В процессах нефтехимического производства выбор компрессоров технологических газов напрямую влияет на безопасную и стабильную работу всей производственной установки и экономическую эффективность. Такие среды, как пиролизный газ, риформат и хвостовые газы гидроочистки, характеризуются сложным составом, высокой коррозионной активностью и требовательными рабочими условиями, что требует целевых технических решений и специальных конструкций. Нефтехимические предприятия обычно работают непрерывно в течение нескольких лет до капитального ремонта, поэтому надежность и способность к длительной работе компрессоров особенно важны. Кроме того, энергопотребление компрессоров технологических газов составляет значительную долю от общего потребления энергии установкой; оптимизированный выбор влияет не только на первоначальные инвестиции, но и на долгосрочные эксплуатационные расходы. Это требует, чтобы процесс выбора всесторонне учитывал техническую осуществимость, безопасность, надежность, экономическую целесообразность и другие факторы для разработки оптимального решения.
I. Характеристики и проблемы технологических газов в нефтехимии
Нефтехимические технологические газы часто содержат коррозионные компоненты, такие как водород, сероводород, хлорид-ионы и цианиды, и часто работают в условиях высоких температур и давлений. Например, типичный состав пиролизного газа включает водород (10%-15%), метан (15%-20%), этилен (25%-30%), пропилен (10%-15%) и другие углеводородные соединения, наряду с небольшими количествами сероводорода (100-500 ppm) и органических сульфидов (например, COS, CS₂). Этот сложный состав предъявляет чрезвычайно высокие требования к материалам компрессора, требуя соответствующего выбора металлов в зависимости от коррозионных характеристик среды.
Помимо сложного химического состава, нефтехимические технологические газы также характеризуются широким диапазоном температур и давлений, изменяющимися молекулярными массами и сложным фазовым поведением. Например, в установках гидроочистки компрессоры должны обрабатывать газы на разных уровнях давления — от атмосферного до 20 МПа; на этиленовых установках давление на входе компрессора пиролизного газа может составлять всего 0.1 МПа, в то время как давление на выходе может достигать 3.5-4.0 МПа, с коэффициентом сжатия более 30. Эти особенности требуют, чтобы конструкция компрессора полностью учитывала изменения свойств газа, особенно термодинамическое поведение вблизи критических точек, чтобы избежать аномальных условий, таких как гидроудар от конденсата или помпаж.
II. Наука и инженерная практика в выборе материалов
Для сред, содержащих сероводород, когда парциальное давление превышает 0.0003 МПа, должны использоваться стойкие к сероводородной коррозии материалы, а твердость контролироваться на уровне не выше HRC 22. Выбор материалов должен проводиться со ссылкой на стандарты NACE MR0175/ISO 15156, обычно выбираются аустенитная нержавеющая сталь 316L, дуплексная сталь 2205 или никелевый сплав 625. Для условий с высоким содержанием хлорид-ионов также необходимо учитывать риск коррозионного растрескивания под напряжением (КРН), потенциально требуя использования продвинутых материалов, таких как Хастеллой C-276. На практике выбор материалов должен балансировать не только коррозионную стойкость, но и механические свойства, обрабатываемость и экономичность.
Применение кривых совместимости материалов имеет crucialное значение. Эти кривые показывают скорости коррозии различных материалов в различных условиях температуры, давления и концентрации среды, обеспечивая научную основу для выбора. Например, в условиях высокотемпературного воздействия водорода необходимо ссылаться на диаграмму Нельсона для выбора материалов, стойких к воздействию водорода. Диаграмма Нельсона, основанная на обширных эксплуатационных данных, указывает пределы применения различных сталей в водородной среде. Когда рабочая температура превышает 200°C, а парциальное давление водорода выше 0.7 МПа, углеродистые и низколегированные стали подвергаются значительному водородному охрупчиванию, что требует выбора молибденовых или хромомолибденовых сталей. Для кислых сред используется диаграмма Каупера-Гормана для определения подходящих сплавов, предоставляющая руководство по выбору материалов на основе парциального давления H₂S и значения pH.
III. Усовершенствованная конструкция систем предварительной обработки
Интегрированные системы предварительной обработки являются ключом к обеспечению долгосрочной стабильной работы компрессора. Для технологических газов, содержащих твердые частицы, требуется многоступенчатая система фильтрации, обычно включающая первичный циклонный сепаратор, промежуточный рукавный фильтр и конечный фильтр тонкой очистки, контролируя содержание твердых частиц ниже 5 мг/м³.
