煤制烯烃关键设备国产化的应用研究与设备管理经验介绍

杜鹏翔

（中煤陕西榆林能源化工有限公司，陕西 榆林 719000）

煤化工企业关键设备的国产化是降本增效、缩短供货周期、提供长期便捷服务、“双碳双控”的生力军、提高产业竞争能力的有效手段，更是煤化工行业长效发展的左膀右臂。随着装置的长周期运行，设备出现故障的概率增大，出现异常故障时，不能够及时供应，受制于人。进口设备更新换代快，不国产化将寸步难行，必须要走国产化的道路，进口设备一般只提供2年期内备件（且无详细图纸），所以进口设备国产化具有紧迫性，不仅要国产化，而且要早动手。

以煤化工设备国产化和自主化作为重点列入常态化管理，大力推进煤化工成套设备国产化，如水煤浆气化炉烧嘴、激冷环、挤压造粒机模板切刀、大型离心压缩机、高压煤浆泵、水洗水泵、膨胀机、耐腐蚀泵、低温泵等进行了系列国产化。在确保煤化工项目安全稳定优质运行的前提下，积极稳妥推进煤化工设备国产化，有效促进煤制烯烃行业降本增效、提质升级，实现整体经济效益最大化。

1 关键进口设备国产化概况

中煤榆林化工分公司项目一期工程装置规模为205万吨/年煤制甲醇、70万吨/年MTO、35万吨/年聚乙烯、35万吨/年聚丙烯及C4综合利用装置以及相配套4×480t/h高温高压循环流化床锅炉，2×100MW风冷发电机及公用工程4×60000Nm3/h空分装置等系统工程，共计5494台；进口设备：564台。关键的进口主设备、仪表阀门、机组、机泵等都采用了进口设备，如气化炉烧嘴、激冷环、气化炉系统的仪表阀门、高低压煤浆泵等工艺流程泵、聚烯烃的挤出机、进口螺杆机、进口电动机等在国产化的设备及备件满足生产要求的前提下，有选择性的论证，适度的替代部分备件，国产化成为主要发展方向。

2 煤制烯烃项目关键设备国产化的应用与质量管理

2.1 煤制烯烃关键机组备件国产化

中煤榆林煤制烯烃项目有60000m³/h曼透平压缩机组、埃利奥特的丙烯制冷压缩机、产品气压缩机、丙烯制冷压缩机、日本三菱合成器压缩机、布克哈德往复式回收压缩机等大型关键进口机组。该类机组购置成本高、运行稳定性决定全厂经济效益，离心式压缩机和透平压缩机主要针对干气密封、轴瓦等关键易损件进行了国产化试用，并得到良好的使用效果，历年节约备件消耗约700万余元；布克哈德往复式压缩机对关键易损件气阀进行国产化，年节约60余万元。

2.2 阿特拉斯膨胀机备件国产化

德国阿特拉斯（Atlas）68000m3/h、24400rpm膨胀机出现推力瓦温度高、振动大、密封漏气，考虑到进口设备备件高采购成本，供货周期长、设备维护成本高，经与国内同类生产厂家进行调研分析对比，决定选取有资质的国内厂家对该膨胀机机芯内部的零部件进行了国产化的设计及制造，主要有轴承、转子、膨胀端石墨密封器、扩压器、膨胀端轮盖密封、喷嘴底盘及密封件整体的维修并进行相关备件制作使用，以节省费用、缩短了制造周期，单台设备维修及备件国产化约70万元，相较进口设备及维修成本降低至50%，通过国产化维修延长设备运行周期，设备效能明显提升，提高设备维护使用效率（图1）。

图1

2.3 英格索兰多级离心机备件国产化

中煤陕西公司现有英格索兰（IR）离心压缩机（5CII-5CPIIMX3N2）2台，由直联电机驱动，整体齿轮式布置，用于生产氮气供给生产装置使用，压缩介质是洁净氮气。运行中发现轴瓦频繁温度高，拆解发现轴瓦形成漆膜、高温等现象，经与国内轴瓦厂家分析计算，对轴瓦重新改型，调整瓦背间隙，消除了轴瓦高温现象。与压缩机配套的换热器腐蚀泄漏严重，经分析，由于该换热器为可拆卸管束，循环水走管外，氮气走管内，管束材质为合金铜，管内双层套管，内置翅片（涂锡紫铜）。经常出现胀管连接处泄漏，非同类材质焊接难度大，密封件安装与壳体漏水，经分析把原换热器密封垫及连接形式进行改造，保证了换热器密封性，并优化管束材质，双层套管喷涂防腐材质，大大增加了热交换面积，提高了热交换效率，通过DCS数据对比，使用效果良好，换热器的国产化保证换热器可替换性，且维修成本降低至进口设备1/3成本。

