用于中国高压聚乙烯（LDPE）装置的大容量压缩机

中石化北京燕山石化有限公司 乔宪一 郝荣臣

通用电气能源油气公司 BRUNO QUARANTA

   
GE能源 BRUNO QUARANTA    GE能源 ENZO GIACOMELLI

摘 要 ：为满足不断增长的市场需求和生产需要，燕山石化与通用电气新比隆紧密合作，采用最高级最先进的安装技术，并不断改进压缩机技术，使能将乙烯从低压压缩到高达 310MPa（3 100bar）（45 000psi）的大型压缩机达到了最佳的生产能力，提高整个装置的性能。

一、燕化 LDPE新设备

燕山石化企业具有 20 多年使用 LDPE 高压设备的丰富经验，为满足乙烯市场增长的需要，最近对整套装置进行了扩建，来提高低密度聚乙烯的生产效率。

1．吹扫一次压缩机

燕山石化联合企业扩建了一套乙烯年产量 20 万 t 的装置和一套低密度聚乙烯（ LDPE ）装置，两套装置都是以两台新比隆往复式压缩机为基础建立起来的。装置分为两个阶段，吹扫一次压缩机和高压二次压缩机，吹扫一次压缩机采用 6HF/3 － 3 型压缩机，该机由感应电动机驱动，三相、 50Hz ，转速为 328r/min 时的额定功率达到 4 800kW 。吹扫部分的质量流量为 12 000kg/h ，一次压缩部分在循环压力达到 32MPa （ 320bar ）时的质量流量为 43 000kg/h 。第一段吹扫压缩机的直径为 1 050mm 。 6HF/3 － 3 一次压缩机为平衡对置系列标准压缩机，是在大量的现场经验的基础上开发设计的，采用了新的计算程序，可以采用最新的车间生产方式。

作为工作压力的功能部件， 6HF/3 － 3 型压缩机气缸采用不同的材料制造。吹扫压缩机的第一段和第二段气缸采用铸铁材料，净化第三段和一次压缩第一段采用铸钢，一次压缩的最后两段采用锻钢。活塞杆材料是带有碳化钨涂层的钢杆。

2．高压二次压缩机

在高压部分，装置采用 12PK/2 型高压二次压缩机 ( 见图 1) ，压缩机配有一台同步电动机，额定功率为 16 500kW ，质量流量为 85 000kg/h ，使其输出压力达到 310MPa (3100bar) 。该电动机工作电压为 6 000V ，三相， 50Hz ，转速为 212r/min 。

图1 12PK/2型高压二次压缩机

12PK/2 型压缩机第一段气缸装有辐射式阀（见图 2 ），这样除了便于维护外，也使得运行更为安全可靠。第二段气缸需要配备吸气和排气阀才能达到较高压力（见图 3 ）。

图2 配有径向阀的气缸

图3 配有轴向阀的气缸

由于以前高压压缩机配备的平衡对置气缸的常规压缩机是按低于 100MPa （ 1000bar ）的压力研制的，它们不能承受 300MPa （ 3000bar ）以上的压力传递的推力，于是，在 20 世纪 60 年代末，新比隆研制出了供 LDPE 装置使用、具有独特设计的超高压压缩机（见图 4 ），并应用于燕山石化，使燕山石化 LDPE 高压设备在可靠性、可用性和效率方面都取得了可喜的成果。

图4 新型超高压压缩机

二、装置的设计特点

这些压缩机于 2002 年 1 月投入运行，已经安全运行了两年多，保证了燕山石化公司的计划生产水平。这些压缩机的高度可靠性和多种因素有关，其中包括：先进的设计工艺、材料质量、监控与自动化系统以及由 DCS 和 PLC 系统保证的整套装置的自动化以及设备工程师的操作与维护能力、反应能力和执行规程的严格性（ Giacomelli 等人 , 2001 ）。

乙烯生产装置的安全性、可靠性和可用性不仅取决于压缩机的性能，而且还取决于仪器和监控系统的功能能否实现。这种现代化的监控系统对操作人员具有极大的帮助，使机器稳定运行。目前，本套装置主要设置的诊断系统可就以下方面给出重要指示：①降低压缩机运转费用并且预测将来的需要。②只在真正检测到异常事件时才进行维护。

1．先进的技术

为了获得最佳性能，压缩机的部件（尤其是需要承受极高压力的气缸部件），采用了各种新型技术。如，在第二段压缩的密封环采用了铅青铜密封圈， 尽量保证最佳润滑性能，同时降低卡死的危险性，并延长密封圈的使用寿命。

另外，柱塞表面超精加工，使其同密封装置一起运行更顺畅。在高压条件下使用了密封杯，除了采用冷缩配合密封杯之外，还在油道孔中采用了预应力处理等特别程序，以实现预压缩，尤其对于应力集中的区域极为重要，可以降低疲劳故障发生的机率（ Giacomelli 和 Traversari, 2001 ）。

