连续混炼机长周期运行存在问题及改进措施(李成志)

连续混炼机长周期运行存在问题及改进措施李成志王晓飞（1李成志中石化股份有限公司天津分公司烯烃部，天津300271;2王晓飞中石化股份有限公司天津分公司烯烃部，天津300271）摘要：介绍了对天津石化分公司烯烃部聚乙烯装置关键设备Y-7001X连续混炼机进行运行优化并降低能耗的措施，提高了机组运行质量和稳定性。对混炼机的长周期运行优化、维护管理提出了建议，可供同类机组借鉴和参考。关键词：混炼机；扩能改造；比能耗；优化管理1概述：天津石化60kt/a的聚乙烯装置，引进美国UCC＆P公司提供的Unipol专利技术和工艺包，由天津联化公司和中国石化总公司联合承包、大庆石化设计院设计，于1995年开车。2001年，装置采用自主开发的气相流化床聚乙烯冷凝技术进行扩产改造，规模达到120kt/a，改造时新上造粒系统一套、老造粒系统停用。新造粒系统的连续混炼机Y-7001X为新上造粒系统中关键设备。聚乙烯装置连续混炼机Y-7001X为CMP320型双螺杆混炼机，属混炼机+齿轮泵机型，是造粒工段将聚合工段来的聚乙烯粉料进行混炼并水下切粒、造粒的设备，额定生产能力15t/h。该机组2001年由日本制钢所（JSW）生产。机组主要由主电机、主减速箱、混炼机、熔融泵、换网器、模板、切粒机、启动装置以及其他辅助装置组成。混炼机机组主电机额定功率约2800kW、熔融泵功率450kW。混炼机机组在生产过程中如果发生故障停车3h以上，由于粉料包装能力限制及产品规格要求方面的限制聚乙烯装置就必须降低负荷运行，装置的能耗、物耗就会迅速上升、装置的经济效益也将受到很大影响。混炼机频繁停车造成物料损耗，每次开停车大约浪费聚乙烯树脂0.8t，同时也增加了电能消耗。因此，连续混炼机机组的长周期稳定运行对聚乙烯装置意义重大。2挤压造粒工艺系统的工艺流程来自于脱气仓的粉料树脂经过破块器、振动筛后和来自于添加剂系统的添加剂一起进入到混炼机料斗中，经过混炼机２根相互咬合的螺杆混炼后，通过剪切和挤压呈高温熔融的状态（通过调节筒体间隙可以改变混炼温度和出口压力）。高温的熔融树脂经过熔融泵的增压通过换筛器的筛网过滤除去杂质，过滤后的洁净熔融树脂进入模板并被从细孔中挤出、进入切粒机封闭水腔，紧贴着模板的旋转切刀将模板挤出的物料在切粒水室内切成一定规格的树脂颗粒，并被循环的脱盐水冷却，颗粒和脱盐水通过颗粒水泵打入到干燥器，树脂颗粒在脱块器、离心干燥器经过除块、脱水干燥后通过风机送入产品料仓。挤压造粒系统工艺流程见图1。连续混炼机Y-7001X主减速箱主电机模板熔融泵切粒机电机Y-7007X熔融泵减速箱熔融泵电机Y-7004X...聚乙烯颗粒脱水干燥后去风送系统聚乙烯粉料自反应系统HV-5009X-8阀破块器振动筛粉料仓c-5009x启动电机换向阀颗粒水图1挤压造粒系统工艺流程3影响混炼机机组长周期运行的主要因素2001年开车以来，混炼机机组本身以及相关系统造成机组非正常停车700多次。从2001年运行到2009年，混炼机机组运行质量较差，特别是2004和2005年造粒机组停车次数达到233次、235次，平均每周停车2～3次。机组非正常停车包括多方面因素：设备设计因素、设备老化因素、工艺生产方面因素和人员操作因素等。3.1机组原始设计等方面存在一定不足CMP320型双螺杆（转子）混炼机，螺杆为异向非啮合单支撑悬臂结构，螺杆为非啮合形式，其结构比较紧凑、占地面积小；但是这种机型相对异向双支撑结构造粒机组故障率较高，在国内的石化用户使用中，陆续出现很多类似问题；对设备操作、运行维护和检修水平要求都比较高；异向双支撑混炼机虽然在前期设备购置费用较大，其运行相对比较稳定可靠；目前聚乙烯（PE）行业，异向双支撑结构造粒机组的市场份额逐年增加，据不完全统计，几乎达到50%以上的占有率；而异向非啮合单支撑结构的造粒机组，具有代表的供应商为日本JSW公司，市场占有率很低。（另一类机组为以CWP为代表的单支撑同向双螺杆挤压造粒机组）。