JP2021067244A - エチレンプラント用チャージガス圧縮機トレイン - Google Patents

エチレンプラント用チャージガス圧縮機トレイン Download PDF

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Abstract

【課題】より小型で、かつ容量が拡大したエチレンプラント用チャージガス圧縮機トレインを提供する。【解決手段】エチレンプラント用チャージガス圧縮機トレインは、蒸気タービンと、蒸気タービンによって駆動されることでチャージガスを圧縮する圧縮部と、を備え、圧縮部は、複数の圧縮段のそれぞれのインペラがクローズドインペラであって、複数の圧縮段のうち少なくとも初段のクローズドインペラのブレードの外径が1400〜1800mmであって、初段のクローズドインペラのブレードの最外径位置での最高運転周速が350〜400m/sであって、出力が100〜140MWである。【選択図】図1

Description

本開示は、エチレンプラント用チャージガス圧縮機トレインに関する。
エチレンプラントは、ポリエチレン製品の原料となるエチレンガスを生成するための設備である。エチレンプラントでは、原油を蒸留することによって分離されたナフサがエチレンガスの原料として用いられる。エチレンガスを得るに当たっては、このナフサを熱分解してチャージガスを生成する工程と、チャージガス中の炭化水素を炭素数に応じて分離する工程とを実行する。
ナフサを熱分解することによって、分子量がより小さな炭化水素を含むチャージガスが生成される。具体的には、この工程では、ナフサを水蒸気とともに、高温の管路に流通させる。高温下でナフサが自然に熱分解して分子鎖が切断され、低分子量の炭化水素となる。この状態では、一例としてエチレンやプロピレン等の複数の分子がチャージガス中に混在している。次の蒸留工程でこのチャージガスを蒸留することによって、炭素数ごとに分離する。ここで、蒸留工程は、チャージガスと高温の蒸気との間における気液平衡に基づいて行われる。したがって、チャージガスを圧縮して液化する必要がある。このため、エチレンプラントは、チャージガスを圧縮するための圧縮機と、これを駆動するための駆動源(一例として蒸気タービン)とを備えている(下記特許文献1参照)。
特許文献1に記載された圧縮機は、円盤状のディスクと、このディスクの一方側の面上に配列された複数のブレードとを有するオープンインペラを有している。
特表2018−524519号公報
ここで、オープンインペラは、ブレードを覆うシュラウド(カバー)を有していない。したがって、当該シュラウドを有するクローズドインペラに比べて、ガスの漏れ量が大きくなる傾向にある。その結果、圧縮機としての効率が低くなってしまう。この効率低下を補うために、インペラの個数を増やしたり、インペラの径を大きくしたりする必要が生じる。これにより、圧縮機の寸法体格が過度に大きくなり、建造コストやメンテナンスコストの上昇を招く虞がある。
本開示は上記課題を解決するためになされたものであって、より小型で、かつ容量が拡大したエチレンプラント用チャージガス圧縮機トレインを提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本開示に係るエチレンプラント用チャージガス圧縮機トレインは、蒸気タービンと、該蒸気タービンによって駆動されることでチャージガスを圧縮する圧縮部と、を備え、前記圧縮部は、複数の圧縮段のそれぞれのインペラがクローズドインペラであって、前記複数の圧縮段のうち少なくとも初段の前記クローズドインペラのブレードの外径が1400〜1800mmであって、前記初段の前記クローズドインペラのブレードの最外径位置での最高運転周速が350〜400m/sであって、出力が100〜140MWである。
本開示によれば、より小型で、かつ容量が拡大したエチレンプラント用チャージガス圧縮機トレインを提供することができる。
本開示の実施形態に係る圧縮機トレインの構成を示す模式図である。 本開示の実施形態に係る圧縮部の要部拡大断面図である。 図2のA−A線における矢視図である。
