09.17 仅美德日掌握的石化核心设备,被西方封锁50年,她用5年成功造出

乙烯是世界上产量最大的化学产品之一,乙烯是石油化工最重要的基础原料,是石油化工产业的核心,乙烯产品占石化产品的75%以上,在国民经济中占有重要的地位。世界上已将乙烯产量作为衡量一个国家石油化工发展水平的重要标志之一。

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石油化工

譬如涤纶、腈纶、锦纶,现代服装业都是以它们为原料,才能制成大衣、运动服、衬衫、T恤等。

而乙烯属于特殊气体,它的相对分子质量是28.053在常压下为无色可燃性气体,具有烃类特有的臭味。标准状况下气体的密度1.2604kg/m3,液体的比重:0.5699(-103.9℃)熔点:-169.4℃,沸点:-103.9℃临界温度9.9℃,临界压力:5.137mpa,爆炸极限:2.7%~36%(体积)。

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所以根据乙烯的特性,其贮存除需要有良好的绝热保温性能以外,更需要考虑储存中的其它安全问题。只有通过压缩机压缩才可以进行长距离运输。

像伊朗。虽然拥有丰富的石油和天然气资源,是中东地区仅次于沙特的第二大石化生产国,但在西方制裁之下,一直无法使用大型乙烯装置来获得利润更高的石化产品。

而一套乙烯装置中,需要裂解气压缩机、丙烯压缩机和乙烯压缩机三套机组,并称为“乙烯三机”,这也是乙烯装置的“心脏设备”。

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乙烯装置

像我们平常衣服中使用到的合成纤维,就来自原油到乙烯的转变:前者被投入到裂解气压缩机,被分解为多种气体——这个过程被称为“裂解”。

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裂解气压缩机

其中一种气体丙烯,进入丙烯压缩机、在零下40摄氏度的环境下再分离,其结果进入可以提供零下102摄氏度低温环境的乙烯压缩机。这一系列过程最终得到的乙烯,有对称结构的两个碳原子和4个氢原子,这使它可以用于“粘连”其他原子,结果用来制造合成纤维、合成橡胶、合成塑料等产品。

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丙烯压缩机

它的制造工艺仅有美德日三个国家掌握,长期以来中国大型乙烯装置机组的设计制造技术依赖进口。

这也让中国在此领域一直受制于国外,一套乙烯装置投资动辄上百亿元,国外企业即使漫天要价,我们也只能无奈接受。不仅价格由对方说了算,交货期和售后服务也没有保证。而且国外企业对技术的保密做的十分严格,在技术交流的时候我们甚至都被严禁见到国外机组结构。

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乙烯压缩机

也正因为如此,我们虽然是全球第一服装大国,但在很多年里都无法用自己制造的机器生产合成纤维,可以说如何实现乙烯装置国产化,关系着国计民生。

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纤维

从1962年兰州石化成功研发这个第一套乙烯装置开始,那个时候连螺丝钉都还需要向西方进口,到1988年,中国才成功研制第一个乙烯装置的关键设备——仅1万吨级的裂解气压缩机,与西方存在巨大差距,再到21世纪,可以说中国人在乙烯装置上进行了半个世纪的探索。

2003年,沈鼓集团转制。此前它承担的大型乙烯裂解气压缩机、丙烯压缩机研发成功,并用于大庆乙烯装置扩建,打破了国外设备一统天下的被动局面,结束了我国大型乙烯装置压缩机长期依赖进口的历史。至此,中国只剩下“三机”中的乙烯压缩机还未攻克。

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乙烯压缩机在三机中尤为重要,一旦乙烯压缩机出现问题,整个装置都要停下来,而整个装置投料一次就要1亿多元,一旦有问题,就要把料都倒出来,整个炉子就全部报废。

这就相当于用百分之一的资金承担百分之百的风险,这就是为什么乙烯装置用压缩机这么多年不能国产化的一个重要原因。”

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而沈阳鼓风机集团股份有限公司的姜妍则成功突破了国外的技术封锁,掌握了百万吨乙烯压缩机技术。

姜妍从沈阳化工学院毕业后,就一直在沈阳鼓风机集团股份有限公司工作,一开始她主要是为压缩机做配套的容器、油站等,这让她对容器材料渐渐了如指掌,有时甚至能够同一段时间内接到30台容器设计,姜妍和她丈夫还开创了沈鼓二维微机绘制设计图纸的先河。

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转到主机岗位之后,姜妍参与了几百台压缩机的设计工作,2006年,国家决定在天津、镇海、抚顺建设三个百万吨乙烯项目。沈鼓集团承担了为这三个项目研制百万吨乙烯压缩机组的任务。33岁的姜妍主动承接了中国首台百万吨乙烯压缩机研制的挑战。

