關(guān)于氨壓機的工藝應(yīng)用及其布置與配管設(shè)計的研究

王　丹

(東華工程科技股份有限公司，安徽 合肥　230024)

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關(guān)于氨壓機的工藝應(yīng)用及其布置與配管設(shè)計的研究

王丹

(東華工程科技股份有限公司，安徽 合肥230024)

摘要：介紹了氨壓機與組合式氨冷器聯(lián)合使用的工藝流程、管道特點及優(yōu)越性；闡述了氨壓機的工作原理；舉例分析了壓縮廠房、壓縮機重要配管及現(xiàn)場易發(fā)狀況，提出了國內(nèi)工藝技術(shù)簡潔化、高效化開發(fā)的參考方向，為設(shè)計者設(shè)計合理的成品提供了建議。

關(guān)鍵詞：氨壓機；組合式氨冷器；原理；廠房；布置；配管

壓縮機是將低壓氣體提升為高壓氣體的一種從動的流體機械，目前主要應(yīng)用于制冷系統(tǒng)及其他工藝氣體的壓縮。在制冷過程中，常見的如低溫液氨儲罐用壓縮機，其儲罐BOG汽化量的計算對壓縮機選型尤為重要[1]。此外的工藝氣壓縮更是常見，幾乎所有的石化項目中都會用到，如聯(lián)合壓縮廠房、空壓站等。壓縮機按其原理可分為容積式(活塞、往復(fù)式)壓縮機與流體動力式(離心式)壓縮機，按驅(qū)動方式可分為電動、燃?xì)廨啓C和汽輪機。目前，離心式和活塞式壓縮機仍是國內(nèi)工藝氣體用壓縮機的主要類型，約占全部工藝氣用壓縮機的85%。尤其是離心式壓縮機，處理量大，使用范圍廣，驅(qū)動形式多樣。離心式壓縮機的設(shè)計壽命一般至少10年，API標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定石油、重化學(xué)和氣體工業(yè)用壓縮機的設(shè)計壽命一般至少20年[2]。

本文介紹國內(nèi)某大型合成氨項目中的氨壓縮機，其采用蒸汽透平驅(qū)動離心式壓縮機，氨合成、冷凍使用KBR公司的工藝技術(shù)，聯(lián)合使用組合式氨冷器與氨壓機。

1壓縮機結(jié)合組合式氨冷器的工藝流程

壓縮機結(jié)合組合式氨冷器的工藝流程見圖1。其基本原理是采用多組同心管和一個分段式外殼組成，來自下游高壓氨分離器的低溫合成循環(huán)氣進入中心管的內(nèi)管，與流經(jīng)管間環(huán)型隙的高壓合成塔出口氣逆流換熱，同時，不同溫度和壓力下的制冷液氨在各段外殼隔箱內(nèi)閃蒸，這樣合成塔出口氣將同時被循環(huán)氣和液氨冷機2個介質(zhì)冷卻。

該組合式氨冷器殼程分為4段，中心管貫穿其中，每一段設(shè)有擋板，前一段外殼層底部的液氨通過減壓閥降低溫度后進入下一段提供冷量，每一段的氣相由氨壓機抽走分別對應(yīng)不同的壓縮級。由于組合式氨冷器進壓縮機的氣體溫度逐段降低，可以很好地降低由于壓縮機壓縮造成的溫升，其中防喘震管線從壓縮機四段出口管線抽出，分別進入組合式氨冷器的不同冷凝段。

圖1　壓縮機結(jié)合組合式氨冷器的工藝流程1—組合式氨冷器；2—氨壓機；3，4，5，6—組合式氨冷器一，二，三，四段出口；7，8，9，10—氨壓機分別回組合式氨冷器的防喘震管線

用一臺帶有分段殼程的組合式氨冷器來代替幾臺設(shè)備，縮短了工藝流程，節(jié)約了設(shè)備布置占地，降低了系統(tǒng)阻力，又提高了換熱效率，節(jié)省了投資成本。為國內(nèi)研究更加簡潔、高效的工藝流程提供參考方向。

