1.乙烯“三机”

乙烯是整个石油化工行业的核心，在一个国家的国民经济中占有重要的地位，世界上已经将乙烯工业的发展作为衡量一个国家石油化工发展水平的重要标志之一。而乙烯装置所用的压缩机——乙烯压缩机、丙烯压缩机、裂解气压缩机（简称乙烯“三机”），因为处于乙烯生产的源头位置，而成为整个乙烯装置乃至化工流程的心脏设备，在石油化工行业中具有非常重要的地位。乙烯“三机”的技术长期以来一直为世界少数几大公司垄断，中国石化企业的几十套乙烯装置压缩机全部从国外进口。因此，乙烯“三机”国产化是百万吨乙烯装备国产化的重要标志，发展乙烯工业必须突破“三机”的门槛。

1995年，中石化总公司开始对所属企业的30万t/年乙烯装置进行梯次性扩建，其中大庆石化公司将原有的30万t/年乙烯装置扩建为48万t/年。在机械工业部和中石化总公司的高度重视和支持下，在大庆石化公司和20多家科研机构、高等院校的配合下，沈鼓集团开展关键部件和工艺攻关。1999年12月，裂解气压缩机和丙烯制冷压缩机在大庆石化公司48万t/年乙烯装置上一次开车成功，投入平稳运行。

2000年，沈鼓集团又承担了上海金山石化公司36万t/年乙烯改造工程裂解气压缩机组的设计制造任务，也同样一次试车成功并投料生产。

之后，茂名石化公司64万t/年乙烯改造工程裂解气压缩机的制造任务再次由沈鼓集团承担。该机组完全是自主创新开发的具有国际先进水平的国产化大型裂解气压缩机组。

2011年，沈鼓集团为中石化武汉石化公司研制的80万t/年乙烯装置用乙烯“三机”是第一次在一套大型乙烯装置上实现乙烯“三机”国产化，为百万吨级乙烯装置用乙烯“三机”国产化打下了基础。

在80万t/年乙烯“三机”研制技术的基础上，在国家发改委、国家能源局、国家科技部、中国机械工业联合会以及中石化、中石油等部门的大力支持下，沈鼓集团百万吨级乙烯“三机”的攻关研制取得了丰硕成果。2006年，沈鼓集团分别与中石化天津石化分公司签订了100万t/年乙烯装置裂解气压缩机组订货合同，与中国石化镇海炼化分公司签订了100万t/年乙烯装置丙烯制冷压缩机组订货合同。同时，百万吨级乙烯装置用裂解气压缩机组研制和百万吨级乙烯装置用丙烯制冷压缩机组研制被列入国家科技支撑计划，得到了国家部委和中石化等有关部门的高度重视和大力支持。2008年，沈鼓集团又与中石油抚顺石化分公司签订了100万t/年乙烯装置乙烯制冷压缩机组订货合同。

1）百万吨级乙烯装置用丙烯制冷压缩机组（见图A-6）。2010年4月，丙烯制冷压缩机在镇海炼化实物料试车成功，转入正常运行。2011年1月，通过了科技部组织的“十一五”国家科技支撑计划“百万吨级乙烯装置丙烯制冷压缩机组研制”课题验收。2013年4月，通过了中国石油化工股份有限公司主持的科技成果鉴定，认为该丙烯压缩机组于2010年4月在镇海炼化百万吨级乙烯装置投入运行至今，各项技术指标达到设计要求，满足生产工艺需要，机组性能良好，运转平稳可靠。该项目的研制成功，填补了国内空白，打破了该类产品长期依赖进口的局面，其技术指标达到了国际先进水平，具有显著的经济和社会效益。

图A-6 百万吨级乙烯装置用丙烯制冷压缩机组

在百万吨级乙烯装置丙烯制冷压缩机组国产化研制过程中，沈鼓集团攻克了包括百万吨级乙烯装置用压缩机技术方案优化、大加（抽）气量对压缩机性能的影响、压缩机排气蜗壳的气动分析、大型压缩机转子可靠性研究、大直径三元叶轮铣制效率提高压缩机机械运转试验性能达到国际水平、丙烯压缩机厂内性能试验、离心压缩机噪声分析及改进等13项前沿技术难题。杭汽集团在汽轮机设计方法、汽轮机结构系统和布置方式、温度补偿技术创新等8个方面也取得了丰硕的科技成果。