以下、本開示の実施形態に係るエチレンプラント用チャージガス圧縮機トレイン1(以下、圧縮機トレイン1と呼ぶ。)について、図1から図3を参照して説明する。圧縮機トレイン1は、エチレンガスを生成するエチレンプラントで、チャージガスを圧縮するために用いられる。本実施形態に係る圧縮機トレイン1は100〜140MWの出力を有し、これにより、年産300万トンのエチレンガスを製造することが可能な大型のエチレンプラントに特に好適に用いられる。
エチレンプラントは、ポリエチレン製品の原料となるエチレンガスを生成するための設備である。エチレンプラントでは、原油を蒸留することによって分離されたナフサがエチレンガスの原料として用いられる。エチレンガスを得るに当たっては、このナフサを熱分解してチャージガスを生成する工程と、チャージガス中の炭化水素を炭素数に応じて分離する工程とを実行する。
ナフサを熱分解することによって、分子量がより小さな炭化水素を含むチャージガスが生成される。具体的には、この工程では、ナフサを水蒸気とともに、高温の管路に流通させる。高温下でナフサが自然に熱分解して分子鎖が切断され、低分子量の炭化水素となる。この状態では、一例としてエチレンやプロピレン等の複数の分子がチャージガス中に混在している。次の蒸留工程でこのチャージガスを蒸留することによって、炭素数ごとに分離する。ここで、蒸留工程は、チャージガスと高温の蒸気との間における気液平衡に基づいて行われる。したがって、チャージガスを圧縮して液化する必要がある。このため、エチレンプラントは、圧縮機トレイン1を備えている。
図1に示すように、圧縮機トレイン1は、蒸気タービン10と、圧縮部20と、を備えている。蒸気タービン10は、回転軸11と、この回転軸11の外周面に設けられた複数のタービンブレードBtからなる段落12と、これら回転軸11及びタービンブレードBtを外周側から覆うタービンケーシング13と、を有している。この蒸気タービン10は複数の段落12を有している。望ましくは段落12の数は13段とされる。また、詳しくは図示しないが、タービンケーシング13の内周側には、ブレードBtと交互になるようにノズル(タービン静翼)が設けられている。タービンケーシング13内に導入された高温高圧の蒸気は、タービンブレードBtに衝突することで回転軸11に回転力を与える。この回転力は、軸端に接続された駆動軸50を通じて、圧縮部20の駆動に用いられる。さらに、回転軸11のうち、タービンケーシング13から突出する部分の長さは、1000〜1500mmとされる。
なお、この蒸気タービン10は、入口流量が1000〜1200t/hであり、抽気量が700〜1000t/h、回転数の上限が4500rpmであることが望ましい。さらに、この蒸気タービン10は、インナーバー型調節弁を有する。
圧縮部20は、低圧圧縮部LPと、高圧圧縮部HPと、駆動軸50と、を有している。低圧圧縮部LPと高圧圧縮部HPは、共通の駆動軸50によって接続されている。つまり、蒸気タービン10によって駆動軸50を回転させることで、これら低圧圧縮部LPと高圧圧縮部HPとがともに駆動する。
詳しくは後述するが、低圧圧縮部LP、及び高圧圧縮部HPは、複数のインペラ40(図2参照)と、これらインペラ40を外側から覆うケーシングを有している。低圧圧縮部LPのケーシング(低圧ケーシングLc)と、高圧圧縮部HPのケーシング(高圧ケーシングHc)とは、互いに独立している。つまり、この圧縮機トレイン1は、蒸気タービン10のタービンケーシング13と合わせて、合計3つのケーシングのみを有している。
低圧圧縮部LPは、チャージガスを低圧ケーシングLc内に流入して吐出されるまでの部分を1つのセクションとして、複数(3つ)のセクション21L、22L、23Lを有している。チャージガスの流れ方向に沿って上流側から下流側に向かってこれらセクション21L、22L、23Lがこの順で配列されている。
