乙烯制冷压缩机不同型式吸入罐设计对比分析

金 山 宋 磊 常成维 吴德娟

中国寰球工程有限公司北京分公司 北京 100012

乙烯机作为乙烯装置中制冷系统的核心，通过对多股不同压力、温度的工质进行压缩、冷却冷凝、减压闪蒸、气化、再压缩，形成多个逆卡诺循环，可提供多个级位的冷冻量。

乙烯机通常设有排出段至吸入段的防喘振控制，以维持各段气量始终高于可能引起喘振的流量。当乙烯机吸入段流量逼近该段的喘振值(曲线)时，防喘振控制器将根据流量调节器的输入信号，指令打开防喘振阀，将出口气体分出一股，引回至该吸入段的吸入罐。由于压缩机出口为高温气体，返回至低温操作的吸入罐势必造成压缩机吸入气体温度升高，进而导致压缩机排出温度升高，严重时甚至引发高温停车联锁。因此当防喘振阀打开时，需控制压缩机吸入罐的操作温度以保持压缩机的平稳运行。

目前主要采用的有“喷淋式”、“虹吸式”和“浸没式”三种温度控制方案，三种温度控制方案也对应着不同的吸入罐型式，下面对这三种型式吸入罐的设计进行分析和对比。

1 “喷淋式”吸入罐设计

“喷淋式”是指在乙烯机吸入罐的防喘振线入口处设置激冷喷淋管线和温度控制阀，通过喷入液相乙烯的气化，吸收乙烯机出口返回的高温气体热量，从而达到降低乙烯机吸入温度的目的，该控制方案见图1。

图1 “喷淋式”温度控制方案

由于“喷淋式”主要依靠防喘振线入口处设置的激冷喷淋管线控制温度，故吸入罐可以按照带有丝网除沫器的立式气液分离罐进行设计。

根据《气-液分离器设计》HG/T 20570.8-95，气体流速对分离效率是一个重要因素[1]。因此首先可按式(1)计算丝网自由截面积上的气体流速：

(1)

式中,uG为与丝网自由横截面积相关的气体流速，m/s；ρG、ρL为气体密度和液体密度，kg/m3；k为常数，通常取值为0.107。

由式(1)求得的uG，按式(2)可求得丝网直径。

(2)

式中，DG为丝网直径，m；VG为气体体积流量，m3/h。

由于安装原因，容器直径须比丝网直径至少大100mm，由此可以得到吸入罐的最小直径。

容器的切线高度可分为气体空间高度和液体空间高度，液体空间高度可根据相邻液位控制点间(如LLL-NLL，NLL-HLL，HLL-CSO)的停留时间，按式(3)进行计算：

(3)

式中,HL为液相空间高度，m；t为停留时间，min；D为容器直径，m；VL为液体体积流量，m3/h；LLL为低液位；NLL为正常液位；HLL为高液位；CSO为高液位。

相邻液位控制点间的停留时间应根据工艺操作要求来确定。

对于气相空间高度，有文献认为与气液分离器直径相当即可[2]，即

HG=(0.8～1.2)D

(4)

当然，气体空间高度也应综合考虑适当的长径比、接管尺寸、丝网除沫器厚度等因素来确定。

由此便基本完成了“喷淋式”温度控制方案下的吸入罐的尺寸设计。

2 “虹吸式”吸入罐设计

“虹吸式”是指防喘振管线在防喘振阀后至进吸入罐之前形成一个低于吸入罐底部切线标高的凹型下袋，再从吸入罐底部引出一股液相作为激冷液补充线自底部接入凹型下袋的水平段管线，这样凹型下袋管线就与吸入罐相连通，形成了一个类似U型管液封型式的激冷循环回路。当防喘振阀打开时，热返回气与U型管中激冷液接触换热并使其部分气化以达到降温的目的。同时当返回气快速流经U型管底部的补液点时，将形成喷射器效应，使吸入罐中液体可以迅速补充至激冷循环回路。该控制方案见图2。

图2 “虹吸式”温度控制方案

需要注意的是，与热虹吸再沸器类似，激冷循环回路底部的水平段管线标高，须低于吸入罐底部切线标高足够的距离(Δh)，以保证吸入罐内液位有足够的静压头作为推动力，使激冷循环回路中的流体可以克服系统阻力以返回到吸入罐中。

由于温度控制措施设置在防喘振管线上，“虹吸式”吸入罐的设计可以参照“喷淋式”吸入罐的设计方法。

3 “浸没式”吸入罐设计

“浸没式”是指将高温返回气直接通入吸入罐的液相空间，通过设置在吸入罐底切线位置的分布器进行鼓泡与吸入罐内液体进行换热，将部分液体气化，以达到控制吸入罐温度的目的。该控制方案见图3。

