甲醇合成压缩机的配管研究

黄佩佩

（北京石油化工工程有限公司西安分公司，陕西西安 710075）

随着煤化工行业的迅猛发展，大型化和智能化越来越受到人们的关注，而大型煤化工企业对气体物料的输送离不开压缩机[1-5]，特别是离心式压缩机，它在化工物料的输送中占据核心位置，关乎着整个装置的开车能否顺利平稳运行。压缩机的配管设计合理性是确保机组运行前进行水压实验、管道化洗、管道吹扫和无应力配管的关键。确保管道在与机组对口中能够满足平行度和同心度的要求，螺栓能够自由传入螺栓孔。最终实现压缩机正常的运转，振动值能够控制在标准范围内[6-12]。

本文结合榆能化年产180万t甲醇合成装置，探讨了甲醇合成装置离心式压缩机配管的研究。由于该离心式压缩机是甲醇合成装置的心脏，管道设计的合理性对整个机组安装以及后续的安全平稳运行起到关键性的作用。

1 工艺流程

1.1 工程概况

本机组由GE公司生产制造，机组由一台抽凝式汽轮机和三台离心式压缩机组成，具体见图1。采用“一拖三”的模式，即利用9.8MPa的高压蒸汽驱动汽轮机，利用汽轮机和压缩机之间的联轴器带动压缩机的运行。其中汽轮机的型号为SAC1-10，正常功率为36 442kW，额定功率为41 285kW，额定转速为8 024r/min，跳闸转速为9 268r/min。

图1 压缩机示意图

1.2 工艺流程简介

甲醇合成装置有两种原料，一种是煤气化装置输送的煤基合成气，该气体中氢碳比约为1.29，主要特性为碳多氢少；另一种是天然气转化过来的合成气，该气体中的氢碳比约为4.27，主要特性为氢多碳少，两种物料实现了元素互补，最终混合后满足氢碳比为2.05～2.15。反应初期先要对催化剂进行升温，利用转化单元过来的高压饱和蒸汽在合成塔底部升温，温度达到200℃以上后慢慢退去蒸汽，向合成塔输送原料气，利用原料气放出的热量实现催化剂的活化，维持反应的继续。具体流程如图2所示，该过程有两台压缩机，一台合成气压缩机和一台煤基气压缩机，两台合成塔反应器和四台中间换热器，最后得到的甲醇为MTO级甲醇，浓度为90%以上。

图2 工艺流程示意图

2 压缩机进出口管线设计

2.1 压缩机进出口管道的布置

机组管道的布置，应能满足机组管口允许力矩和位移的要求。因为压缩机进出口管线要求是无应力对口，机组管口处法兰的平行度和同心度要严格执行压缩机厂家的要求，如厂家无要求时要执行SH3501和GB20801的有关规定，确保螺栓能够自由穿入螺栓孔为合格。由于甲醇合成压缩机相关管道均为厚壁管，因此为了确保管道水压实验、化洗、吹扫和无应力配管的顺利完成，需要在管道上设置拆卸段间。压缩机入口管道如有低点，应在低点设置集液包，并在集液包上设置高高液位和低低液位检测系统，确保进入压缩机的流体不带液体，如压缩机入口带液，在高转数时会冲击叶轮，造成叶片冲蚀，引起机组震动。

2.2 压缩机出口止回阀的设置

压缩机出口管道要设置止回阀，且止回阀应尽量靠近机组出口，一旦机组发生故障，确保机组内的流体量最少。止回阀有旋启式止回阀、轴流式止回阀，如选用轴流式止回阀时需要阀门制造厂家提供开启压力，确保止回阀能够顺利开启，止回阀最好选用法兰式的止回阀，止回阀在管道化洗和吹扫过程中需要拆除，因为拆除阀芯不能保证阀门的气密性，一旦发生气流倒流现象，就会引起压缩机转子的反转，损坏叶片。

2.3 压缩机入口过滤器的选取

压缩机入口管线上应设置过滤器，确保机组在运行前不会有杂质进入机组，损坏叶片和转子。管道过滤器有T型折流式过滤器（图3）和临时过滤器（图4），临时过滤器在拆卸滤网的过程中较为复杂，需保证拆除过程对过滤器前后管线无影响，否则需重新调整管道的无应力配管，而T型折流式过滤器只需要拆除过滤器末端的法兰盖就能将滤网拆除，因此建议选用T型折流式过滤器。同时临时过滤安装的位置应距离入口管线机组法兰处的距离不小于10m，且该过滤器只是在开车时使用，正常工况下需要拆除过滤器的丝网和骨架，只保留孔板。过滤器前后管道上要设置差压计，用于检测管道是否发生堵塞。