2.4 关键工艺流程泵国产化

（1）甲醇中心气化装置低压煤浆泵也叫磨机出料槽泵，是将磨机出料槽内的煤浆加压送入大煤浆槽，介质特性：粘度大(700～3000MPa.s)；流量为(42.5～102m3/h)；介质含固高达50%以上；运行主要问题包括：高含固介质磨损、超高黏度介质输送性能保证、流量调节等方面。

在磨损机理方面，通过仿真计算，消除流场中的旋涡；材质方面以渣浆泵普遍使用的KmTBCr26高铬铸铁为基础，与科研院所合作，通过对成分及热处理工艺的不断优化，将材料硬度提升至HRC60以上；通过结构设计上的创新以及辅助系统的优化，既减少了冲洗水量对工艺参数造成的负面影响，又提升了泵转子的运行稳定性。

（2）甲醇中心净化装置贫甲醇泵：荷兰福斯公司生产，共4台。贫甲醇泵FLOWSERVE生产的BB3轴向剖分多级泵；型号为：10HDX27A；介质：贫甲醇；温度T=85℃；流量Q=714m3/h；扬程H=922m；必须气蚀余量NPSHA=12.6m；效率q=82%；转速n=2965r/min；电机功率=1679kW。设备制造精密，图纸没有具体的尺寸和具体材质，其返厂维修周期长，一般至少为3个月，进口备件成本高、技术服务不到位、受制于人，一旦设备出现故障，无法进行备机。对全套备件如泵轴、叶轮、口环、节流衬套等全面进行备件进行了测绘。其中1146P105B泵于2016年1月维修完毕返厂后投运至今，一直运行良好。

（3）DMTO联合装置水洗塔底泵，该泵为美国FLOWSERVE生产的单级双吸双支撑径向剖分BB2结构泵，轴承为滚动球轴承，其参数如表1所示。

表1 水洗水塔底泵主要参数

该装置运行几年后，性能达不到要求，电机超功率，在检修的过程中发现泵壳压出室冲刷的比较厉害（图2a），隔舌部位由于冲刷原因形成了缺口。泵盖也出现了明显的凹坑，而泵壳的吸入室及进出口管道内表面光洁，没有明显冲刷痕迹（图2b、图2c）。由于该泵的介质流为高温、高压、含气/液/固三相水，存在这大量的 H、S、CN-、NH等离子，在叶轮出口介质流速较高，线速度V=ωr=46.8m/s，这一线速度进入到蜗壳里，速度会有所降低，但含有颗粒的介质冲击到蜗壳式压出室内壁后，造成蜗壳内壁金属表面的疲劳以致脱落，连续不断的脱落及腐蚀，最终造成泵压出室的冲刷损坏。

图2

①原因分析。第一，在转速一定的情况下，叶轮的外径越大，叶轮边缘的线速度越大，该泵叶轮直径达到φ600，介质从叶轮流出后，在蜗壳压出室上的线速度V=30m/s，含有颗粒的介质连续不断冲击泵壳，金属晶体松动并脱落。第二，蜗壳式压出室固定在叶轮出口的外面，前段只起收集液体的作用，液体在此段作等速运动。到了扩散部分才将一部分动能变成压力能。泵在偏小流量运行时，部分带有杂质及腐蚀性介质在蜗壳内循环，这一循环加重了蜗壳的磨损。第三，泵体上压出室和吸入室之间存在着一个间隙，没有密封，长期的冲刷将泵体、泵盖冲坏，加大了泵的容积损失，最终造成设备达不到工况要求，而且电机超功率。

②拟解决方案。为了彻底解决上述问题，同时能够满足现场设备的稳定运行，国产化更换泵体、泵盖完全满足现场安装条件，可以跟现场泵体、泵盖互换。具体从下面三方面着手，解决设备目前存在的问题：a.对该工况典型的蜗壳冲蚀问题，通过匹配实际运行参数对蜗壳压出室进行水力优化设计，通过计算机模拟内部流道的流场，减少压出室内部循环流动，从而减少泵体蜗壳、泵盖的磨损。b.对该泵体泵盖材质进行升级，材料由原来SCHP2升级到超级马氏体不锈钢CA6NM，该材料硬度可达到HRC40以上，增加泵体泵盖的耐冲刷性，同时其耐腐蚀性能有所提高。c.泵体、泵盖之间的配合进行局部优化，在泵体与泵盖的内止口增加密封。

