神華寧煤集團首套合成氨裝置合成氣壓縮機選型比較

李世勤

神華寧煤集團煤化工副產(chǎn)品深加工綜合利用項目是400萬噸/年煤炭間接液化項目副產(chǎn)品的深加工綜合利用項目。本項目以石腦油、LPG和氫氣為原料，新建100萬噸/年裂解裝置、45萬噸/年聚乙烯裝置、60萬噸/年聚丙烯裝置、15萬噸/年合成氨裝置四套工藝生產(chǎn)裝置。其中合成氨裝置為本項目四套工藝裝置之一，利用來自煤制油裝置的氫氣、本項目裂解裝置的氫氣以及煤制油裝置的氮氣生產(chǎn)液氨產(chǎn)品。在項目開始之時，我們對合成氨裝置合成氣壓縮機的選型進行過分析比選。結(jié)合往復(fù)式壓縮機與離心式壓縮機技術(shù)特點、本項目合成氨裝置規(guī)模、裝置操作彈性、裝置能耗及裝置投資等多方面因素，最終確定了壓縮機選型。

1 往復(fù)式壓縮機與離心式壓縮機技術(shù)特點及選型

一般來說，往復(fù)壓縮機具有效率高、適應(yīng)氣體分子量范圍寬，壓縮比大等優(yōu)點，同時也有連續(xù)運行周期較短，占地面積大，維護工作量較大等缺點；離心壓縮機具有連續(xù)運行時間較長、占地較小、維護工作量較小等優(yōu)點，同時也有效率相對往復(fù)壓縮機較低，對氣體的流量、分子量和壓比變化敏感，難于適用小流量、高壓比工況等缺點。 本項目合成氣壓縮機的壓縮介質(zhì)為氮氣、氫氣比接近1：3的氫氮氣壓縮機，新鮮氣排出狀態(tài)為14.1MPa，100℃，單臺壓縮機新鮮氣流量為9572kg/h，流量小，且平均分子量小、壓比高。

如選用往復(fù)壓縮機組，可選擇國產(chǎn)機型，考慮兩開一備（即50%備用）。經(jīng)計算選擇4M80機型，需三級壓縮，第三級有兩個氣缸并聯(lián)。根據(jù)國內(nèi)某壓縮機廠家提供的數(shù)據(jù)，額定工況單臺壓縮機軸功率：2331kW，兩臺壓縮機同時運行功率為4662kW （根據(jù)項目要求，合成氨裝置需要在60%～110%負荷操作）。此種類型壓縮機組在國內(nèi)均有較多使用業(yè)績。各級氣缸直徑均在265mm至390mm之間，為往復(fù)壓縮機的常規(guī)的較小氣缸直徑，不存在缸徑過大或過小等非常規(guī)情況，總體上為常規(guī)、技術(shù)成熟可靠的機型。

如采用離心壓縮機組，不需要設(shè)置備機，選用徑向剖分壓縮機。工藝氣體的狀態(tài)氣體流量較小，需選用較小直徑的葉輪；但壓縮比又較大，應(yīng)選用較大葉輪來實現(xiàn)較高的能量頭系數(shù)，這兩者是矛盾的。如果每個壓縮缸按目前常規(guī)最多裝8個葉輪計算，用高低壓兩個壓縮缸串聯(lián)起來，滿足工藝需要的難度很大。因為兩個缸需在相同轉(zhuǎn)速、選用同檔葉輪，靠近入口的葉輪就要寬流道，在較高流量系數(shù)和馬赫數(shù)下運行；隨著氣體被逐級壓縮，狀態(tài)流量也逐級變小，需選用窄流道葉輪，該葉輪在較低流量系數(shù)和馬赫數(shù)下運行，整個壓縮機的葉輪匹配難度大，操作流量調(diào)節(jié)范圍小，整機效率低。