2）百万吨级乙烯装置用裂解气压缩机组（见图A-7）。该裂解气压缩机组于2009年10月在天津石化一次开车成功，2010年1月投入工业运行。2011年1月，通过了科技部组织的“十一五”国家科技支撑计划“百万吨级乙烯装置裂解气压缩机组研制”课题验收。2014年10月，通过了中国石油化工股份有限公司主持的科技成果鉴定，认为该裂解气压缩机组于2010年1月在中石化天津分公司百万吨级乙烯装置投入运行至今，各项技术指标达到设计要求，满足生产工艺需要，机组性能良好，运转平稳可靠。整体指标达到了国际先进水平，部分指标优于国际先进水平。

在研制过程中，沈鼓集团开展了百万吨级乙烯装置用压缩机技术方案优化、压缩机中间级喷液对机组性能的影响、大型压缩机机壳结构优化、压缩机排气蜗壳的气动分析等12项技术攻关，并取得了重大科技成果。杭汽集团在汽轮机设计方法、汽轮机结构系统和布置方式等8个方面也取得了丰硕的科技成果。

3）百万吨级乙烯装置用乙烯压缩机组（见图A-8）。2012年11月，乙烯压缩机组在抚顺石化投入工业运行。经过运行考核证明，各项技术指标达到设计要求，满足生产工艺需要，机组性能良好，运转平稳可靠。

图A-7 百万吨级乙烯装置用裂解气压缩机组

在研制过程中，沈鼓集团完成了大型铸造机壳抽加气蜗室的结构规划和性能分析、复杂制冷工艺流程压缩机组防喘系统的设计、低温材料整体铣制叶轮的设计、复杂制冷工艺流程用压缩机组的相关辅助系统的成套设计等10项技术攻关，并取得了重大科技成果。

图A-8 百万吨级乙烯装置用乙烯压缩机组

我国首套百万吨级乙烯“三机”国产化研制取得的突破性胜利，标志着我国乙烯装置配套压缩机组的制造水平已处于世界先进行列。沈鼓集团成为国际上继美国埃里奥特、德国西门子、日本三菱之后第四家具有百万吨级乙烯压缩机产品制造业绩的高端压缩机制造厂商，打破了国外一统天下的局面，结束了我国大型乙烯装置压缩机长期依赖进口的历史，为民族装备制造业的振兴做出了重大贡献。

2014年，沈鼓集团为中海石油炼化有限责任公司惠州炼油分公司制造出国内领先、国际先进的高效、高可靠性的120万t/年乙烯装置用乙烯“三机”，该机组已经通过国家能源局组织的新产品验收。

2.乙烯冷箱

乙烯冷箱是乙烯装置中的关键设备之一，工作温度在-170～40℃，依靠其降低工艺物流的温度来低温回收乙烯和提浓氢气，降低CH₄与H₂浓度比，提高乙烯回收率。乙烯冷箱的核心是内部的多组铝制板翅式换热器，多股裂解后的烃类物料在此进行复杂、有相变的热交换，实现低温分离。乙烯装置规模不同，所用冷箱大小也相差较大。

乙烯冷箱由于其结构复杂，制造难度大，过去一直依靠进口。自20世纪90年代我国空分设备制造业开始研发乙烯冷箱，努力实现国产化，并经过数十年的努力，取得了从20万t/年到百万吨级乙烯冷箱国产化的巨大成功。目前，大型乙烯冷箱用高压板翅式换热器世界上仅有法国诺顿公司、美国CHART公司、日本住友公司、日本神钢公司、德国林德公司和中国杭州制氧机集团有限公司（简称杭氧集团）、四川空分设备股份公司能够生产。

（1）“九五”国家重点科技项目攻关计划——乙烯冷箱国产化研制 “九五”期间，杭氧集团承担了乙烯冷箱国产化研制任务。依托国家“九五”乙烯改扩建工程和设备更新改造工程，杭氧集团完成了国家重点科技项目攻关计划——乙烯冷箱国产化研制，技术指标达到20世纪90年代国外同期工程的水平：在同一换热器内有15股流体同时换热，其中多股介质为两相流，设计压力达5.2MPa，外形尺寸6000mm×1100mm×1054mm。