Для газов, содержащих капли жидкости, необходимы высокоэффективные газо-жидкостные сепараторы, чтобы обеспечить унос жидкости в выходном газе ниже 0.1 мл/м³.
Контроль температуры также имеет crucialное значение, требуется предварительный охладитель для контроля температуры на входе в подходящем диапазоне, избегая при этом коррозии от конденсации.
Для некоторых особых сред необходимо добавлять системы онлайн-мониторинга для обнаружения изменений состава газа в реальном времени и оперативной корректировки рабочих параметров.
IV. Применение передовых технологий уплотнений
Выбор системы уплотнения требует особого внимания. Для легковоспламеняющихся, взрывоопасных или токсичных сред обычно используются системы сухих газовых уплотнений (ДГУ) в сочетании с системной подачи азота в качестве барьерного/продувочного газа, чтобы гарантировать нулевую утечку технологического газа в окружающую среду.
Давление и расход газа уплотнения требуют точного контроля, обычно поддерживаясь на 0.2-0.3 МПа выше давления технологического газа.
Для определенных особых условий могут потребоваться системы двойного уплотнения или тандемные системы уплотнений для обеспечения дополнительного барьера безопасности.
V. Оптимальное проектирование систем охлаждения
Конструкция системы охлаждения также требует оптимизации, основанной на характеристиках технологического газа. Для высокотемпературных газов обычно используется ступенчатый подход к охлаждению, контролируя перепад температуры на ступень в разумных пределах, чтобы избежать термических напряжений.
Материалы трубных пучков охладителя должны быть совместимы с технологическим газом, учитывая также влияние загрязнения и коррозии.
Проектирование системы охлаждающей воды нельзя упускать из виду.
VI. Мониторинг состояния и системы интеллектуального технического обслуживания
Конфигурация систем мониторинга вибрации и диагностики неисправностей не может игнорироваться. Рекомендуется внедрить систему онлайн-мониторинга вибрации для мониторинга вибрации подшипников, осевого смещения вала и других параметров в реальном времени с многоуровневой сигнализацией и уставками на останов.
Одновременно следует оснастить систему онлайн-анализа смазочного масла для периодической проверки качества масла и прогнозирования рабочего состояния оборудования.
Интеллектуальные диагностические системы на основе больших данных представляют собой направление будущего развития.
VII. Философия ремонтопригодности конструкции
Общая конструкция машины также должна учитывать доступность для технического обслуживания. Места, требующие частой замены изнашиваемых деталей, должны иметь конструкции для быстрого демонтажа; ключевые точки мониторинга должны иметь достаточное пространство для осмотра и интерфейсы; для крупных агрегатов необходимо учитывать возможность ремонта на месте, потенциально проектируя корпуса с горизонтальным разъемом.
Компоновка вспомогательных систем также должна учитывать потребности технического обслуживания.
Кроме того, должна предоставляться комплексная документация по техническому обслуживанию и обучение.
VIII. Методология комплексной технико-экономической оценки
При окончательном выборе компрессора необходима комплексная технико-экономическая оценка. Это подразумевает учет не только первоначальных инвестиционных затрат, но и общих затрат за весь жизненный цикл, включая энергопотребление, техническое обслуживание, запасные части и потери от простоев.
Анализ энергопотребления особенно важен, поскольку компрессоры часто являются основными потребителями энергии на предприятии.
Оценка надежности должна основываться на исторических данных и анализе видов отказов, прогнозируя среднее время наработки на отказ (MTBF) и среднее время восстановления (MTTR).
Заключение
Благодаря системным решениям, изложенным выше, можно эффективно удовлетворить потребности в сжатии различных специальных технологических газов в нефтехимической промышленности, обеспечивая безопасную, стабильную и эффективную работу оборудования, предоставляя надежную гарантию для длительной работы всей производственной установки. В ходе фактического процесса выбора рекомендуется углубленное общение со специализированными производителями компрессоров, предоставление детальных параметров процесса и состава среды для совместной разработки оптимального технического решения. Также следует обращать внимание на технологические разработки, такие как магнитные подшипники, сверхкритические циклы CO₂ и другие инновационные технологии, которые могут предложить новые решения для применений в нефтехимическом сжатии.