最も上流側に位置する低圧第一セクション21Lには、エチレンプラント中の先行するプロセスで生成されたチャージガスが導入される低圧第一導入部S1と、当該低圧第一セクション21Lで圧縮されたチャージガスを吐出する低圧第一吐出部E1とが設けられている。低圧第一吐出部E1から吐出されたチャージガスは、エチレンプラントに含まれる所定の処理をチャージガスに対して行う処理部p1を経て、隣接する低圧第二セクション22Lに送られる。
低圧第一セクション21Lの下流側には、低圧第二セクション22Lが設けられている。低圧第二セクション22Lは、処理部p1から供給されたチャージガスを導入する第二低圧導入部S2と、低圧第二セクション22Lでさらに圧縮されたチャージガスを吐出する低圧第二吐出部E2とが設けられている。低圧第二吐出部E2から吐出されたチャージガスは、所定の処理をチャージガスに対して行う処理部p2を経て、隣接する低圧第三セクション23Lに送られる。
低圧第二セクション22Lの下流側には、低圧第三セクション23Lが設けられている。低圧第三セクション23Lは、処理部p2から供給されたチャージガスを導入する第三低圧導入部S3と、低圧第三セクション23Lでさらに圧縮されたチャージガスを吐出する低圧第三吐出部E3とが設けられている。低圧第三吐出部E3から吐出されたチャージガスは、所定の処理をチャージガスに対して行う処理部p3を経て、高圧圧縮部HPに送られる。
高圧圧縮部HPは、低圧圧縮部LPと同様に、チャージガスを高圧ケーシングHc内に流入して吐出されるまでの部分を1つのセクションとして、複数(2つ)のセクション31H、32Hを有している。チャージガスの流れ方向に沿って上流側から下流側に向かってこれらセクション31H、32Hがこの順で配列されている。
最も上流側に位置する高圧第一セクション31Hには、低圧圧縮部LPで圧縮されたチャージガスが導入される高圧第一導入部S4と、当該高圧第一セクション31Hで圧縮されたチャージガスを吐出する高圧第一吐出部E4とが設けられている。高圧第一吐出部E4から吐出されたチャージガスは、エチレンプラントに含まれる所定の処理をチャージガスに対して行う処理部p4を経て、隣接する高圧第二セクション32Hに送られる。
高圧第一セクション31Hの下流側には、高圧第二セクション32Hが設けられている。高圧第二セクション32Hは、処理部p4から供給されたチャージガスを導入する第二高圧導入部S5と、高圧第二セクション32Hでさらに圧縮されたチャージガスを吐出する高圧第二吐出部E5とが設けられている。高圧第二吐出部E5から吐出されたチャージガスは、所定の処理をチャージガスに対して行う処理部p5に送られる。なお、上述の各セクション21L、22L、23L、31H、32Hから吐出されるチャージガスの温度が80〜120℃とされる。
上述した低圧第一セクション21L、低圧第二セクション22L、低圧第三セクション23L、高圧第一セクション31H、及び高圧第二セクション32Hは、それぞれ複数のインペラ40を有している。つまり、各セクションは、1つのインペラ40によって形成される圧縮段を複数ずつ有している。一例として、本実施形態に係る圧縮機トレイン1では、低圧圧縮部LPは4つの圧縮段を有し、高圧圧縮部HPは6つの圧縮段を有している。
さらに、詳しくは図示しないが、低圧圧縮部LPのケーシング(低圧ケーシングLc)では、駆動軸50の延びる方向の両側にノズルが1つずつ設けられている。これらノズルは、高圧圧縮部HPのケーシング(高圧ケーシングHc)、及び蒸気タービン10のケーシング(タービンケーシング13)と干渉しないように低圧ケーシングLcから突出するように延びている。
次いで、図2と図3を参照してインペラ40の構成について説明する。図2に示すように、インペラ40は、ディスク41と、ブレード42と、シュラウド43とを有している。ディスク41は、上述の駆動軸50の中心軸線(軸線O)を中心とする円盤状をなしている。ディスク41における軸線O方向一方側を向く面はディスク主面41Aとされている。ディスク主面41Aは、軸線O方向一方側から他方側に向かうに従って、径方向外側に向かって湾曲している。ディスク主面41Aには、複数のブレード42が配列されている。ブレード42については後述する。ディスク主面41Aと反対側を向く面はディスク背面41Bとされている。ディスク41における径方向内側を向く面はディスク内周面41Cとされている。ディスク内周面41Cは、駆動軸50の外周面と当接している。ディスク41における径方向外側を向く面はディスク外周面41Dとされている。
