气体压缩机在石化工业的应用和发展

摘要： 气体压缩机是对气体进行压缩，产生气体压缩能的设备。对气体进行压缩的目的是输送气体或者为化学反应创造必要的条件。气体压缩机是石化装置的关键设备，大部分石化装置都有气体压缩机。一般常用的有离心式压缩机、往复式压缩机、螺杆式压缩机等。大多数压缩机输送介质为石油混合气体、天然气、氮气、氢气、氧气、氯气、甲烷、乙烯、丙烯、氨气、二氧化氮等。鉴于石化生产装置大多数在高温、高压、易燃、易爆、腐蚀、有毒、长周期连续生产条件下，因此要求压缩机组必须做到整体性能好，效率高，结构紧凑，占地面积小，运转平稳可靠，无故障运转时间达到 20 000h 以上，而且可以满足各种工况的需要。 文章内容： 气体压缩机是对气体进行压缩，产生气体压缩能的设备。对气体进行压缩的目的是输送气体或者为化学反应创造必要的条件。气体压缩机是石化装置的关键设备，大部分石化装置都有气体压缩机。一般常用的有离心式压缩机、往复式压缩机、螺杆式压缩机等。大多数压缩机输送介质为石油混合气体、天然气、氮气、氢气、氧气、氯气、甲烷、乙烯、丙烯、氨气、二氧化氮等。鉴于石化生产装置大多数在高温、高压、易燃、易爆、腐蚀、有毒、长周期连续生产条件下，因此要求压缩机组必须做到整体性能好，效率高，结构紧凑，占地面积小，运转平稳可靠，无故障运转时间达到 20 000h 以上，而且可以满足各种工况的需要。 炼油生产中常用的压缩机主要为催化裂化装置的主风机和富气压缩机，催化重整装置和加氢装置的循环氢压缩机和新氢压缩机，焦化装置的焦化气压缩机等。高压氢气压缩机由于规模和工艺流程不同，并且有硫化氢等介质腐蚀，制造难度大，世界上只有少数几个国家能够制造，如美国德来赛—兰德公司、意大利新比隆公司、德国博尔齐格公司等。 乙烯成套生产装置中的压缩机数量最多，如乙烯裂解装置的裂解气压缩机、丙烯压缩机、乙烯压缩机；聚乙烯装置的循环气压缩机和乙烯压缩机；聚丙烯装置的循环气压缩机和丙烯压缩机； PTA 装置和丙烯腈装置的工艺空气压缩机等。其中乙烯裂解装置的裂解气压缩机、丙烯压缩机和乙烯压缩机，俗称“三机”，能耗占装置总能耗的 20 ％～ 40 ％，因此，降低压缩机能耗对降低装置能耗具有重要意义。目前，国外已采用了高效率三元流动叶轮及与其匹配良好的固定元件，使其压缩机效率比原来提高 5% 以上，整机效率高达 82 ％，而且运转平稳，检测、报警及联锁停车系统控制水平高，可保证装置 3 年的运转周期。高压聚乙烯装置中的超高压压缩机是石化生产装置中压力最高的往复压缩机，排气压力达到 350MPa 。世界上最大的乙烯装置用压缩机供应商当属德来赛—兰德公司、新比隆公司、三菱重工、德马格公司、瑞士苏尔寿公司等。 化肥生产中用的离心压缩机，主要有工艺空气压缩机、合成气压缩机、二氧化碳压缩机、氮气压缩机、氨压缩机；空分空压装置的空气压缩机、氧气压缩机、氮气压缩机等。由于合成氨装置不断向大型化发展，用户对压缩机组的能耗、可靠性、配套水平等技术指标的要求也越来越高。目前，世界上先进的压缩机制造厂家都在致力于这方面的研究，并取得了很大进展。如在压缩机气动性能设计上使用的程序，能适用于几百个大气压，大大提高了计算精度；转子稳定性研究，已经研制出超二阶、三阶的高柔性转子，并已成功应用于产品的设计。此外，国外在压缩机有关部件成套技术上也有了很大发展，如密封、轴承、调节系统、辅机配套水平、机组自动化控制及故障诊断水平等方面取得了突破性的进展。 离心压缩机在国内的应用和发展 目前离心式压缩机发趋势是：容量不断增大，以满足石化生产规模不断扩大的要求；随着新技术的发展，新型气体密封、磁力轴承和无润滑联轴器的出现，不断开发高压压缩机和小流量压缩机产品；进一步研究三元流动理论，不仅应用到叶轮设计，还发展到叶片扩压器静止元件设计中，以期达到最高的机组效率；低噪声化，采用噪声防护以改善操作环境。 国内可以生产石化用离心压缩机的制造企业主要有沈阳鼓风机厂、上海鼓风机厂、陕西鼓风机厂等。他们引进国外技术，经过消化吸收，可以生产石化用大型离心压缩机。