国家能源集团设备专家：聚烯烃回收制冷机组制冷效果不足缘由分析研究！

  制冷机组是聚烯烃行业的关键设备,承担回收反应器排放气中的共聚单体和异戊烷的任务,制冷机组的运作状况直接影响物料单耗。影响制冷机组制冷能力的因素有很多,文章从膨胀阀故障和过热度设定不当、吸气过滤器堵塞、系统中含有水、制冷剂充注量过多或不足、负荷控制管理系统故障、高低压系统间的泄漏、换热器产生油膜、工艺条件变化等方面做了分析研究,并提出了相关预防的方法,以期可避开因上述问题导致的制冷机组制冷能力变弱的情况出现,确保制冷机组安全、高效、平稳运行。

  制冷机组是聚烯烃行业的重要设备。在Unipol聚乙烯工艺中,反应器产生的粉料树脂进入脱气仓后,粉料从脱气仓下部进入造粒系统,排放气则从脱气仓顶部进入回收系统。回收系统主要由制冷机组和排放气压缩机组成【1】。排放气经过排放气压缩机2级压缩和2级冷却后,进入高压冷凝器进行冷凝【2】。制冷机组通过蒸发器对壳程的载冷剂(54%的乙二醇)进行冷却,冷却后的载冷剂再通过高压冷凝器对排放气进行冷凝。排放气中的共聚单体和异戊烷被冷凝成液态后,通过泵加压进入反应器,以降低物料单耗。制冷机组的制冷能力越强,回收的共聚单体和异戊烷越多。因此,制冷机组能否高效、平稳运行,不仅关系到整个工厂的物料平衡,更关系到企业的经济效益。

  某型号制冷机组最重要的包含双螺杆压缩机、油分离器、油冷却器、油过滤器、冷凝器、蒸发器、膨胀阀、电磁阀等部件,其中,双螺杆压缩机是制冷机组的核心部件【3-4】。该机组制冷量为252 kW,制冷剂为R1270(丙烯),润滑油牌号为CP-1516-150,其规格参数如表1所示。

  制冷机组制冷原理为:R1270制冷剂经过双螺杆压缩机压缩后,变成高压高温的蒸气;高压高温的蒸气夹带着润滑油进入油分离器;油分离器分离出来的润滑油,进入油冷却器冷却,之后进入油过滤器过滤杂质;过滤后的润滑油一部分喷入压缩机转子腔,另一部分通过内置油泵加压后,进入轴承、轴封、平衡活塞和负荷控制管理系统等处。润滑油系统主要起润滑、密封、减少噪声和降温的作用【5】。

  制冷剂R1270从油分离器顶部进入水冷式冷凝器,通过冷凝器管程中不断流动的冷却水带走热量,使高压高温的制冷剂蒸汽冷凝成高压低温的液体。从冷凝器出来的R1270制冷剂液体一部分经过经济器节流阀节流到中间压力,在经济器换热管内与换热管外的高温制冷剂进行热交换,成为过热蒸气,立即进入压缩机经济器接口;另一部分则在换热管外流经经济器,与管内中间压力下蒸发的制冷剂进行热交换,得到过冷的制冷剂液体【6】。过冷的制冷剂液体经过2组热力膨胀阀节流后供液给蒸发器,在蒸发器中与换热管外的载冷剂(54%乙二醇)进行热交换。吸热蒸发后的R1270制冷剂蒸气回到压缩机,重新开始一个制冷循环。制冷原理如图1所示。

  膨胀阀是制冷系统中的一个重要部件,安装在经济器和蒸发器入口【7】。高压低温的液态制冷剂通过膨胀阀的节流变为低压低温的雾状制冷剂,在蒸发器中蒸发吸收热量,与蒸发器壳程中的载冷剂发生热交换,达到制冷效果。膨胀阀通过蒸发器出口的过热度变化控制阀门流量,以防止制冷量不足的情况和敲缸现象【8】。

  该制冷机组采用内平衡式热力膨胀阀。感温包内充注制冷剂,放置在蒸发器出口管道上。感温包和膜片上部通过毛细管相连,感受蒸发器出口制冷剂温度。感温包内的制冷剂对膜片产生向下的压力P1,蒸发器出口有毛细管与膜片下部连接,对膜片产生一个向上的压力P2,弹簧的弹力对膜片产生一个向上的压力P3,膜片在P1、P2、P3的共同合力作用下,对制冷剂流量进行控制。