机组在低负荷运行或加工树脂的熔融指数较大时，造成机组筒体内熔融树脂的温度升高，熔融树脂相当于轴承的润滑油，高温使树脂运动粘度降低，树脂膜支撑力减小，螺杆容易发生“摆臂”现象造成与筒体额外摩擦。2007年，混炼机发生一根螺杆传动轴断裂事故。主电机裕量大，机组比能耗高。该混炼机机组主电机及传动系统在设计上有超过正常10%～15%的余量。而在机组达到15t/h的额定生产能力时，主电机电流仅达到180A，远低于283A的报警电流，导致机组能耗较大。双转子连续混炼机具有较优异的轴向混合特性、混合效果柔和且分布混合效果优异。但由于机组的负荷相对较低，四段筒体内熔融树脂有时处于未充满状态，机组熔融泵入口位置压力波动较大、负值频率较高，机组内部噪音较大；造成熔融泵转数同步波动，熔融泵的变频器经常处于满负荷状态、故障率较高（变频器在夏季需增加临时通风降温措施）。由于机组现场仪表探头较多、设备外表结构较复杂，而已有的保温材料又过于厚重，因此从2001年开车以来一直没有对机组筒体外表进行保温，造成大量由电能转化的热能损耗。混炼机机组的模板加热原始设计为3.5MPa高压蒸汽加热，模板温度只能达到136℃、无法精确控制模板温度，正常生产和新品的试验受到设备能力的限制。机组相关仪表系统方面存在缺陷：混炼机机组本身的报警59个、联锁有50个，另外还有其他相关系统的可间接导致机组停车联锁20多个；原始设计中，与混炼机相关的造粒风送系统仪表的联锁设置存在问题。2011年有几次混炼机机组停车后，造粒控制系统（控制混炼机机组相关系统）上位机只有公共报警信号，并没有具体指示是哪个条件触发，无明确仪表报警记录。由于风送系统没有上位机，报警信息不完善，给机组停车原因分析判断带来一定困难。3.2装置工艺条件苛刻、产品切换频繁，聚合反应控制较差。由于市场竞争的需要以及经济效益压力，聚乙烯装置自主开发了一些具有高熔融指数、超低密度等特点的新产品。产品牌号频繁切换导致聚合反应系统情况不断恶化，主要是以己烯为共聚单体产品和高熔融指数产品生产间隔小、频次高，引起的聚合反应器分布板流化状态不好、换热器堵塞。产品牌号不同、粉料树脂的熔融指数波动较大，也在一定程度上影响了造粒机组的操作和稳定运行。聚合反应控制不好会造成粉料结块，混炼机主电机电流忽高忽低，增加了主电机电流高高报警联锁停车的危险。2001年～2009年，振动筛处平均每天截余结块树脂3～5袋（150～200Kg）。粉料树脂中的块料较多易使料仓底部、破块器上方出现“架桥”、破块器堵塞影响下料（粉料中有大块可直接造成破块器过载停车并引发机组停车）；造粒系统下料不畅将导致混炼机主电机电流低报联锁停车。粉料树脂膨化块多还容易堵塞包粉料管线，无法吹通时，只能停车处理。4机组长周期运行优化及改进措施针对机组在长周期运行方面存在的问题，利用设备停车检修改造等机会有针对性的消除设备缺陷、对设备进行了改进和技术升级，在管理方面提高用、管、修水平；加强了工艺技术管理与攻关。4.1对可能造成造粒混炼机停车的仪表联锁条件进行梳理、改进仪表控制。对造粒风送系统的联锁进行了梳理和逻辑控制整改，使联锁清晰准确；新风送触屏增加了确认按扭、新增五点报警，把新风送与新造粒PLC进行整合改造升级，完善了联锁报警功能。将颗粒水流量仪表的联锁引压管从蒸汽伴热改为电伴热，提高了测量的稳定性，避免了原来冬季寒冷季节存在的误联锁隐患。把误动作或误碰后能够造成停车的几个紧急停车按钮在控制台上都加装了透明保护罩;将控制系统上位机进行设备更新，避免了上位机“死机”情况发生。4.2机组筒体表面进行新型保温材料保温。2011-03，对混炼机筒体、熔融泵外表进行了T型保温涂料保温。T型保温涂料是一种集保温、隔热、防火、节能等各项性能于一体的新型保温材料，特别适用于传统保温材料较难施工或几何形状复杂的异型设备。T型保温涂料保温厚度只有传统保温材料的1/3～3/5，可实现保温层与被保温设备的整体密封。采用T型保温涂料，机组至少减少热量散失80%。