沈阳鼓风机厂从意大利新比隆公司引进了 MCL 、 BCL 、 PCL 三个离心压缩机系列的全套设计制造专利技术；从日本日立公司引进了 DH 型离心压缩机、 HS 型工业冷冻机设计制造专利技术，从美国费城齿轮公司引进了 MHS 、 HS 、 HSS 、 HSD 四个系列的高速齿轮变速器的设计制造专利技术；从德国德马格公司引进了 VK8 型组装式离心压缩机设计制造专利技术和从日本川崎重工株式会社引进了 GM 型污水处理鼓风机技术。沈阳鼓风机厂生产的离心压缩机在国内石化企业已经应用 200 多台，市场占有率已达 80% 以上。沈鼓厂生产的 300 万 t/a 催化裂化装置富气压缩机进口流量达到 81 600Nm 3 /h ，功率达到 7 166kW ；离心式循环氢压缩机流量达到 250 000Nm 3 /h ，功率达到 1 600kW ，出口压力达到 18MPa ，已经应用于 120 万 t/a 加氢裂化装置；沈鼓厂自行设计、制造的裂解气压缩机流量达到 120 000Nm 3 /h ，功率达到 18 000kW ；同国外合作设计、制造的丙烯压缩机流量达到 58 000Nm 3 /h ，功率达到 7 500kW ；乙烯压缩机流量达到 74 000Nm 3 /h ，功率达到 5 500kW ，已经应用到 30 ～ 50 万 t/a 乙烯裂解装置。沈鼓厂自行设计和制造的大化肥装置的空气压缩机、天然气压缩机、氨压缩机、二氧化碳压缩机已应用于 20 ～ 30 万 t/a 化肥装置；沈鼓设计制造的空气压缩机流量达到 220 000Nm 3 /h ，功率达到 17 580kW ，已经应用于 40 000Nm 3 空分装置。陕西鼓风机厂引进瑞士苏尔寿公司 A/AV 型所有系列、 12 种机型轴流压缩机技术专利和技术秘密，成功设计、制造了 170 多台套性能优良的轴流压缩机，其中 60 多台套用于炼油厂催化裂化装置的主、备风机。其中为大连石化公司 350 万 t/a 催化裂化装置制造的主风机是目前国内石化装置中最大的轴流压缩机，流量达到 300 000Nm 3 /h ，功率达到 40 000kW 。 目前国内离心压缩机在高技术、高参数、高质量和特殊产品方面还不能满足国内需要。另外在技术水平、质量、成套性上和国外还有差距。随着石化生产规模不断扩大，离心压缩机大型化方面面临新的课题。 100 万 t/a 乙烯三机中的裂解气压缩机，进口流量达到 403 000kg/h ，出口压力达到 3.89MPa ，轴功率达到 45770kW 。 45 万 t/aPTA 装置原料空气压缩机（带尾气透平）进口流量 162 413Nm 3 /h ，进出口压力 0.1/1.46MPa ，轴功率 22 000kW, 国内在设计制造这些大型气体压缩机上还没有成熟的经验。 往复压缩机在国内的应用和发展 目前往复式压缩机发展方向是：大容量、高压力、结构紧凑、能耗少、噪声低、效率高、可靠性高、排气净化能力强；普遍采用撬装无基础、全罩低噪声设计，大大节约安装、基础和调试费用；不断开发变工况条件下运行的新型气阀，气阀寿命大大提高；在产品设计上，应用压缩机热力学、动力学计算软件和压缩机工作过程模拟软件等，提高了计算准确度，通过综合模拟模型预测压缩机在实际工况下的性能参数，以提高新产品开发的成功率。 压缩机产品机电一体化得到强化，采用计算机自动控制，自动显示各项运行参数，实现优化节能运行状态，优化联机运行、运行参数异常显示、报警与保护；产品设计重视工业设计和环境保护，压缩机外型美观，更加符合环保要求。 国内可以生产石化行业需要的往复式压缩机的厂家主要有沈阳气体压缩机厂、上海压缩机厂、无锡压缩机厂等。经过 20 年的发展，国内已形成 L 、 D 、 DZ 、 H 、 M 型等等数十个压缩机系列、数百种产品。国内的中小型压缩机基本满足了国内石化行业的需求，但大型往复压缩机还不能完全满足需要。 沈阳气体压缩机厂从德国 BORSIG 公司引进了全套的往复压缩机设计制造技术，将产品市场定位于炼油化工领域，尤其在大中型往复压缩机技术开发方面取得了突破性进展。 1990 年研制成功了符合现行国际标准的 4M50 型系列大型氢气往复压缩机组， 1996 年推出了 6M50 型系列氮氢气压缩机组， 1998 年研制成功了 4M80 型系列大型氢气压缩机组。往复式新氢压缩机容积流量达到 34 000Nm 3 /h ，活塞压力达到 80kN ，出口压力达到 19MPa ，功率达到 4 000kW ，已用于 200 万 t/a 渣油加氢脱硫装置。