在同年,姜妍主持设计成功中国第一台45万吨级乙烯压缩机,成为乙烯装备制造业的一个转折点。

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这台45吨级的装备为后来更大型的乙烯压缩机积累了宝贵经验。在设计乙烯压缩机时一项核心难题就是乙烯压缩机组的运行温度要是-101℃,即使是三伏天,压缩机机壳上也会覆盖着厚厚的冰霜。而在压缩机内部,主轴还要驱动几吨重的叶轮以每分钟上万转的速度高速旋转,这都要求找到一种能够满足超低温工况运行的材料。

姜妍必须在上万种材料中,找出一种能够承受住-101℃的材料。姜妍和她的团队在几千页的材料手册中进行反复筛选,又做了大量的性能试验,终于确定了主轴材质。之后,姜妍又在20天里完成了对主轴结构的设计改造。

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除此之外,它要求在旋转过程中的震动振幅不超过25微米——头发丝的四分之一,在试车现场,姜妍一直盯着显示数据的屏幕,振幅数据往上涨,她心里就一哆嗦,最后试车成功终于让她放下了心。在攻克了一系列难关之后,我国第一台乙烯压缩机终于在姜妍的手中设计成功,她创造的“常温装配超低温运行的离心压缩机”也获得了国家专利。

百万吨级别的乙烯压缩机研制难度更高,由于运行工况复杂、设计难度极高,120万吨乙烯压缩机技术被誉为透平压缩机“皇冠上的明珠”。而当时在国内,百万吨乙烯压缩机不仅处于空白状态,而且一旦试验出问题将会造成一天上百万的损失。

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美国GE公司压缩机叶片

另外在2008年启动百万吨乙烯装置之前,中国甚至都没有能配合其研发的单元试验台。这种大型离心压缩机试验台,可以用来测试机器在各种工况和速率下的表现。

另外,技术封锁异常严密,相关资料更极度匮乏。姜妍团队穿梭于国内各大炼化厂之间,无数次爬上数十米高的进口乙烯装置工作台,观察外观结构和运行情况;然后走访国内各大科研院所,获取更为详细的资料信息;然后查验一本又一本厚厚的外文原版资料……设计失败、修改设计,再失败、再修改。

每天睡眠时间不足5个小时,300多份图纸小山般堆满工作台,电脑屏幕上数据密布排列,姜妍每天都在不断思考如何优化压缩机的机构。

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其中最大的难题就是百万吨乙烯压缩机的加气结构。常规压缩机为了提高压缩机整机效率,经过几级叶轮压缩到一定温度时必须对压缩介质进行冷却后再压缩,按此方法就要在百万吨乙烯压缩机上加多个风筒。这样一来,势必要将压缩机分成两部分制造,从而使设备的工作压力陡然增加、效率大幅降低。姜妍经过不断地摸索,认为-101℃的乙烯本身就是优异的制冷介质。

她大胆决定采用缸内加气方法,经过创新地缸内加气结构,可为用户直接节约资金7300万元。终于,姜妍团队经过反复验证形成了一套完美的百万吨乙烯压缩机设计方案。

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姜妍曾说:“看到国外的先进技术,还有别人的轻蔑,确实让人心里很受触动。我的性格就是,如果被人瞧不起,我一定要达到一个高度。虽然他们发展比中国早100年,但现在,我相信中国只是差距10年”。

而她用实际行动证明了这句话,从2006年造出第一台45万吨乙烯压缩机到2011年120万吨乙烯压缩机研制成功,在姜妍团队的努力拼搏下,发达国家在乙烯压缩机研制领域走了100年的历程,我国只用了短短几年的时间利用后发优势顺利实现弯道超车。

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2011年2月22日18时,在沈鼓集团总装车间,国内首台百万吨级乙烯压缩机试车成功,我国据此成为世界上能够自主设计研制百万吨级乙烯压缩机的第四个国家,沈鼓成为世界上第四个具有百万吨乙烯压缩机设计制造能力的企业。彻底终结了我国乙烯压缩机长期依赖进口的被动局面,打破了西方对中国长达50年的技术封锁,直接为国家节省进口设备资金50亿元。

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2018年4月26日,由姜妍主导设计的惠州炼化120万吨乙烯压缩机在用户现场开车成功。位于广东大亚湾基地、由中海壳牌石油化工有限公司投资总额466亿元建设的二期大石化项目,堪称“巨无霸”工程,其最核心的设备就是120万吨/年乙烯装置三机,这是我国首套且全球规模最大乙烯装置之一,姜妍还去伊朗谈了一个100万吨乙烯压缩机合同。

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,除此之外,姜妍还还先后完成大型乙烯装置机组、大型天然气液化、丁基橡胶装置等几十个重大项目,几年来,姜妍和她的团队设计创造的产值高达156亿元。

如今,姜妍正在研制150万吨乙烯压缩机,姜妍说:“目前140万吨项目的所有研发工作已经完成,虽然再次与国际巨头狭路相逢、同台竞技,但我们很有信心”!

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