1999年杭氧集团承担了燕山石化66万t/年乙烯冷箱改造项目，2002年投入运行一次开车成功；此后，2003年中原20万t/年乙烯冷箱、天津20万t/年乙烯冷箱也相继开车成功。国产成套乙烯冷箱填补了国内空白，为国家节约了大量投资，开车以来一直运行良好。

（2）“十五”国家重大技术装备研制项目（科技攻关）计划——60万～80万t/年乙烯冷箱研制 “十五”期间，杭氧集团依托齐鲁石化72万t/年乙烯改造工程和茂名石化100万t/年乙烯冷箱改造项目，完成了国家重大技术装备研制项目（科技攻关）计划——60万～80万t/年乙烯冷箱研制任务。(www.daowen.com)

齐鲁石化乙烯冷箱于2003年签订合同，2004年设备制造完成，2006年装置开车，运行良好。茂名石化原为36万t/年乙烯装置，改造后新增一条64万t/年的乙烯装置，总生产能力达到100万t/年。其冷箱是杭氧集团独立设计和制造的，2004年签订合同，2006年初制造完成，2006年开车成功，是当时LUMMUS三元制冷工艺中最大冷箱。在此基础上，2004—2008年，杭氧集团先后设计制造了上海金山石化70万t/年乙烯冷箱、辽阳石化20万t/年乙烯冷箱、广石化20万t/年乙烯冷箱、兰州石化32万t/年乙烯冷箱、扬子石化65万t/年乙烯冷箱，均运行良好。

（3）“十一五”国家重大技术装备研制项目（科技攻关）计划——百万吨级乙烯冷箱研制

1）研制过程。在国家科技部、中国石化集团公司的大力支持下，百万吨级乙烯冷箱的开发与研制项目纳入国家“十一五”科技支撑计划。该项目以天津100万t/年乙烯项目和镇海炼化100万t/年乙烯项目为依托工程，先后完成了传热计算和物性计算、开车模拟软件的引进和二次开发，完成了特殊品种专用材料的开发和供应渠道建立，完成了部分新型翅片开发。2011年通过国家科技部的验收。

2）依托工程项目。天津100万t/年乙烯冷箱（见图A-9）研制于2007年5月签订合同，2009年2月产品交付，同年10月冷箱一次开车成功，各项技术指标均满足或超过工艺要求。该冷箱采用二元制冷工艺流程，冷箱最大外形尺寸为7000mm×4400mm×33000mm。

镇海100万t/年乙烯冷箱（见图A-10）研制于2007年8月签订合同，2009年8月产品交付，2010年4月20日冷箱一次开车成功。该冷箱采用二元制冷工艺流程，冷箱最大外形尺寸为7400mm×4000mm×30000mm。

图A-9 天津100万t/年乙烯冷箱出厂

图A-10 镇海100万t/年乙烯冷箱

3）研发项目取得的成果及创新性。研发项目解决的关键技术问题和创新点包括：提高冷箱内单位体积换热器的传热系数和传热效率，冷箱结构更紧凑；研制出一批新型高效翅片；对不同流体的需要，开发了多种气液均布装置，保证换热器通道内部两相流的均匀分布，提高换热效果；研发出满足最高设计压力为6.2MPa，长度约为7m，横截面尺寸接近1.3m×1.3m，单重约为16t的超大型换热器钎焊工艺。

