合成冷凍氨壓縮機出口降壓操作可行性分析

王加磊，張國平

(呼倫貝爾金新化工有限公司，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021506)

合成氨裝置生產(chǎn)過程主要包括：粗煤氣的凈化、合成氣的壓縮、氨的合成及分離、甲烷的蒸汽轉(zhuǎn)化等。氨合成塔只能將一部份氫氣、氮氣合成為氨。為使產(chǎn)品氨與未反應(yīng)的氣體分離，一般采用降溫冷凝辦法。合成回路氣體溫度愈低，分離就愈完全。由于通常的冷卻水滿足不了要求的，因而需要有專門的制冷工序。冷源是利用液氨蒸發(fā)吸熱而制冷，蒸發(fā)后的氣氨壓縮冷凝成液氨循環(huán)使用。壓縮氣氨需要能量，通常大型合成氨裝置是采用一臺氨氣壓縮機來實現(xiàn)[1]。

金新化工合成氨裝置冷凍系統(tǒng)采用凝汽式蒸汽透平驅(qū)動氨壓縮機，消耗 9.2 MPa 的高壓蒸汽。氨壓縮機為離心式壓縮機，冷凍三級閃蒸的氨氣經(jīng)兩缸三段壓縮再通過E04602A/B冷凝成液氨。

1 冷凍系統(tǒng)工藝流程

冷凍系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。

1.氨壓縮機(K04601)；2.氨壓縮機透平(KT04601)；3.氨冷卻器(E04602A/B)；4.氨受槽(S04601)；5.一級入口分離罐(S04603)；6.二級入口分離罐(S04605)；7.三級入口分離罐(S04604)；8.一氨冷(E04505)；9.二氨冷(E04506)；10. SMR氣深冷器(E04106)；11.富CO2甲醇冷卻器(E04113)；12.閃蒸甲醇冷卻器(E04121)；13.BGL氣深冷器(E04102)；14.制冷劑過冷器(E04142)；15.空分氨冷器(E01101)。

氨壓縮機，作為合成回路、甲醇洗以及空分的冷凍壓縮機，采用三段壓縮，并通過E04505、E04506向合成系統(tǒng)提供高壓氨分離所需的冷量，同時還提供合成氣壓縮機段間氣體冷卻所需的冷量。其蒸發(fā)所產(chǎn)生的氣氨分別進入S04604、S04605，并分別進入氨壓縮的三段和二段進行壓縮。通過E04106、E04113和E04121向低溫甲醇洗提供冷量，其閃蒸所產(chǎn)生的氣氨進入S04603后進入壓縮機一段進行壓縮。其中，E04102和E01101產(chǎn)生的氣氨進入S04604后，進入三段進行壓縮。三段和二段的進口氣體與前段出口氣體分別采用缸外混合，再進入下一段工序；從壓縮機出口的氣氨經(jīng)過E04602A/B水冷器冷卻后，冷凝成液氨并通過液氨受槽S04601返回至各系統(tǒng)，完成液氨循環(huán)。壓縮機的各段進口壓力決定了各段的冷凍負(fù)荷，而壓縮機的一段入口壓力通常根據(jù)工藝負(fù)荷改變機組轉(zhuǎn)速來加以控制[2]。

2 K04601出口壓力控制現(xiàn)況

K04601出口壓力，通過PV04605控制，設(shè)計 1.69 MPa，長期控制在1.5～1.55 MPa(G)，采取定值控制的方式。2019年，氨壓縮機運行數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 2019年氨壓縮機運行數(shù)據(jù)

3 降壓操作的理論分析

3.1 從氨的物理特性分析

由冷凍流程可知，經(jīng)過各系統(tǒng)氨冷器蒸發(fā)出來的氣氨，經(jīng)壓縮后全部在兩個氨冷卻器(E04602A/B)中冷凝，經(jīng)氨受槽(S04601)氣液分離。而影響S04601液氨溫度最關(guān)鍵因素是循環(huán)水溫(表2)。為避免液氨在輸送過程中發(fā)生兩相變化，要求在E04602A/B中冷凝下來的液氨需過冷到操作壓力對應(yīng)氨的冷凝溫度 3 ℃ 以下[3]。