  如果制冷机组增添负荷,则压缩机吸气量增大,压缩机入口压力将降低,P2减小,同时,液态制冷剂在蒸发器提前蒸发完毕,蒸发器出口制冷剂温度上升,P1增大,合力推动阀杆使膨胀阀开度增大,此时,进入蒸发器中的制冷剂流量增加,制冷量增大。如果制冷机组降低负荷,则蒸发器出口制冷剂温度降低,以同样的方式减小膨胀阀开度,从而控制制冷剂的流量。

  过热度的定义为制冷剂在蒸发器出口处的温度减去该蒸发压力所对应的饱和温度。过热度一般设定在5～8 ℃。如果过热度设置过高,则膨胀阀开度将减小,进入蒸发器的制冷剂流量将随之减小,同时,与载冷剂的换热量也将减小,载冷剂温度上升,共聚单体和异戊烷的回收量将会降低。

  过热度可通过调节膨胀阀下边的旋钮实现,其原理是调节膨胀阀的弹簧压缩量,从而改变压力P3的大小。膨胀阀原理如图2所示。

  1) 机组正常运行后,需要检查机组过热度设定是不是正常。可通过查看操作控制屏获取制冷剂的蒸发器出口的温度和在蒸发压力下的饱和温度参数,确认两者之差是否在5～8 ℃之间。同时,可通过现场查看膨胀阀阀体结霜情况做判断。正常的结霜是沿阀体呈一条倾斜的直线),如果膨胀阀阀体不结霜或者结霜面积过大,则说明膨胀阀存在严重故障或者过热度设定有问题。针对过热度设定不合理的问题,可通过调节膨胀阀底部的调节螺栓使膨胀阀回到正常状态工作状态。如果膨胀阀内部结构发生故障,则需进行更换。

  2) 经常性检查膨胀阀的毛细管是否破损。如果毛细管破损造成制冷剂泄漏,则会导致膨胀阀开度变小,使得流过膨胀阀的制冷剂减少,机组制冷量降低。

  3) 经常性检查吸入管路保冷绝热是否良好,以避免因吸入管路保冷不好造成过热度增加,影响机组制冷量。

  4) 检查膨胀阀感温包和蒸发器出口管线是否接触良好。如果接触不良,则应重新进行缠绕安装。

  制冷剂进入膨胀阀前,会经过2个并联的100目过滤器,当过滤器堵塞时,进入膨胀阀的制冷剂将减少,虽然在过热度的调节下膨胀阀的开度会增大,但当过滤器堵塞程度超过膨胀阀自身调节能力后,进入蒸发器中的制冷剂将会减少,导致制冷剂和载冷剂的换热能力大幅度的降低,此时,载冷剂温度上升,共聚单体和异戊烷回收量减少。

  膨胀阀自身有1个过滤网,为40目,通常用于过滤颗粒较大的杂质,如果该滤网堵塞,也会影响进入蒸发器的制冷剂流量,造成制冷效果下降。

  1) 在制冷机组加注润滑油与制冷剂时,应按要求做好过滤工作,避免杂质进入系统,造成过滤网堵塞;

  2) 重视制冷机组运作时的状态,每年定期清理过滤网,避免制冷机组因过滤网堵塞造成制冷能力下降。

  油冷却器和冷凝器是管壳式冷却器。油冷却器的作用是通过管程不断流动的冷却水将壳程的润滑油冷却,冷凝器的作用是通过管程不断流动的冷却水将壳程的高压高温制冷剂冷却【9】。虽然2个换热器的壳程压力都比循环水的压力高,但在制冷机组补加润滑油过程中,机组会抽真空,如果此时换热器的循环冷却水未隔离且换热器管束有泄漏点,则将会有部分水分进入制冷系统。