4）试验基地、中试线、生产线建设。在项目的开发研制过程中，杭氧集团通过迁扩建工程建成了杭氧集团临安制造基地（见图A-11），完成了产业的调整、生产组织的改进和技术装备的升级，具备了8万～10万m³/h等级空分装置、百万吨级乙烯冷箱等设备的制造能力。产品组装场地及配备的起重机起重能力普遍得到了扩大和提高，特别是重型组装车间最大起重能力为两台100t起重机，满足了百万吨级乙烯冷箱的组装要求；从国外进口了数控快速成形高密度翅片压力机，并与国内科研单位合作，共同研制了国产数控快速（120次/min）、扩幅（宽600mm）翅片成形压力机及配套模具；新增了国内最大、最先进的真空钎焊炉，全年可钎焊板翅式换热器3000t左右，制造板翅式换热器的最大尺寸为8000mm×1300mm×1800mm，最大耐压等级为12.8MPa；研发了更环保的水剂清洗液加超声波清洗新工艺，增添了集机械手自动上下料、清洗、烘干为一体的复合板数控清洗流水线和翅片清洗机；从德国进口了便携式直读光谱仪，可用于各个场合直接无损测定产品的化学成分，提高产品原材料的化学成分、性能检测水平。

图A-11 杭氧集团临安制造基地

5）成果转化与产业化发展。百万吨级乙烯冷箱的开发与研制项目体现了显著的经济效益和社会效益。除天津、镇海两套依托工程外，项目研发成果还在四川、抚顺等乙烯新建项目中得到产业化应用，直接经济效益1.5亿元，为国家和用户节约投资2～3亿元。在百万吨级乙烯冷箱研制的基础上，2012年杭氧集团顺利签订惠州120万t/年乙烯冷箱制造合同，目前产品正在现场安装；2017年签订了浙江石化140万t/年乙烯冷箱制造合同，目前设备正在制造过程中。

百万吨级乙烯冷箱的研制打破了国外少数公司的垄断局面，降低了成套乙烯装置的投资成本，为国家节约了大量外汇，也为民族工业振兴做出了贡献。百万吨级乙烯冷箱的成功研制不仅对提高我国乙烯行业的装备水平有着重大意义，而且对天然气液化、大型化肥装置，CO深冷分离等其他行业冷箱设备的研制也具有指导意义。2004年以来乙烯冷箱业绩见表A-2。

表A-2 2004年以来乙烯冷箱业绩

3.大型乙烯球罐

球形储罐（简称球罐）与同容积、同设计压力的筒式储存压力容器相比，具有占地面积小、壁薄、重量轻、用材少等特点，广泛应用于石化等领域。

为了改变乙烯装置的关键设备——大型乙烯球罐长期依赖进口的局面，1990年大型乙烯球罐研制被列为“八五”国家重大技术装备攻关课题。由合肥通用机械研究所负责组织了兰州石油化工机器厂、大庆石油化工研究院、辽宁工业安装公司、武汉钢铁公司、中国通用机械工程总公司、武汉铸锻厂及北京工业大学等涉及机械、化工、冶金、能源、船舶、高校6个部门的8个单位联合攻关。

攻关主要从以下4个方面展开：

1）球片的成形试验。确定球片的冷成形、热成形工艺及回弹量控制。

2）CF钢板焊接性试验。为制订球罐组焊的焊接工艺提供技术依据，防止焊接冷裂纹、热裂纹、层状撕裂及再热裂纹的产生。

3）球罐组焊的焊接试验。为防止焊接裂纹产生，确保焊接接头（焊缝金属、焊接热影响区）韧性优良，焊接工艺参数（焊前预热温度、焊接层间温度、焊接线能量、后热消氢处理及焊缝返修等）的控制及优化试验。

4）焊后热处理试验研究。为尽量消除球罐组焊后的残余应力，避免再热裂纹的产生，进行了焊后热处理工艺参数（参数温度、保温时间、升降温速度）对球片及焊接接头的强度和韧性影响的试验研究，最终确定最佳的焊后热处理工艺。

1992年，国内制造企业成功研制出设计压力为2.254MPa、设计温度为-40℃的1500m³乙烯球罐，同年安装在大庆石化投入工业运行。1994年经开罐检查，球罐运行正常。

针对大型乙烯球罐，通过国产化联合攻关研制，解决了低温材料、板材成形、焊接、施工现场热处理等一系列技术难题，填补了国内空白，打破了我国大型低温球罐依赖进口的局面。《低温容器用钢和大型球罐设计制造规范》等均列入国家标准。1996年，该成果获得机械工业部科技进步一等奖，1997年获得国家科技进步三等奖。目前该成果已在石化、煤化工、天然气等领域广泛应用，球罐最低温度达到-50℃，容积达到2000m³以上。