3.4四段压缩

四段绝热指数K4= (1.250+1.236)/2=1.243，四段总压缩比ε总4= 1.880/0.971=1.936，四段内效率ηpo4=lg(1.880/0.971)/lg(359.9/310.8)/[1.243/(1.243-1)]=87.7%，四段多变压缩指数m4=1/[1- lg(359.9/310.8)/ lg(1.880/0.971)]=1.287，四段压缩机输出功率N4=9.807×10-3×80.40×1.287/(1.287-1) ×29.8×(0.970+0.963)/2×310.8×[1.936(1.287-1)/1.287-1]=5 032.16(kW)，四段内功率N内4=5 032.16/0.877=5 737.92(kW)。

3.3.5五段压缩

五段绝热指数K5= (1.329+1.314)/2=1.322，五段总压缩比ε总5= 4.071/1.630=2.497，五段内效率ηpo5=lg(4.071/1.630)/lg(351.1/280.5)/[1.322/(1.322-1)]=98.9%，五段多变压缩指数m5=1/[1- lg(351.1/280.5)/ lg(4.071/1.630)]=1.322，五段压缩机输出功率N5=9.807×10-3×77.05×1.322/(1.322-1) ×29.8×(0.937+0.93)/2×280.5×[2.497(1.322-1)/1.322-1]=5 979.82(kW)，五段内功率N内5= 5 979.82/0.989=6 045.19(kW)。

3.4 整机功率计算及能效诊断

对计算出的一段～五段的分段压缩内功率求和，得到裂解气离心压缩机的整机内功率Ni=7 063.96+6 772.75+6 357.01+5 737.92+6 045.19=31 976.83(kW)。已知K-1300裂解气离心压缩机的轴功率设计值Ns为4 0171 kW，则压缩机的整机能效η=31 976.83/40 171=79.6%。根据计算的裂解气离心压缩机整机能效可以判断，当裂解气离心压缩机的效率低于79.6%时，需要检查寻找具体原因。

4 结语

为了保证裂解气压缩机长时间运行，最大限度减少检修工作，采用能效诊断的方法监控裂解气压缩机的工作状况。选取裂解气离心压缩机的效率作为能效诊断评价指标，通过计算获得了抚顺石化乙烯装置裂解气离心压缩机的正常效率值，为排除不必要检修提供了依据，为提高企业生产率和降低能源消耗提供了途径。