ブレード42は、ディスク主面41A上で、周方向に間隔を空けて複数設けられている。各ブレード42は、軸線O方向一方側の端縁である前縁Lから、他方側の端縁である後縁Tにかけて、ディスク主面41Aに沿って伸びている。つまり、ブレード42は、軸線O方向一方側から他方側に向かうに従って、径方向内側から外側に向かって延びている。前縁Lは、直線部Sと、曲線部Cとを有している。直線部Lcは、径方向外側から内側に向かうに従って軸線O方向他方側に向かって直線状に延びている。つまり、直線部Sは、径方向を基準として、軸線O方向他方側に後退している。曲線部Cは、直線部Sの径方向内側の端部から径方向内側に向かうに従って、軸線O方向一方側に向かって次第に湾曲している。より具体的には、曲線部Cは径方向内側に向かって凸となる曲線状をなしている。
上述の低圧圧縮部LPにおける初段(つまり、低圧第一セクション21Lにおける一段目のインペラ40)では、ブレード42の外径寸法(つまり、軸線Oから後縁Tまでの径方向の寸法)は、1400〜1800mmとされている。また、ブレード42の最外径位置での最高運転周速は、350〜400m/sとなるように、駆動軸50の回転数が設定される。
シュラウド43は、上記の複数のブレード42を外周側から覆う漏斗状をなしている。シュラウド43における径方向内側を向く面であるシュラウド内周面43Aは、ブレード42の径方向外側の端縁に接続されている。シュラウド内周面43Aは、軸線O方向一方側から他方側に向かうに従って径方向内側から外側に向かって延びている。シュラウド43における径方向外側を向く面であるシュラウド外周面43Bは、シュラウド内周面43Aと同様に、軸線O方向一方側から他方側に向かうに従って径方向内側から外側に向かって延びている。本実施形態では、シュラウド43の径方向外側における肉厚が、従来のクローズドインペラに適用されるシュラウドよりも大きく設定されている。なお、ブレード42のディスク41及びシュラウド43に対する角度は、0°より大きく90°より小さく設定されている。
ブレード42がこのような構成を採ることによって、上述のように高い周速(350〜400m/s)でインペラ40を回転させた場合にも、ブレード42にかかる応力に対して十分に抗することができる。
さらに、上記構成によれば、各圧縮段におけるそれぞれのインペラ40がクローズドインペラであることから、チャージガスの漏れ量を低減することができる。一方で、インペラ40がシュラウド43を有しない場合(つまり、インペラ40がオープンインペラである場合)に比べて、シュラウド43とケーシングの内周面との間におけるチャージガスの漏れ量が増大してしまう。しかしながら、本実施形態に係る構では、このような漏れが生じる可能性を低減することができる。これにより、インペラ40の個数を増やしたり、インペラ径を大きくしたりすることなく、圧縮段当たりの仕事量を増大させることができる。その結果、圧縮機トレイン1の容量を増大させることができる。
上記構成によれば、各セクション21L、22L、23L、31H、及び32Hから吐出されるチャージガスの温度が80〜120℃であることから、チャージガス中にファウリングが発生しやすい状態となっている。しかしながら、各圧縮段はオープンインペラではなく、クローズドインペラとしてのインペラ40を有していることから、ファウリングがブレード42に直接衝突する可能性が低くなる。その結果、ブレード42に欠損や磨耗を生じる可能性を低減することができる。