  如果制冷系统中含有水分,则机组启动后,在机组负荷提高的过程中,随着吸入温度逐渐降低至0 ℃以下,部分水分通过膨胀阀后将会结冰,且随着机组的持续运转,会有更多的水分在蒸发器入口处结冰,当结冰量达到某些特定的程度时,该蒸发换热回路将被堵死,失去蒸发条件,导致机组制冷能力降低。如果此时机组含水量仍然较多,则压缩机吸入压力将持续降低,当低于0.2 MPa时,制冷机将自动减载,低于0.18 MPa时,机组联锁停机。某制冷机组因制冷能力不够停机检修,拆开蒸发器后发现,该蒸发器入口有一蒸发回路已经被冰完全堵塞。蒸发器入口结冰情况如图4 所示。

  1) 在制冷机组加注润滑油过程中,将油冷器和冷凝器循环冷却水隔离并泄压,避免因油冷器和冷凝器管束泄漏造成循环冷却水通过管束漏点进入机组的情况发生;

  2) 每年检修期间,对油冷器、冷凝器、蒸发器的管束进行测厚,并针对管束腐蚀较大的换热器提前做好更新计划,防止泄漏。

  制冷剂充注量过多或不足也会影响机组制冷能力【10-11】。如果制冷剂充注过多,则冷凝器将存有大量液态制冷剂,导致冷凝压力和冷凝温度上升、冷凝器有效换热面积降低、压缩机功耗增加、系统制冷量降低。若制冷剂充注量不足,冷凝器出口则会出现气液两相流,导致制冷剂不足、蒸发压力降低、压缩机吸气过热度增大、蒸发传热系数降低,进而导致机组制冷能力降低。

  在载冷剂流量和压力、工艺气流量和组分、循环冷却水压力和流量、环境和温度、压缩机负荷等其他参数不变的情况下,对机组运行平稳后制冷剂充注量在140,150,160,170,180,190和200 kg时载冷剂的温度进行记录。载冷剂温度随制冷剂充注量的变化趋势如图5所示。

  由图5可知:随着制冷剂充注量的增加,载冷剂温度逐渐降低,制冷效果逐渐增强;当制冷剂充注量达到170 kg时,载冷剂温度最低,此时制冷效果最好;当制冷剂充注量继续增加时,载冷剂温度有上涨的趋势,但上升变化趋势比较小,制冷效果减弱不明显。

  1) 每个制冷机组都有一个理论最佳充注量,但结合现场实际运作情况,最佳充注量仍需通过现场实际运作情况进行测定,应根据测定结果对制冷机组进行制冷剂充注,保证制冷机组高效运行;

  2) 机组正常运行时,中控室监控参数人员应重视制冷机组吸入压力,当吸入压力降低时,有很大的可能是由于制冷剂不足导致的,现场人员应及时在线) 现场巡检人员应关注冷凝器的制冷剂液位,保持液位稳定,不足时进行补加,过量时进行排放,避免因制冷剂不足或过多造成机组制冷能力下降。

  负荷控制管理系统由内置油泵、电磁阀组、液压油缸、控制滑阀、位置传感器等组成【12-13】。内置油泵由阴转子驱动。电磁阀组由阀1、阀2、阀3和阀4 组成。控制滑阀末端有通向压缩机吸入口的旁通流道。滑阀的移动可改变转子的有效压缩长度,从而控制压缩机负荷。位置传感器用于检测信号并将其传至控制管理系统,以便显示机组负荷。油泵出口的一部分润滑油进入电磁阀组用于负荷调节。机组增添负荷时,阀1和阀4打开,阀2和阀3关闭,润滑油由阀1进入液压油缸,推动液压油缸中的活塞向左移动,另一侧的润滑油通过阀4 进入压缩机转子腔,活塞通过活塞杆带动控制滑阀向左移动,增加转子的有效压缩长度,提高机组负荷。机组降低负荷时,阀2和阀3打开,阀1 和阀4关闭,润滑油推动活塞向右移动,活塞通过活塞杆带动控制滑阀向右移动,减小转子的有效压缩长度,机组负荷降低。负荷控制管理系统如图6所示。