2.5 PDS出料系统高频阀国产化

聚烯烃PDS系统仪表阀门应用工况苛刻，反应器出料系统有48台DN100-DN300的球阀，操作温度：-45～180℃，压力：0.8～3.5MPa，并且是混合有丙烯液相、气相，夹杂着硬度高的聚乙烯、聚丙烯树脂粉料或者块料，工艺要求出料系统阀门频繁动作，造成高速冲刷及磨损，固体物料冲刷阀体和阀芯；阀门动作频次：70～120万次/年，阀球在高频动作下夹杂着高硬度物料使得阀球变形，密封失效；对于双聚装置连续运行影响极大，阀门检修频繁，直接影响产能。

通过对阀门的运行工况、结构特点等进行分析，国产化阀门解决以下技术难题：（1）扭矩稳定之定量压缩；（2）扭矩稳定之双轴承结构；（3）扭矩稳定之自密封轴承腔；（4）扭矩稳定之自动泄料槽；（5）扭矩稳定之刮刀及短小阀座；（6）密封面材料的选择，根据不同的开关频率和寿命的要求，国产PDS提供28号和30号两种硬密封面材料的选择，分别对应150万次和400万次开关寿命；（7）开关可靠之执行器配件选择及气路设计。（8）防内漏之阀座阀体密封。（9）防内漏之阀座阀球密封。（10）防外漏之弹簧承载盘根。

高频球阀年平均动作80万次，为了追求更加卓越的耐磨性能和更低的摩擦系数，采用了一种新型的符合图层Fslloy30；比FSLLOY28具有更强的耐磨性，摩擦系数降低10%，有效减少蠕变，实现200万次开关，保证了装置长稳优生产。

2.6 聚烯烃挤压造粒机组备件产化

（1）PP装置挤压造粒机为德国科倍隆公司生产，其混炼机进料端螺杆密封结构形式为对称异向干式密封，具有科倍隆保氮气压和双向旋转专用密封技术。干式密封是利用气封气的原理，在接触式双端面密封腔体，接入阻封气体，阻止介质向大气泄漏。常用于低压、低速、气态或粉尘介质工况的搅拌器、挤压造粒机等设备。根据挤压造粒机的工作特性，对密封设计如下：采用气体作为阻隔密封系统，阻塞气体为氮气，略高于介质压力。结构设计方面，为便于更换装，设计为剖分式结构，采取径向装拆的安装方式。密封面材料选择方面，密封软面材料选择聚四氟乙烯，填充一定的玻纤、碳粉、铜粉以改善机加、自润滑、导热等性能。密封硬面材料采用金属表面硬化喷焊硬质合金技术。对动静环的受力和密封进行精密计算。

（2）PE挤压造粒机为日本神钢公司生产，其混炼机尾端双螺杆密封采用球面旋转密封技术，拥有球面密封点和双向旋转等技术难点。PE挤压造粒机旋转接头水封属于新型的球面密封，不同于以往的平面密封，在设计时重点对结构设计、受力分析、加工制造方面进行了攻关，顺利完成了国产化的研制工作。

（3）双聚装置挤压造粒机模板合金与本体真空钎焊成一体，钎焊接头剪切强度＞150MPao；模板表面造粒带内外两侧；模板本体的内外环形主加热流道与辐射气到采用真空隔热层；平面度高达(0.1～0.3mm)处理技术，提高模板的热效能，防止模板内部的热损失；与同类进口模板热度指示比较，提高了15～25℃，模板受热均匀，扩宽了生产品牌的范围。经国产化升级模板材质为：①模板为本体1Cr13马氏体不锈钢材料；②造粒带合金材料Wc-CONiCr（特制），硬度（HRc）63-66，抗弯强度σb2400-2500MPa，耐蚀性能好，使用寿命大大提高，有较好的韧性及可焊性，它与基体钎焊后而不易发生脆裂，不易脱落。

为进一步降低对国外进口设备备件的依赖程度，大幅度的降低采购费用，国内企业历经30年的发展，不断改进造粒模板本体和造粒带合金材料，与此同时进行模板内部热熔通道的优化设计，在提高模板的产能及适应多牌号的塑料树脂生产上，取得了关键性的突破。