上記構成によれば、高圧圧縮部HP、及び低圧圧縮部LPがそれぞれ複数のセクションを有する。これにより、高圧圧縮部HP、及び低圧圧縮部LPの容量を拡大することができる。また、高圧圧縮部HPと低圧圧縮部LPとは互いに別に設けられた高圧ケーシングHc、及び低圧ケーシングLcをそれぞれ有している。これにより、蒸気タービン10のタービンケーシング13と合わせて合計3つのケーシングのみによってエチレンプラント用チャージガス圧縮機トレイン1を構成することができる。即ち、装置の寸法体格を小さく抑えつつ、圧縮部20としての容量を拡大することができる。
上記構成によれば、低圧圧縮部LPは高圧圧縮部HPよりも多くのセクションを有する。したがって、当該低圧圧縮部LPでチャージガスを十分に圧縮した後に、高圧圧縮部HPでさらに圧縮することができる。これにより、高圧圧縮部HPに要求される負荷が小さく抑えられる。その結果、高圧圧縮部HPの寸法体格を小さくすることができる。
上記構成によれば、蒸気タービン10が衝動型であることから、当該蒸気タービン10における一段落当たりの熱落差を大きく取ることができる。その結果、段落数が小さく抑えられることから、蒸気タービン10の寸法体格を小さくすることができる。
以上、本開示の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施の形態に限られるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
<付記>
各実施形態に記載の装置Xは、例えば以下のように把握される。
(1)第1の態様に係るエチレンプラント用チャージガス圧縮機トレイン1は、蒸気タービン10と、該蒸気タービン10によって駆動されることでチャージガスを圧縮する圧縮部20と、を備え、前記圧縮部20は、複数の圧縮段のそれぞれのインペラ40がクローズドインペラであって、前記複数の圧縮段のうち少なくとも初段の前記クローズドインペラ40のブレード42の外径が1400〜1800mmであって、前記初段の前記クローズドインペラ40のブレード42の最外径位置での最高運転周速が350〜400m/sであって、出力が100〜140MWである。
上記構成によれば、各圧縮段におけるそれぞれのインペラ40がクローズドインペラであることから、チャージガスの漏れ量を低減することができる。これにより、インペラ40の個数を増やしたり、インペラ径を大きくしたりすることなく、圧縮段当たりの仕事量を増大させることができる。
(2)第2の態様に係るエチレンプラント用チャージガス圧縮機トレイン1では、前記圧縮部20は、該圧縮部20に前記チャージガスが流入して吐出されるまでの部分を1セクションとして複数のセクションを有しており、各前記セクションから吐出される前記チャージガスの温度が80〜120℃である。
上記構成によれば、各セクションから吐出されるチャージガスの温度が80〜120℃であることから、チャージガス中にファウリングが発生しやすい状態となっている。しかしながら、各圧縮段はオープンインペラではなく、クローズドインペラを有していることから、ファウリングがブレード42に直接衝突する可能性が低くなる。その結果、ブレード42に欠損や磨耗を生じる可能性を低減することができる。
(3)第3の態様に係るエチレンプラント用チャージガス圧縮機トレイン1では、前記圧縮部20は、高圧ケーシングHcを有する高圧圧縮部HP、及び前記高圧ケーシングHcとは別に設けられた低圧ケーシングLcを有する低圧圧縮部LPを有し、前記高圧圧縮部HP、及び前記低圧圧縮部LPは、それぞれ複数の前記セクションを有する。
上記構成によれば、高圧圧縮部HP、及び低圧圧縮部LPがそれぞれ複数のセクションを有する。これにより、高圧圧縮部HP、及び低圧圧縮部LPの容量を拡大することができる。また、高圧圧縮部HPと低圧圧縮部LPとは互いに別に設けられた高圧ケーシングHc、及び低圧ケーシングLcをそれぞれ有している。これにより、蒸気タービン10のケーシング(タービンケーシング13)と合わせて合計3つのケーシングのみによってエチレンプラント用チャージガス圧縮機トレイン1を構成することができる。即ち、装置の寸法体格を小さく抑えつつ、圧縮部20としての容量を拡大することができる。
(4)第4の態様に係るエチレンプラント用チャージガス圧縮機トレイン1では、前記低圧圧縮部LPは、前記高圧圧縮部HPよりも多くの前記セクションを有する。