  1) 机组运行时,经常性检查润滑油泵出口压力,确保油压稳定。油泵出口有一个溢流阀,用于精确调节油压,每次大修时,均应检查溢流阀,确保其状态正常。

  3) 按时进行检查电磁阀组和位置传感器运作情况,避免因阀组和位置传感器故障导致压缩机制冷能力不足。

  4) 根据经验,检查压缩机显示负荷与吸入压力、吸入温度、排气压力、排气温度的匹配关系,可判断压缩机实际负荷是否与显示负荷相符。

  高、低压系统间的泄漏会导致机组制冷能力变弱。机组运行过程中,如果开车旁通阀和停车旁通阀没有及时关闭或出现内漏,将会造成制冷回路被旁通,此时,制冷剂不能完全通过冷凝器、膨胀阀和蒸发器等部件进行蒸发制冷,导致制冷效果降低。油分离器或者冷凝器顶部安全阀起跳或者内漏会导致制冷剂损失,制冷剂不足则会导致机组制冷能力下降。

  1) 机组开车或者停车后,要及时关闭开车旁通阀和停车旁通阀;机组停车检修时,应对开车旁通阀和停车旁通阀进行密封性能测试,确保阀门正常使用。

  2) 每年对机组安全阀进行定期检验,确保其检验结果合格并在有效期内,以避免安全阀定压不准确误跳以及阀门内漏的情况出现。

  如果制冷机组加注过多润滑油,或者油分离器的滤芯润滑油分离效果不好,则润滑油将被制冷剂夹带至冷凝器和蒸发器。被夹带的润滑油将会在冷凝器壳程和蒸发器管程产生油膜,导致冷凝器和蒸发器换热能力降低,机组制冷能力下降。

  1) 应严控制冷机组加注润滑油量,一般加至停车时油雾分离器中间油液位视镜的一半即可,严禁超加;

  2) 定期清理和更换油分离器滤芯,避免分离器滤芯脏污或者破损造成润滑油分离效果不好。

  反应器负荷增加时,回收气流量会变大【14】。如果回收气流量变大,则在运行工况不变的情况下,机组制冷能力会相对降低。如果反应器生产的产品牌号不同,或者使用的催化剂不同,回收气的气相组分也会发生明显的变化,回收气中的易冷凝组分也将发生明显的变化,同样也会影响机组的制冷能力【15】。

  1) 确保反应器运行平稳、组分稳定,负荷升降要缓慢,避免回收气流量出现大幅度波动,影响制冷机组制冷效果;

  2) 保持主催化剂活性稳定,并控制好助催化剂的加入比例,确保反应器物料组分和浓度稳定,进而保证回收气组分和浓度稳定。

  通过对以上影响制冷机组制冷能力的原因做多元化的分析研究可知,主要影响制冷机组制冷能力的原因是膨胀阀故障或过热度设定不当,吸入过滤器堵塞,系统中含有水,制冷剂充注量过多或不足,负荷控制管理系统故障,高、低压系统的泄漏,换热器产生油膜和工艺条件变化等。针对每一个影响机组制冷能力的因素,本文详细分析了其影响原理,并给出了具体的控制措施,可为提高共聚单体和异戊烷的回收率,降低物料单耗,保证制冷机组乃至装置的长周期、高效率、高负荷运行提供有力保障,同时,还可为其他型号制冷机组运行工况的调整提供参考。

  随着我国石化工业迅猛发展，部分早期建设的石化装置已运行较长年限，设备疲劳、管道老化、系统故障率上升等问题逐步显现，生产稳定性、设备可靠性逐年降低，安全风险增大，近几年已引发多起事故。开展老旧装置安全风险防控专项整治，提升设备正常运行管理、智能化运维、检维修技术提升、设备管理人员安全培训，是全面保障石化行业设施长周期运行的重要举措，是统筹好发展和安全、坚决遏制重特大事故的必然要求。

  深度融合、协同发展，搭建石化企业与设备预知性维护、智慧运维、老旧装置设备改造升级、设备国产化、大修管理、检修服务供应商交流合作平台，促进石化行业设施管理与检维修技术进步，中国石油和石化工程研究会联合各方拟定2024年11月6-8号江苏南京继续召开“2024第十届石化设备运维管理与检修技术大会”。

  为主题，组织石化行业设施专家就目前设备管理体系建设、设备完整性管理、先进的技术应用、热点难点问题、检维修管理、在建项目设备选型和监造验收、设备风险识别与控制、设备运行KPI指标对标等进行深入交流、研讨，力求达到行业信息共享、技术共享、经验共享、资源共享，结合我国石化行业发展新质生产力，促进数字化的经济和实体经济深层次地融合，提高石化企业设备管理完整可靠性、提升专业方面技术水平、筑牢本质安全基础，打造数字化、网络化、智能化工厂。