2.7 气化炉烧嘴、激冷环国产化

气化炉烧嘴在长期运行中有着不可磨灭的地位，在运行烧嘴煤浆喷出口处的磨损严重，为安全稳定运行考虑烧嘴一般可使用60天左右就需要进行修理。要求国内的烧嘴制造或维修企业要具备对烧嘴的设计能力，具备流场分析的能力及其维修能力。国内的烧嘴制造企业对GE进口烧嘴技术进行消化、吸收，经过多年的发展，基本具备了上述方面的设计能力，实现了烧嘴的自主设计，逐步摆脱了国外技术的限制。技术上，烧嘴的冷却水盘管与外氧头的焊接结构进行优化，开发了耐磨耐高温基复合材料煤浆喷头等各类新型喷嘴，对外氧喷头的水室设计进行了优化等。目前烧嘴的制造、维修全部实现了国产化，其使用周期基本在70～80天，改进四通道烧嘴100天，烧嘴使用寿命要与炉砖周期匹配，锥底砖一般4000～4500h，改进，最后达到3个烧嘴应该是240～300天，对应5700～7200h，所以提高烧嘴寿命的同时要提高锥底砖寿命，或者烧嘴在100天以上，2个烧嘴的话4800h直接更换炉砖，烧嘴寿命延长相当于建设开停车次数，全年可减少7次，每次开停车排火炬用煤约177.5t，全年共计1242.8t，减少碳排放4010t（图3）。

图3 水煤浆工艺烧嘴流场与温度场模拟云图

激冷环配套使用在气化炉内，其内部通道、激冷水孔的角度、激冷水的流速要设计合理，避免运行过程中的液膜厚度不均匀、水孔堵塞，磨损及激冷水环穿孔等现象，其主要材质为进口Incloy825。激冷环加工制造过程中尤其要保证公差质量、表面粗糙度、焊接方法及质量控制等方面的要求。

目前中煤陕西公司已经国产化13台烧嘴，6台激冷环，国内同类型企业已经得到大量的应用。

2.8 德国艾珍螺杆压缩机国产化

烯烃中心双聚装置共计有德国艾珍螺杆压缩机17台，罗茨风机4台。进口备件昂贵、维修成本高，运转故障频繁，转子、壳体等经多次修复，故障率居高不下，转子、壳体再进行修复利用价值不高。因原厂备件采购成本高、周期长，考虑到节约成本、降低库存压力，特申请对压缩机转子、壳体等关键部件进行国产化。对艾珍螺杆压缩机的轴承组、密封组、转子、同步齿轮、增速齿轮、壳体等进行国产化采购，降低成本，国产转子预计采购价为进口转子1/2（图4）。

图4 双螺杆压缩机备件国产化

以上关键进口设备国产化得到逐步实施，另外还有一些通用设备备件如：机械密封、进口高低压电机、挤压机熔融泵轴瓦、仪表阀门等均实现了国产化，并创造了可观的经济效益（图5）。

图5

3 设备管理体系及智能化工厂创建与运行

进一步突破传统思维，中煤陕西公司煤制烯烃项目保证设备稳定运行前提下，创建智能化工厂，打造智能化巡检管理，依托三维可视化工厂集成数据，利用先进的传感及视频分析技术，通过巡检场景与数据互联，打造实时智能数据巡检，逐渐取代传统间歇性的巡检，减少人员暴露在危险区域的风险。以工业互联网平台为基础，集成生产运行数据（监测数据、控制数据）、设备管理数据、检维修数据、视频监控平台、安全管理系统、润滑油品集中仓储配，构建人员定位管理应用和作业过程安全管控应用，构建一个作业前、中、后全方位管控，并形成作业过程中安全管控的全方位监视，全面展示作业环境信息、作业设备设施相关联设备设施运行状况、本检修设备设施运行状况、作业人体征信息、作业环境视频等，作业相关车辆的在厂区内行驶情况以及所在位置信息。解放人员数据性处理工作，主体思路转移至现场工作的管理与提升，大大的降低了人工成本（图6）。

图6 大检修数据平台建设及应用

4 结语

目前，中煤陕西公司煤制烯烃项目关键进口设备逐步推进实现国产化。从以上实施的国产化项目来看，主要国产化项目的推进，减少了库存压力，降低资金占用，其中部分设备备件可以完全替代，部分设备及备件基本能满足生产需要，在性能、耐用性、安全性、可靠性方面与进口设备相比仍有技术差距，主核心设备依然以进口设备为主。进口设备国产化已是一种趋势，它能跳跃式的提高我国设备科技先进性，提高设备效率，节约外汇，具有明显的经济效益，适合我国企业发展要求，具有深远的意义和前景。