天华化工机械及自动化研究设计院和江阴压缩机厂合作设计制造的迷宫压缩机流量达到 980Nm 3 /h ，出口压力达到 3.8MPa ，已经应用于 7 万 t/a 聚丙烯装置。大型机组的研制成功，打破了国外厂商长期垄断我国炼油化工用往复压缩机市场的局面，使同种机组的市场价格下降超过了 50% ，标志着中国的往复压缩机制造能力正向国际先进水平迈进。 目前国内往复压缩机技术水平同国外相比，主要差距为基础理论研究差，产品技术开发能力低，工艺装备和实验手段落后，产品技术起点低，规格品种、效率、制造质量和可靠性还有相当差距，技术含量高和特殊要求的产品满足不了国内需要。 石化工业今后对气体压缩机的需求 为了保证国民经济持续稳定发展，预计 2005 年我国原油加工能力达到 2.9 亿 t ， 2010 年达到 3.5 亿 t ， 2020 年达到 4.3 亿 t ，成品油基本满足国内需要。预计 2005 年我国乙烯生产能力达到 900 万 t ， 2010 年达到 1 400 万 t ， 2020 年达到 2 200 ～ 2 400 万 t ，只能满足国内需求的 50% ～ 60% 。为此石化工业必将加快发展步伐，实现大型化、集约化和一体化，提高国际竞争能力。 为了降低生产成本，提高经济效益，今后石化生产规模将进一步大型化，单系列炼油装置规模将达到 1 000 万 t/a 以上，单系列乙烯装置生产规模将达到 80 ～ 100 万 t/a 。石化行业每年将投资 500 亿元以上对炼油化工生产装置进行改造和扩建。在炼油工程建设方面：中国石化集团——镇海石化、茂名石化炼油能力已经超过 1 000 万 t/a ，还在进一步改造；上海石化、高桥石化、金陵石化、扬子石化、齐鲁石化、燕山石化 1 000 万 t/a 炼油改造正在进行；福建炼化、青岛炼油、海南炼油等 800~1 000 万 t/a 炼油新建工程已经启动。中国石油集团——大连西太平洋 1 000 万 t/a 炼油厂改造工程已经完成；大连石化 2 000 万 t/a 含硫原油加工改造， 2006 年完成；兰州石化和抚顺石化 1 000 万 t/a 炼油改造正在全面配套；独山子石化、长庆石化 1 000 万 t/a 炼油项目加快启动。中国海洋石油——惠州 1 200 万 t/a 炼油厂建设已经启动。煤制油工程——中国神华集团 500 万 t/a 煤制油项目一期工程已经开工建设， 2010 年加工能力将达到 1 000 万 t/a 。另外陕西、贵州、云南、山东、甘肃、山西、河南等煤液化项目正在规划之中。 在乙烯工程建设方面：中国石化集团——燕山石化、扬子石化、金山石化 70 万 t/a 乙烯改造已经完成，正在规划下一步改造；扬巴（南京）、赛科（上海） 80~90 万 t/a 新建乙烯工程已经完成；齐鲁石化、茂名石化 80 万 t/a 乙烯改造正在进行；福建炼化、镇海石化、广州石化、天津石化、武汉石化 80 ～ 100 万 t/a 乙烯正在准备。中国石油集团——吉林石化、大庆石化 60 ～ 80 万 t/a 乙烯改造已经启动；大连石化、兰州石化、独山子石化 80 万 t/a 乙烯正在准备。中国海洋石油总公司——惠州 80 万 t/a 乙烯即将建成。 一套 1 000 万 t 炼油厂需要压缩机 20 ～ 30 台，一套 100 万 t 乙烯工厂需要各种压缩机 40 ～ 50 台。据统计分析， 2002 年中国石化集团采购气体压缩机 166 台， 2003 年采购压缩机 297 台， 2004 年采购压缩机 332 台，保持了不断增长的趋势。预计“十一五”期间，全国石化行业需要气体压缩机 3 000 台左右，每年平均 500 台。其中离心压缩机占 45% ，往复压缩机占 55% 。由于国内压缩机制造企业开发能力、制造技术水平还不能完全满足石化生产需要，或者国内用户对国内压缩机产品不满意，估计还有 40% 的离心压缩机、 30% 的往复压缩机还要依赖进口。 大型压缩机国产化任重道远 由于石化生产规模不断扩大，设备大型化成为一个明显的趋势。设备大型化不是设备简单的放大，在设计计算、机械制造各方面都有大量攻关内容。