上記構成によれば、低圧圧縮部LPは高圧圧縮部HPよりも多くのセクションを有する。したがって、当該低圧圧縮部LPでチャージガスを十分に圧縮した後に、高圧圧縮部HPでさらに圧縮することができる。これにより、高圧圧縮部HPに要求される負荷が小さく抑えられる。その結果、圧縮部20の寸法体格を小さくすることができる。
(5)第5の態様に係るエチレンプラント用チャージガス圧縮機トレイン1では、前記蒸気タービン10は、前記圧縮部20と同軸に接続された回転軸11、及び該回転軸11の外周面に配列された複数のタービンブレードBtからなる段落12を複数有し、各前記段落12で、外部から導入された蒸気が前記タービンブレードBtに衝突することで前記回転軸11に回転力を与える衝動型である。
上記構成によれば、蒸気タービン10が衝動型であることから、当該蒸気タービン10における一段落当たりの熱落差を大きく取ることができる。その結果、段落数が小さく抑えられることから、蒸気タービン10の寸法体格を小さくすることができる。
1 エチレンプラント用チャージガス圧縮機トレイン(圧縮機トレイン)
10 蒸気タービン
11 回転軸
12 段落
13 タービンケーシング
20 圧縮部
21L 低圧第一セクション
22L 低圧第二セクション
23L 低圧第三セクション
31H 高圧第一セクション
32H 高圧第二セクション
40 インペラ
41 ディスク
41A ディスク主面
41B ディスク背面
41C ディスク内周面
41D ディスク外周面
42 ブレード
L 前縁
S 直線部
C 曲線部
T 後縁
43 シュラウド
43A シュラウド内周面
43B シュラウド外周面
50 駆動軸
S1 第一低圧導入部
S2 第二低圧導入部
S3 第三低圧導入部
S4 第一高圧導入部
S5 第二高圧導入部
E1 第一低圧吐出部
E2 第二低圧吐出部
E3 第三低圧吐出部
E4 第一高圧吐出部
E5 第二高圧吐出部
Hc 高圧ケーシング
Lc 低圧ケーシング
O 軸線
p1,p2,p3,p4,p5 処理部

Claims (5)

  1. 蒸気タービンと、
    該蒸気タービンによって駆動されることでチャージガスを圧縮する圧縮部と、
    を備え、
    前記圧縮部は、複数の圧縮段のそれぞれのインペラがクローズドインペラであって、
    前記複数の圧縮段のうち少なくとも初段の前記クローズドインペラのブレードの外径が1400〜1800mmであって、
    前記初段の前記クローズドインペラのブレードの最外径位置での最高運転周速が350〜400m/sであって、
    出力が100〜140MWであるエチレンプラント用チャージガス圧縮機トレイン。
  2. 前記圧縮部は、該圧縮部に前記チャージガスが流入して吐出されるまでの部分を1セクションとして複数のセクションを有しており、
    各前記セクションから吐出される前記チャージガスの温度が80〜120℃である請求項1に記載のエチレンプラント用チャージガス圧縮機トレイン。
  3. 前記圧縮部は、高圧ケーシングを有する高圧圧縮部、及び前記高圧ケーシングとは別に設けられた低圧ケーシングを有する低圧圧縮部を有し、
    前記高圧圧縮部、及び前記低圧圧縮部は、それぞれ複数の前記セクションを有する請求項2に記載のエチレンプラント用チャージガス圧縮機トレイン。
  4. 前記低圧圧縮部は、前記高圧圧縮部よりも多くの前記セクションを有する請求項3に記載のエチレンプラント用チャージガス圧縮機トレイン。
  5. 前記蒸気タービンは、
    前記圧縮部と同軸に接続された回転軸、及び該回転軸の外周面に配列された複数のタービンブレードからなる段落を複数有し、
    各前記段落で、外部から導入された蒸気が前記タービンブレードに衝突することで前記回転軸に回転力を与える衝動型である請求項1から4のいずれか一項に記載のエチレンプラント用チャージガス圧縮機トレイン。
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