4.3混炼机机组扩能改造2001年聚乙烯装置扩产改造为12万t/a，混炼机Y-7001X投入运行。刚投产时，聚合工段的聚乙烯粉料可完全造粒，但是经过工艺优化调整，到2005年聚乙烯产量达14万t/a，其中2万t/a粉料无法造粒，每年造成400多万元效益流失。经过计算和对机组各设备参数的复核，认为在不改动机组主电机和熔融泵的情况下,仅投入较少资金对模板进行扩能改造即可。在2012-08～09聚乙烯装置停车大修期间，将模板的3.5MPa蒸汽加热改为更加成熟可靠的热油加热，新增了热油控制系统。同时，更新了模板、扩大了模板的生产能力，保持模板外形及连接尺寸不变，孔数从1360个增加到1640个（提高20%造粒能力），并将切粒机切粒刀由原来的12把增加为16把。4.4优化聚合反应减少聚乙烯粉料结块为了减少聚乙烯粉料结块,对聚乙烯催化剂的配制、原料净化、聚合反应器参数的设定等方面都加强了管理。改良了催化剂配方、加强反应器流化状态的控制，规范反应器冷剂量持续微量注入方式，合理控制反应器料位，解决了对反应系统及后系统影响较大的反应器排料口结块、饼状粉料结块，并对反应器次要结块包括反应器器壁结片、催化剂分布不均匀结块、分布板堵塞造成结块、冷剂注入量大导致结块、露点操作引起分布板堵塞结块、产品出料罐中结块、静电结片提出了解决措施和监控判断方法，有效减少聚合反应器的结块数量。4.5加强设备特级维护、改进操作制定连续混炼机Y-7001X的特级维护方案，机、电、仪、管、操特护人员每天按时巡检，及时准确的了解和掌控设备运行情况。根据生产不同牌号而引起的工况变化及时调整工艺参数（筒体温度、筒体间隙和熔融泵入口压力、温度），使机组运行在最佳状态。车间对造粒机组关键运行参数进行摸索和总结，不断调整优化操作,结合统计的数据和经验完善机组操作法，有针对性的固化操作。加强岗位人员培训，提升操作技能。5优化运行、改进措施实施后效果5.1增加T型保温后、达到机组节能与提高运转质量两个方面效果。机组筒体加T型保温后,设备筒体外表温度从260℃下降到40℃左右，减少了热能无谓损耗，工作环境温度降低，极大改善了工作条件。增加T型保温后，节电效果明显。以生产最普通的DFDA-9020、9085牌号树脂为例，每年可节约电能75600kW·h。保温前机组的模板和筒体需要加热才能达到温度要求，增加T型保温后节约了大量蒸汽；保温后每年可节约3.5MPa蒸汽1700t。增加T型保温后机组筒体内部温度明显升高，机组四段筒体内部温度由210℃上升至250℃，筒体间隙放大5mm。在生产牌号、机组负荷相同情况下，熔融泵入口温度由188℃上升至195℃，说明树脂熔融情况良好，树脂的混炼效果提升，树脂可以更加平滑、连续稳定地到达泵入口；机组运行更加平稳。5.2机组生产能力和产品适应性提高2012-09大修期间对混炼机机组进行了模板热油改造和模板扩能改造，模板温度从原来只能达到136℃，提升为从DCS精确控制在120～160℃。机组生产能力从15t/h提高到16.5～17t/h，机组产能增加13%。主电机电流从180A增加到190A，电能比原设计额定工况增加6%。混炼机机组模板扩能改造后每吨产品能耗下降7%左右。机组负荷提高后，筒体噪音下降明显、熔融泵入口压力波动幅度减小，机组运行质量得到改善。5.3机组运行平稳、经济效益显著经过工艺调整优化，聚乙烯粉料结块情况明显改善。2010年开始粉料树脂中膨化块明显下降，到2011年、2012年以后平均每天结块不到1袋。经过精心维护、认真操作，2011年该造粒机组创造了连续运行65d的记录，2012年连续运行88d，2013年创造了连续运行102d的长周期运行新记录。据测算，每减少一次机组停车可减少1.38万元损失，最近三年由于长周期运行，机组减少损失在20～30万元左右。机组扩能改造后，聚乙烯粒料生产能力增加，每年产生的经济效益320万元。两年来，车间新增加了11个牌号产品的造粒，其中TJZS-2650牌号产品填补了