大型压缩机国产化工作，国内经过 20 多年的努力，有了不小的进展。在离心压缩机国产化方面， 20 年迈出了三大步：第一大步是 20 世纪 80 年代初 52 万 t/a 尿素装置二氧化碳压缩机实现了国产化，压缩机进口流量达到 33 000Nm 3 /h ，排出压力达到 15.1MPa ，轴功率达到 9 900kW ，已经应用在镇海、乌鲁木齐、宁夏三套大型化肥生产装置中。第二大步是 20 世纪 90 年代初 80 万 t/a 加氢裂化装置循环氢压缩机实现了国产化，压缩机进口流量达到 250 000 Nm 3 /h ，进出口压力达到 16.7/18.9MPa ，轴功率达到 1 600kW ，已经应用在镇海石化、天津石化等炼油改造中。第三大步是 20 世纪 90 年代后期，对 30 万 t/a 乙烯装置中的“三机”实现了国产化，其中裂解气压缩机进口流量达到 80 970 Nm 3 /h ，进出口压力达到 0.11/3.99MPa ，轴功率达到 12 555 kW, 已经应用到大庆、燕山、扬子、上海乙烯改造工程中。在大型往复式压缩机国产化方面， 20 年迈出了两大步：第一大步是 4M50 型新氢压缩机实现了国产化，压缩机进口流量达到 20 850Nm 3 /h ，进出口压力达到 1.096/18.86MPa ，轴功率达到 2 758kW ，应用在镇海石化等炼油装置改造中。第二大步是 4M80 型新氢压缩机实现了国产化，进口流量达到 34 000Nm 3 /h ，进出口压力达到 2.2/19.6MPa ，轴功率达到 3 250 kW ，应用在茂名 200 万 t/a 渣油加氢脱硫装置中。如今这些大型压缩机国产化的成果已经大量推广到石化生产中，改变了完全依赖进口的局面，节约了大量投资，也使我国成为世界上少数可以设计制造大型气体压缩机的国家。 当代石化工业发展的特点，一是石化生产工艺技术进步很快， 3 ～ 5 年就有新的生产工艺出现，新的生产工艺对石化装备不断提出新的要求；二是石化生产规模大型化，进而要求装备大型化。 1 000 万 t/a 炼油厂中，催化裂化装置规模达到 400 万 t/a ，加氢裂化装置规模达到 300 万 t/a 。 100 万 t/a 乙烯厂中，乙烯裂解装置规模达到 100 万 t/a ，聚乙烯和聚丙烯装置规模达到 40 万 t/a ，生产装置规模都是 20 年前的 4 ～ 10 倍。 目前国内大型气体压缩机国产化攻关正在向着新的目标迈进，不断有新的突破。 2004 年沈阳鼓风机集团承担了以煤粉为原料的大化肥改造工程—— 4.8 万 Nm 3 /h 空分装置中的原料空气压缩机研制任务，压缩机进口流量达到 262 700Nm 3 /h, 轴功率达到 23 000kW ，这是目前在石化工业中应用的能力最大的离心式空气压缩机。 2005 年初沈阳鼓风机集团还承担了茂名乙烯改造工程中 60 万 t/a 等级的乙烯裂解气压缩机的研制任务，压缩机进口流量 246 846kg/h ，进出口压力 0.13/2.28MPa ，轴功率 24 843kW ， （上接第 10页） 有相当的难度。如果这台压缩机研制成功，大型压缩机制造 水平又上了一个新台阶，为将来研制 100 万 t/a 裂解气压缩机奠定了基础。沈阳鼓风机集团还承担了镇海 100 万 t/a 催化重整装置氢气增压机研制任务。这台增压机压缩比高达 3.78 ，属于高压比、轻组分、低流量压缩机，过去一般采用往复压缩机。用户考虑到往复压缩机故障率高，维修量大，因此希望采用离心压缩机，用蒸汽透平驱动。该离心压缩机采用 2 缸、 2 段压缩， 14 级叶轮，进出口压力为 3.35/17.16MPa 。在大型往复压缩机国产化中，无锡压缩机厂和天华化工机械及自动化研究设计院合作研制的 ZW — 30/11.27 — X 型大型尾气回收迷宫式压缩机，是目前我国国内最大的迷宫压缩机，已经安在于齐鲁 72 万 t/a 乙烯改造工程中。 我们相信，我国只要坚持重大装备国产化的方针，支持鼓励研究、设计、制造单位和用户相结合，不断向国际水平冲击，就会提高我国大型压缩机的制造能力，不仅可以满足国内石化工业的需要，还可以出口到世界其他国家，真正提高我国大型的制造水平。