图3 “浸没式”温度控制方案

“浸没式”吸入罐设计可参照“喷淋式”吸入罐的设计方法(式(1)，式(2))来确定吸入罐的最小直径，再合理选择吸入罐的实际直径，并根据实际直径和停留时间，按式(3)计算各相邻液位控制点间的液相空间高度。

同时，基于“浸没式”的特点，为防止高温返回气在吸入罐内液相空间鼓泡换热及气化过程中造成液位波动，严重时可能产生液滴迸溅进入气相空间，液滴随气相被带入压缩机损坏设备，“浸没式”吸入罐通常在停车液位上方还设置了膨胀液位，以增加气相空间，避免此类情况发生。

根据经验公式(5)可计算膨胀液位高度。

H2=(avg+b)H1

(5)

式中,H2为低液位至膨胀液位之间的高度，mm；H1为低液位至停车液位之间高度，mm；vg为实际气相流速，m/s；a、b为经验常数。

实际气相流速可基于气体体积流量和吸入罐实际直径对应的横截面积计算得出。

“浸没式”吸入罐内分布器型式见图4。

图4 “浸没式”吸入罐分布器示意图

分布器主管与防喘振气接口尺寸一致，主管上对称布置有多个分支管，分支管底部可对称开孔或开有凹槽作为防喘振气鼓泡的出口。分布器上总的开孔面积应与主管截面积近似相等，或略小于主管截面积，以避免鼓泡气体流速过快，造成吸入罐内液面波动剧烈。需要注意的是，在吸入罐的尺寸设计时，应考虑到分布器所需开孔面积的大小，这也对应着分布器分支管线的个数与长度，这将影响分布器所占面积。在选择吸入罐的实际直径时，需考虑吸入罐截面积可容纳分布器所占面积。

4 “喷淋式”、“虹吸式”和“浸没式”的对比分析

通过以上“喷淋式”、“虹吸式”和“浸没式”吸入罐设计的分别阐述，可以看出，“喷淋式”主要依靠于防喘振线返回处设置的激冷喷淋管线，因此对喷嘴的质量要求较高，如果喷嘴效果不好，可能造成激冷液气化不完全，带液进入吸入罐，造成吸入罐液位及温度波动，严重时联锁停车。但“喷淋式”对吸入罐设计要求不高，吸入罐设计较为简单，按照一般气液分离罐设计即可。

“虹吸式”则依靠防喘振管线上设置的激冷循环回路达到控温目的，因此激冷循环回路的水力学计算就显得十分重要，并且P&ID中需清楚标示出吸入罐和激冷循环回路管线关键位置的标高要求，以避免管道专业在配管时出现错误。“虹吸式”对吸入罐的设计同样要求不高，按照一般气液分离罐设计即可。

“浸没式”依靠防喘振气通过分布器直接进入吸入罐与其内部液相鼓泡换热，因此需要考虑分布器的罐内布置，同时由于设置有膨胀液位，“浸没式”吸入罐尺寸一般将大于“喷淋式”和“虹吸式”的吸入罐尺寸。

以上可以看出,“虹吸式”与“浸没式”一般适用于正常工况下具有一定液位的吸入罐。而对于乙烯机一段吸入罐，正常操作时一般为干罐，可考虑采用“喷淋式”设计。

同时需要注意的是，从防喘振阀至吸入罐间的防喘振管线一般管径较大，如果大量存液，一旦防喘振阀门打开，此段管线中的存液将被吹至吸入罐中，尤其对于体积较小的乙烯机一段吸入罐，大量存液的吹入将直接导致吸入罐高液位联锁跳车，严重时甚至造成液相进入压缩机，损坏设备。因此设计时一般考虑防喘振阀门安装位置高于吸入罐停车液位，且防喘振阀门两侧管线均可自导淋，防喘振阀至吸入罐之间水平管线尽可能短，以避免此段管线存液。

综上,“喷淋式”、“虹吸式”和“浸没式”吸入罐各具特点，在设计过程中也都有各自需要特殊考虑的地方，有时也需要根据业主的操作习惯来选择不同的吸入罐型式。

5 结语

本文对乙烯装置中乙烯机“喷淋式”、“虹吸式”和“浸没式”三种型式的吸入罐设计分别进行了阐述，并对三种型式的吸入罐特点进行了分析和对比，为乙烯机吸入罐型式的选择提供了借鉴和参考。