2氨壓機的工作原理

2.1蒸汽輪機簡介

氨壓縮機是一臺由高壓蒸汽輪機驅(qū)動的離心式壓縮機，蒸汽輪機為背壓式，背壓式汽輪機的排氣壓力高，蒸汽的焓降較小，與排氣壓力低的凝汽式汽輪機相比，發(fā)出同樣的功率，所需蒸汽量較大，因而背壓式汽輪機每單位功率所需的蒸汽量大于凝汽式汽輪機。但是背壓式汽輪機排氣所含的熱量絕大部分被熱用戶所利用，不存在冷源損失的問題，所以從燃料的熱利用系數(shù)來看，背壓式汽輪機裝置的熱效率較凝汽式汽輪機為高。在聯(lián)合壓縮廠房中，一般背壓式和凝汽式壓縮機聯(lián)合使用，由凝汽式汽輪機承擔(dān)電負(fù)荷的變動，以滿足外界對電負(fù)荷的需要。

2.2壓縮過程原理

本項目所用氨壓縮機為雙缸單軸臥式多級離心壓縮機，維修方便，機械損失小。壓縮級數(shù)與壓力比有關(guān)系，壓縮機壓力比與段數(shù)的關(guān)系見表1。

表1　壓縮機壓力比與段數(shù)的關(guān)系[2]

在實際設(shè)計過程中對排氣有限制的氣體，可先選定排氣溫度，再根據(jù)近氣、排氣溫度算出壓力比，最后確定段數(shù)。

2.2.1理想壓縮過程

當(dāng)氣體進入壓縮機時，理想的過程包括以下兩種。

(1)可逆絕熱壓縮，即等熵過程。由理想氣體狀態(tài)方程：

pV=nRT

(1)

計算出初始溫度T1，壓縮完之后的溫度：

T2=(p2/p1)(γ-1)/γ×T1

(2)

式中，γ為絕熱指數(shù)，(Cv，m+R)/CV,m,；單原子理想氣體Cv，m=1.5R，雙原子理想氣體Cv，m=2.5R，多原子理想氣體Cv，m=3R

而壓縮過程所做的功：

W=ΔU=RΔT/(1-γ)

(3)

(2)恒壓降溫過程。壓縮之后的氣體溫度壓力均升高，需要經(jīng)過段間冷卻器，將溫度降低，從而降低后續(xù)設(shè)備管道的材質(zhì)要求，此時：

(4)

W=-PΔV=-nRΔT

(5)

2.2.2實際壓縮過程

實際過程更接近于多變壓縮[2]。

排氣溫度T2由式：

Tdj=Tsjεj(mj-1)/mj

(6)

其中：Tsj為離心式壓縮機j段的進氣溫度，K；εj為j段的壓力比，εj=pjd/pjs；mj—j段的壓縮指數(shù)，可按(7)式計算。

段的多變指數(shù)：

(7)

其中，kj為 j段的平均絕熱指數(shù)；ηpj為j段的多變效率，可由工藝手冊[2]查閱。

之后就可以計算壓縮機的能量頭：

hp=mZRT1[(Pd/Ps)(m-1)/m-1]/(m-1)

(8)

hp為多變能量頭；Z為壓縮因子；R為氣體常數(shù)。

壓縮機的原理很重要，管道布置人員在充分理解工藝流程、設(shè)備結(jié)構(gòu)及壓縮機原理的基礎(chǔ)上，才能夠做到融會貫通地布置管道，設(shè)計合理，因果清楚。

3氨壓機的布置

離心透平壓縮機的布置通常包括廠房及輔助生活設(shè)施的布置。由于該氨壓機與組合式氨冷器聯(lián)合使用，且為背壓式，抽出氨冷器分段外殼中的氣體與壓縮機段間壓縮后的高溫氣體混合降溫冷卻，因此附屬設(shè)備減少很多，沒有表冷器及凝結(jié)水泵，且僅在三段壓縮與四段壓縮之間設(shè)有段間冷卻器。

3.1廠房設(shè)計

通常在大型合成氨項目中會設(shè)置聯(lián)合壓縮廠房，其中有氨壓機、合成氣壓縮機、CO2壓縮機等，設(shè)計主要包括廠房平面布置、立面布置等方面。其中平面布置關(guān)系到廠房跨柱的間距、敞閉形式等，立面布置涉及到樓層高度、屋頂高度、操作平臺及輔助管廊。壓縮機廠房的平面布置應(yīng)以滿足工藝生產(chǎn)流程為依據(jù)，充分考慮總體平面布局、豎向設(shè)計、公用設(shè)施配置之間的關(guān)系和次序。