2 壓縮機的操作維修及能耗分析

2.1 往復(fù)壓縮機操作維修及能耗分析

往復(fù)壓縮機屬于容積式壓縮機，具有較長的使用和發(fā)展歷史。其技術(shù)優(yōu)點主要有：效率較高，機組控制系統(tǒng)和操作相對簡單。本項目合成氨裝置原料為來自烯烴裂解裝置的氫氣及來自煤制油裝置的氫氣和氮氣，合成氨裝置的操作彈性為60%～110%。為適應(yīng)不同裝置負荷操作，可設(shè)有三臺往復(fù)壓縮機（兩開一備），每臺壓縮機流量調(diào)節(jié)除采用回流調(diào)節(jié)外，還設(shè)有頂開進氣閥調(diào)節(jié)，能實現(xiàn)只壓縮50%流量調(diào)節(jié)方式，節(jié)能效果好。往復(fù)壓縮機操作靈活，可根據(jù)上游所來氫氣量，采取單臺壓縮機操作，兩臺壓縮機并聯(lián)操作或者50%負荷加回流調(diào)節(jié)操作等模式，裝置能耗低，適應(yīng)工藝變化能力強。

根據(jù)本項目可研報告，電度電費為0.38元/kWh，兩臺壓縮機額定負荷運行時功率為4662KW，年耗電費約為1417萬元。 往復(fù)壓縮機組的檢測和控制系統(tǒng)比離心壓縮機組簡單，主要是機組的潤滑油系統(tǒng)，工藝氣的密封、隔離系統(tǒng)、頂開進氣閥的控制系統(tǒng)和其它溫度、振動檢測儀表等。但其易損件較多，連續(xù)運轉(zhuǎn)時間較短，維修工作量會較大。

2.2 離心壓縮機操作維修及能耗分析

離心壓縮機組是目前使用最廣泛的氣體壓縮機械。其顯著的優(yōu)點是流量大、運行周期長。離心壓縮機對高壓縮比、分子量小的氣體不適用，就流量范圍而言，與往復(fù)壓縮機比，氣體流量越大，離心壓縮機的優(yōu)勢越明顯。

離心壓縮機組的輔機系統(tǒng)大都比往復(fù)壓縮機組的輔機系統(tǒng)復(fù)雜。機組的輔機系統(tǒng)包括機組潤滑油系統(tǒng)和軸系檢測系統(tǒng)，離心壓縮機的干氣密封系統(tǒng)和反飛動控制系統(tǒng)，如果是汽輪機驅(qū)動，還包括控制油系統(tǒng)和/或冷凝汽系統(tǒng)等。輔機系統(tǒng)的測點和自動控制點多，機組的正常運行對輔機系統(tǒng)的依存度高，要求輔機系統(tǒng)的可靠性好，也要求操作人員有很好的能力和使用經(jīng)驗。

本項目除了考慮采用汽輪機驅(qū)動外，還可考慮變頻電機驅(qū)動。但需要增加一套10KV變頻器設(shè)備，該設(shè)備國產(chǎn)價格大約400～500萬元，投資較大，同時增加了管理、運行和維護的工作量，對于整個電氣系統(tǒng)來說，由于增加了一級設(shè)備，也增大了系統(tǒng)出現(xiàn)故障的風(fēng)險。

以變頻電機驅(qū)動離心機壓縮機計算，壓縮機額定工況軸功率為5886KW， 年耗電費約為1789萬元。因此與往復(fù)壓縮機相比，每年電費將多出372萬元，裝置運行成本高。

本項目合成氨裝置負荷受上游氫氣供應(yīng)影響，當(dāng)裝置在低負荷運行時，合成氣壓縮機防喘振閥打開，裝置運行能耗較高。

3 合成氣壓縮機選型總結(jié)

通過以上比選可以看出，就本裝置的合成氣壓縮機組而言，采用往復(fù)壓縮機具有較好的可靠性、較低的購置費用、較低的運行費用、操作靈活；常規(guī)離心壓縮機的技術(shù)優(yōu)勢雖然很多，但由于本項目工藝要求較高的壓比和較小的流量，盡管本項目可以采用離心壓縮機，但存在設(shè)備投資高、運行費用高、操作復(fù)雜、機型設(shè)計尚待評估等缺點，因此本項目確定合成氣壓縮機采用往復(fù)壓縮機組。

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