  10.石化企业大型装置、厂区管廊运维数字化转型、无人化升级方案，巡检机器人、火情侦测与消防机器人、无人机等新型技术的应用；

  13.石化企业罐区在役老旧改造优化（原油储罐安全预警、雷电预警装置、内浮顶选型、消防安全、罐顶腐蚀、爬壁机器人、油罐浮盘密封、水力、抛丸等除锈等）；

  16.可燃有毒气体泄漏检测、报警系统、火灾监测与预防系统在石化企业安全改造中的应用；

  18.石化企业运维检修新技术、新工艺、新方案及压缩机、烟气轮机、反应器、换热器、控制管理系统、工业泵、阀门、密封件与材料、仪器仪表、电气设备、分析仪器、新材料、核心部件、5G工业设施、智能巡检终端设备、机器人、技术改造、检维修工具、监测检测技术及装备、风险评价与完整性管理、应急抢修技术及装备、智能化等国产化技术应用。

  中石化、中石油、中海油、延长石油、中化、国家能源、地方炼化下属公司设备管理、物资采购、电气仪表、机动处、设备处相关负责人、技术专家。国内外技术、设备、电工电气、仪器仪表、控制管理系统、信息技术供应厂商。

  中国石油安环院炼化设备技术探讨研究与服务中心、中国职业安全健康协会防火防爆专业委员会协办，拟于2024年11月19-21日在山东淄博召开“2024年(第二届)炼油与石化仪表控制技术大会”。

  主题，推广应用新技术、新方法、新成果和新产品，引领行业和企业管理与科学技术进步，推动全过程一体化管控，提升数字化车间、智能工厂、设备智能化运维、仪控设备老旧升级改造等示范标杆引领，强化工业互联网赋能促进炼油与石化产业及相关仪表控制技术创新健康、有序、高水平质量的发展。诚邀各炼油、石化、煤化工、化工公司制作企业设备管理部门、仪控中心及建安检维修、技术服务、仪表控制供应厂商积极参与。

  6. 炼化、煤化工、化工企业“智能工厂”、数据采集、设备在线监测、先进控制管理系统、过程优化、过程安全、可视化、通信、安全、节能、环保、优化控制、数据分析与智能决策等关键技术；

  7. 炼化、煤化工生产的全部过程所需关键仪表自控系统及应用，包括重要现场仪表（安全仪表、流量计、压力仪表液位计、物位仪、温度仪表、执行器等）；

  8. 安全仪表系统（SIS）、现场仪表、控制阀、执行器、自动控制管理系统、APC先进过程控制管理系统、DCS控制管理系统在炼化、煤化工装置上的应用及国产化介绍；

  9. 国内外生产的检测、监测仪表、分析仪表、控制仪表在炼化、煤化工企业的应用比较；

  10. 可燃有毒气体泄漏检测、报警系统、火灾监测与预防系统在炼化企业安全改造中的应用；

  11. 炼化、煤化工工程数字化设计、数字孪生、数字化交付、数字化智能化工厂实践、施工管理、智能化建造、运营管理经验介绍；

  13. VOCs治理、烟气合规排放、污水处理、污泥处理等环保设施的控制监测、仪表选型；

  14. “绿电”、“绿氢”等新能源生产、储存设施自动控制、仪表选型及应用；

  16. 仪控先进设备、国产化、先进控制管理系统及软件、智能化、应用案例、检维修等；

  24. 炼化、煤化工、化工企业ERP、DCS、MES、APC、PCS、SCADA、SIS、FGS、PLC、现场总线控制系统、现场仪表、控制阀、过程分析仪表、无人机、机器人、无线通信数字防爆对讲机、自动化控制仪器仪表、流量仪、测控仪器、分析仪器、新产品、新技术、新应用。

  中石化、中石油、中海油、中化、国家能源及延长石油、浙石化、扬巴、中沙、鲁西、伊泰、东明石化、恒力石化等中央、地方、民营及合资炼化、石化、煤化工、化工公司制作管理、仪表自控、安环计量、设备管理、信息技术相关负责人免会议费；国内外技术、设备、仪器仪表、控制管理系统、信息技术供应厂商。