图3 T型过滤器示意图

图4 临时过滤器示意图

3 汽轮机进出口管线设计

本项目中汽轮机透平采用高压蒸汽进行驱动，蒸汽操作压力为9.8MPa，设计压力为11.15MPa，操作温度为515℃，设计温度为545℃。蒸汽入口管道有三个规格，分别为：管道尺寸24寸，管道厚度36mm；管道尺寸18寸，管道厚度28mm；管道尺寸10寸，管道厚度SCH100。汽轮机蒸汽管线在靠近进出口的位置处应设置可拆卸短接，以便于管道的试压、化洗、吹扫和无应力对口，同时拆卸短间的长度应能够满足蒸汽管道吹扫打靶时临时吹扫线的组装，如图5所示。

图5 汽轮机入口管线拆卸段的布置

入口蒸汽管线上温度计和压力表的安装与汽轮机入口法兰有一定的距离要求。所有压力变送器检测点（连接点）和蒸汽入口法兰之间的距离不得超过入口管道外径的30倍。在任何情况下，管线的布置都不得影响压力表的测量和检测，压力表的安装是用来检测高压警报和汽轮机跳车的。因此，压力表的安装位置必须合适且应满足上述要求，如管道设计过程中无法满足要求，需要尽快向汽轮机厂家或者工艺包厂家提出，以便厂家能够提供合理的解决措施，确保汽轮机的正常运行及在事故状态下能及时反馈信息，对汽轮机的转子起到保护作用。所有温度变送器检测点（连接点）与蒸汽入口法兰之间的距离也不得超过入口管道的30倍外径。在任何情况下，管线的布置不得影响温度变送器的测量和检测。这些温度变送器应靠近蒸汽入口法兰安装，用来检测高温报警、跳闸和低温报警、跳闸。温度变送器与压力变送器用于同一控制回路蒸汽质量的控制，温度计应安装在适当的位置，可以保证在蒸汽主入口管线上检测到冷凝水的存在。

入口蒸汽管道应设置暖管线，同时蒸汽暖管放空管线的接口应靠近入口阀门，暖管放空管线的口径不宜太小。暖管线的口径和位置要能够确保一旦汽轮机的切断阀打开能够避免机器中进入水。因此建议将暖管线安装在小于10倍入口管道外径的位置。蒸汽入口管线低点设置集液包，集液包上设置疏水阀，其余地方设置导淋阀即可，蒸汽管线暖管的时打开全部导淋，待导淋口没有凝液才可使蒸汽进入汽轮机进行暖机，具体如图6所示。蒸汽入口阀门应靠近汽轮机管口，可以减少汽轮机的暖机时间。由于汽轮机蒸汽管线操作温度较高，汽轮机管口的允许受力限制非常严格，蒸汽管道的柔性设计是管道应力分析中的难点之一。为了保证足够的管道柔性，建议蒸汽管道至少绕机组半圈，并在管道与汽轮机死点 处坐标轴对应的交点位置附近设置限位支架，从而把蒸汽管道的应力和位移切分成若干段，使汽轮机管口的热膨胀与管道热膨胀基本相当，以减小管道对汽轮机管口的影响。

图6 汽轮机蒸汽管线的布置

本项目中汽轮机透平中抽管线的蒸汽操作压力为4.1MPa，设计压力为4.6MPa，操作温度为429℃，设计温度为460℃。蒸汽入口管道有两个规格，分别为：管道尺寸24寸，管道厚度20mm；管道尺寸12寸，管道厚度12mm。中抽管线也需要对管道进行试压、化洗、吹扫和无应力配管，因此也应该设置拆卸段，确保管道的工作顺利进行。管线上的止回阀和安全阀必须在距离排气法兰的距离不超过排气管外径的30倍。如管道设计过程中无法满足要求，需要尽快向汽轮机厂家或者工艺包厂家提出，以便厂家能够提供合理的解决措施。

4 结论

合成气压缩机是甲醇合成装置的“心脏”，是整个装置平稳运行的关键。本文通过对榆能化项目年产180万t离心式压缩机配管的研究，为后续相关压缩机的配管提供技术支持。主要结论如下：

1）压缩机及汽轮机上的进出口管道为了便于管道的试压、化洗、吹扫和无应力对口，尽量设置拆卸法兰。

2）压缩机入口管道如有低点，应在低点设置集液包，并在集液包上设置高高液位和低低液位检测系统，确保进入压缩机的流体不带液体，如压缩机入口带液，在高转数时会冲击叶轮，造成叶片冲蚀，引起机组震动。

3）压缩机入口管线上的过滤器尽量选用T型折流式过滤器。

4）压缩机出口管道上应设置止回阀，且止回阀应尽量靠近出口，出口尽量选用法兰式的旋启式止回阀，如选用轴流式止回阀，应核实开启压力。

5）汽轮机入口管线上的压力表和温度计的安装应确保接入点的距离与蒸汽入口法兰之间的距离也不得超过入口管道的30倍外径。

6）汽轮机中抽管线上的止回阀和安全阀应满足工艺包厂家和机组厂家的要求，如无法满足要求，需尽快与厂家沟通，配合厂家提出合理解决方案。