鉴于第二段可能在极端的工作条件下运行，采用了下列的处理方法：①急流喷丸硬化，增加关键区域的疲劳极限，形成表面预压层。②接触区镀银，降低密封杯之间微振磨损的危险性。

图5 正在工厂组装超高压压缩机

2．监控系统

（ 1 ）压缩机除了安全阀和安全膜等防护系统之外，还采用了压力传感器监控排气与吸气的压差，以控制曲柄机构的负载。在管道、反应器和分离器等存在聚合物的零部件中，利用吸气温度和压力可以控制级间压力变化。设计时对监控和诊断系统进行了充分的考虑，使设备能“按一定条件”顺利运行。

（ 2 ）由于采用了配有碳化钨柱塞的专用气缸和青铜导套，所以，安装了一组由近似探测器和测量表面温度的专用热电耦组成的仪器（见图 6 ）。这一措施可以预防复合系统中由于受到密封油量和冷却方式的影响而产生的温度升高和不良状态，避免柱塞卡住现象，能延长密封件的使用寿命，降低气体分解的危险性。

考虑到由烧结碳化钨制成的部件的脆性，在这些设备中，近似探测器可以显示柱塞运行轨迹的变化。正确测量径向跳动可以预示密封圈寿命的长短，还可以显示危险振动的现象，这些振动预示着气缸和曲柄机构发生了问题 (Giacomelli 等人 , 1991) 。

（ 3 ） 12K/2 超高压压缩机装有十字头销温度监控装置，测量柱塞的径向跳动，还配有工艺流程控制常用装置，可测量气体压力和温度以及十字头和主轴承的温度。同时使用测量柱塞径向跳动的垂直和水平探测器，可以确定柱塞的运行轨迹。可以显示 12PK/2 超高压压缩机上柱塞径向跳动的测量值。燕山石化的技术人员可以通过这些测量值监控曲柄 - 齿轮 - 柱塞总成的对准情况。将测量值同基准值进行比较来证实它们仍在可接受的限度范围内。

（ 4 ）对压缩机平衡调节可以限制振幅，管路系统里的压力脉动脉冲也可保持在经验确定的极限范围内，尤其是超高压压缩机。设计时进行的脉冲研究和管道机械响应分析，可避免现场严重问题的发生 (Michelini, 1977)(Generosi 和 Passeri, 1995) 。振动测量值表明振动水平保持在允许限度内。对信号定期进行图表分析和光谱分析有助于检测到故障发生的苗头，进而可以有针对性地制定具体的维护计划。

图6 柱塞的径向跳动和温度监控

三、运行情况

在安装时，乙烯生产装置所有重要的螺纹连接处都通过液压紧固，使得其易于维护，并且可确保预负荷的安全可靠（见图 7 ） (Graziani, 1988) 。

自新扩建的生产装置运行以来，除大修停机外，对压缩机进行连续操作都实现了生产最佳化，由此证明各部件仍然处于良好状态。燕山石化和新比隆的工作人员对数据采集系统记录的操作参数进行定期分析，采取措施，减少维护工作，并使得产量达到最高水平。

四、总 结

（ 1 ）由于对压缩机、辅助设备、仪器和控制系统执行较高的质量标准，因此，压缩机的性能也不断提高。

（ 2 ）取得这样的成功，主要归功于设备操作人员的工作能力以及燕山石化的工作人员与压缩机制造商在安装期间的友好合作。

（ 3 ）技术的改进以及可以满足客户目标的有效组织形式的引入，使得客户同生产厂商制造商间的合作能够对该装置进行进一步的完善。

（ 4 ）在多次参观该装置期间，客户同制造商在各个层次上进行了频繁的技术交流，以验证机械性能并对客户的操作人员进行指导。

（ 5 ）由于其他同类压缩机同样优化了本装置的运行特点，本机的设计可以应付进一步提高 生产能力中可能出现的问题（ Chellini, 1997 ）。

图7 气缸的液压紧固

参 考 文 献

1 Andrenelli A. pecial Features in reciprocating compressors for Polyethylene Production. Proc. Inst. Mech. Eng., 1970,Vol 184

2 API 618, 4 th ed. Reciprocating Compressors for Petroleum, Chemical and Gas Industry Services. American Petroleum Institute, 1995:pp.37～42, 147～148

3 ASME - Boiler and Pressure Vessel code. (sect. VIII Div. 2)， The American Society of Mechanical Engineers, 2001

4 Chellini R. Upgrading of Reciprocating Compressors Prove Economical Solution to Increased Plant Capacity. Diesel & Gas Turbine Publications -Compressor Tech, 1997(9)(10)

5 Generosi S. Passeri M. The Control of Vibrations Induced by Reciprocating Compressors on Plant Piping: New Developments in Calculation Methods. Quaderni Pignone N. 56,1995

（以下略）

致谢

作者谨此向燕山石化和通用电气能源油气新比隆致谢，感谢他们同意公布本文报道的信息。