而確定壓縮機廠房的圍護形式(敞開或半敞開、封閉廠房)時，既要考慮建設(shè)項目所在地的環(huán)境條件(北方冬季寒冷，春秋季節(jié)風(fēng)沙多等)，又要考慮壓縮機的安裝建設(shè)、壓縮介質(zhì)理化特性(火災(zāi)危險類別、毒性分級等)、生產(chǎn)操作運行和檢修等要求，尤其是火災(zāi)危險性類別；聯(lián)合廠房中除了介質(zhì)NH3(氣體火災(zāi)危險性為乙類)，還有合成氣，合成氣是混合氣體，其中的氫氣為甲類，因此需計算合成氣的整體爆炸極限[3]，以便確定合成氣的危險類別。根據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的劃分原則，確定廠房類別，可燃?xì)怏w壓縮機宜布置在敞開或半敞開式廠房內(nèi)[4]，本項目所在地為南部地區(qū)，環(huán)境適宜，風(fēng)沙較少，因此選用半敞開式廠房圍護結(jié)構(gòu)。

壓縮機廠房根據(jù)壓縮機形式可設(shè)計為單層或多層結(jié)構(gòu)，往復(fù)式壓縮機一般為單層廠房，這種廠房結(jié)構(gòu)簡單，投資低。但離心式壓縮機則多設(shè)計為二層廠房結(jié)構(gòu)，這是根據(jù)工藝要求、廠家圖紙等確定的。

3.1.1廠房的平面布置

廠房平面布置情況見圖2。根據(jù)圖2的布置信息，我們需要考慮以下幾個方面。

圖2　廠房布置1— 低壓段密封氣升壓機；2—高壓段密封氣升壓機；3—低壓干氣密封；4—高壓干氣密封；5—現(xiàn)場儀表箱；6—蒸汽透平；7—壓縮機本體；8—段間冷卻器；9—高位油箱；10—地面冷凝器；11—吊裝區(qū)域

(1)樓面荷載應(yīng)根據(jù)壓縮機的檢修要求或設(shè)備安裝要求為依據(jù)，并在二樓樓面留有供大修用的吊裝孔。

(2)采用鋼筋混凝土框架體系，壓縮機基礎(chǔ)與廠房基礎(chǔ)應(yīng)有一定的凈距，以保證兩者的基礎(chǔ)承臺完全脫開。

(3)壓縮機進口管道口徑較大，且需要流出3D的直管段，透平進出口蒸汽管道應(yīng)力要求嚴(yán)格，對設(shè)備及廠房布置都有影響。有些需要廠家設(shè)計的管道，應(yīng)提前跟廠家溝通管道走向，讓其根據(jù)設(shè)計院的要求修改，以免和廠房梁柱發(fā)生沖突。

(4)廠房的柱距和跨度盡量向建筑標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)靠攏，以減少結(jié)構(gòu)專業(yè)的設(shè)計量，圖例中的壓縮機廠房柱距均采用9.0 m，跨度18.0 m(外立面跨度 18.8 m)。

3.1.2廠房的立面布置

廠房立面布置情況見圖3。壓縮機廠房的立面布置主要考慮設(shè)備吊裝及進出所需空間[5]，具體步驟如下。

圖3　廠房立面布置1—廠家提供的吊鉤高度要求(最低高于透平5 200 mm)；2—10 t電動雙梁橋式起重機；3—軌頂高度17.5 m；4—高位油箱；5—樓層標(biāo)高8.0 m；6—圍護底端11.0 m；7—裝置內(nèi)管廊層EL6.0 m；8—裝置內(nèi)管廊層EL8.8m；9 -裝置內(nèi)管廊層EL 12.0 m；10—段間冷卻器；11—地面冷凝器

(1)確定壓縮機操作面(即樓層)的標(biāo)高。通常操作平臺的標(biāo)高與壓縮機基礎(chǔ)的標(biāo)高一致，可簡化設(shè)計，降低成本，也可以高于基礎(chǔ)，方便配管和檢修。本設(shè)計的操作平臺選擇與壓縮機底板定標(biāo)高一致。

(2)建筑圍護的底標(biāo)高。通常以操作人員站在主操作平臺上能觀察到廠房外的情況為宜，該壓縮機的建筑圍護底標(biāo)高高出平臺3 000 mm。

(3)根據(jù)廠家圖紙上提供的吊鉤最低高度要求確定吊鉤的高度，綜合考慮施工安裝誤差留出足夠的余量，一般不小于1 000 mm。向結(jié)構(gòu)專業(yè)提出規(guī)頂標(biāo)高要求。

(4)根據(jù)廠家提供的最大檢修件重量選擇合適的吊車，該壓縮機的最大檢修重量是6.8 t，且廠家要求考慮20%的吊裝余量，因此選擇100 t的橋式吊車。

3.2輔助生活設(shè)施

在生產(chǎn)、生活輔助間的設(shè)計過程中，應(yīng)充分考慮人員安全、勞動保護和操作便利等因素的影響，鑒于大多數(shù)工藝介質(zhì)的火災(zāi)和爆炸危險性對人身安全的潛在威脅、壓縮機運行噪音對操作人員身心健康的嚴(yán)重影響，盡量不在壓縮機廠房內(nèi)布置生產(chǎn)和生活輔助間。

4氨壓機的配管研究

4.1氨壓機進出口管道設(shè)計

氨壓機進出口管道設(shè)計見圖4。壓縮機4個進出口管道口徑大，管道附件及儀表較多，因此占的空間較大。如圖4所示，該壓縮機進出口均向下，進口管道上設(shè)有T形過濾器，且廠家為了保持進口流體的平穩(wěn)，要求進口異徑管后設(shè)置3D的直管段，因此需要借助壓縮機基礎(chǔ)搭設(shè)平臺以便過濾器抽芯及查看檢修儀表。出口管道上均設(shè)有文丘里流量計、溫度計等，流量計有一定直管段的要求，溫度計需要觀測，此時盡量靠樓層敷設(shè)，并增加管道柔性以方便操作。

圖4　氨壓機進出口管道設(shè)計1—氨壓機一段進口管道； 2—氨壓機二段進口管道；3—氨壓機三段進口管道；4—氨壓機四段進口管道

4.2汽輪機進出口蒸汽管道的布置

蒸汽透平的檢修和維護比較頻繁，且旋轉(zhuǎn)速度快、溫度高、受力敏感，需要充分考慮其柔性。因此，透平進出口蒸汽管道是難點所在。管道布置要滿足機組管口位移和力矩的要求，達到壓縮機管口無應(yīng)力對中布置的要求。在綜合考慮應(yīng)力分析和脈動研究的基礎(chǔ)上，靠近壓縮機進出口處優(yōu)先設(shè)置不均勻間距的減振支架(支架基礎(chǔ)單獨埋設(shè))，嚴(yán)格約束管道振動。

4.3防止壓縮機反轉(zhuǎn)的管道措施

根據(jù)現(xiàn)場的經(jīng)驗，僅僅按照KBR專利要求，現(xiàn)場壓縮機容易出現(xiàn)反轉(zhuǎn)，易造成干氣密封和軸瓦損壞，因此需要在高壓缸及低壓缸的出口管線上設(shè)置止回閥，且停車時，盡可能提高一段壓力，使四段之間的壓力差降到最小。

5結(jié)語

(1)通過介紹氨壓機與組合式氨冷器聯(lián)合使用的原理流程、管道特點及優(yōu)越性，為國內(nèi)工藝技術(shù)的簡潔化、高效化開發(fā)提供了參考方向。

(2)詳細(xì)闡述了氨壓機的汽輪機及壓縮原理，建議首先深入了解理論原理，在此基礎(chǔ)上，更有助于作出合理的設(shè)計成品。

(3)結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及設(shè)計經(jīng)驗，深入淺出地舉例分析了壓縮廠房、壓縮機重要配管及現(xiàn)場易發(fā)狀況等方面，為氨壓機的設(shè)計提供了探討及交流。

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A Study on Process Application and Piping Arrangement of Ammonia Compressor

WANG Dan

(EastChinaEngineeringScience&TechnologyCo.,Ltd.，HefeiAnhui230024China)

Abstract：This paper introduces the process to combine ammonia compressor and unitized ammonia chiller, pipeline characteristics and superiority.The working principles of ammonia compressor are also expounded.Meanwhile, some examples are given to analyze compressor plant, important piping and site prone situations.The simple and efficient development direction of domestic technology was put forward.For designers, advices to make reasonable design product are provided.

Keywords：ammonia compressor; unitized ammonia chiller; principle; plant; arrangement; piping

收稿日期：2015-09-02

中圖分類號：TQ 051.21

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1004-8901(2016)02-0032-04

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2016.02.009 10.3969/j.issn.1004-8901.2016.02.009

作者簡介：王丹(1986年-)，女，安徽淮北人，2012年畢業(yè)于華東理工大學(xué)化學(xué)工藝專業(yè)，碩士，現(xiàn)主要從事設(shè)備布置與管道設(shè)計工作。