表2 循環(huán)水及氨受槽S04601溫度情況

通過查詢氨的飽和蒸汽壓對應(yīng)表可知，當(dāng)夏季S04601的熱氨溫度最高為 29 ℃ 時，所需的氣氨的冷凝壓力為 1.15 MPa；冬季S04601的熱氨溫度為 18 ℃ 時，所需的氣氨冷凝壓力為 0.872 MPa。而在K04601出口壓力控制在 1.50 MPa 時，從氨的飽和蒸汽壓力對應(yīng)表中可知，其對應(yīng)的冷凝溫度查表可知為 39 ℃，比全年最高冷凝溫度高了約 10 ℃?？芍谙?、冬季K04601出口壓力，分別有 0.35 MPa 和 0.63 MPa 的裕度，因此其冷凝壓力有較大的降壓空間。根據(jù)壓縮機性能曲線可知，對于一定質(zhì)量的氣體來說，當(dāng)P2/P1減小時，壓縮機功耗也隨之降低。

3.2 降壓前后壓縮功耗對比計算

在對冷凍系統(tǒng)中，三段分離罐分離出來的氨氣，引入離心式壓縮機K04601，兩缸三段壓縮并冷激各段入口溫度后，冷凝成液氨。查詢?nèi)鈮嚎s機的隨機資料可知，壓縮機各段增加氨流量參數(shù)見表3。

表3 K04601高低壓缸各段設(shè)計流量

由于氨壓縮機K04601在段間引入蒸發(fā)氣氨的同時也起到冷激降溫作用，從總體來看，近似于等溫過程，所以可用等溫壓縮功來衡量實際過程的經(jīng)濟性。

降壓前：當(dāng)甲醇洗和S04602閃蒸的氣氨及氨罐來的第一段氣氨從 -33 ℃，0.65×100 kPa 壓縮到第三段出口15×100 kPa，其等溫能量頭為：h=848(T/M)ln(p2/p1)(T是初始溫度(K)，M是相對分子質(zhì)量，p2、p1分別是進、出口壓力)。

代入數(shù)據(jù)得：h1=37577 m。

由等溫壓縮功耗:N=Gh/(3600×102)。其中，G為質(zhì)量流量，kg/h。

可求得N1=3903 kW。

以此類推，當(dāng)?shù)诙握舭l(fā)來的氨氣冷激換熱后從 -5 ℃，2.6×100 kPa 壓縮到15×100 kPa 時，其等溫能量頭為：h2=23428 m

其等溫壓縮功為:N2=2972 kW

當(dāng)?shù)谌握舭l(fā)來的氨氣冷激換熱后從 32.1 ℃，6.3×100 kPa 壓縮到15×100 kPa 時，其等溫能量頭為:h3=13202 m

其等溫壓縮功為：N3=3095 kW

總功耗N前=N1+N2+N3=9970 kW

在降壓后當(dāng)甲醇洗和S04602閃蒸的氣氨及氨罐來的第一段氣氨從 -33 ℃，0.65×100 kPa 壓縮到第三段出口12.8×100 kPa，其等溫能量頭為：h3=35675 m

其等溫壓縮功為:N1=3705 kW

當(dāng)?shù)诙握舭l(fā)來的氨氣冷激換熱后從 -5 ℃，2.6×100 KPa 壓縮到12.8×100 kPa 時，其等溫能量頭為：h2=21308 m；其等溫壓縮功為:N2=2703 kW

當(dāng)?shù)谌握舭l(fā)來的氨氣冷激換熱后從 32.1 ℃，6.3×100 kPa 壓縮到12.8×100 kPa 時，其等溫能量頭為:h3=10788 m；其等溫壓縮功為：N3=2539 kW

其總功耗：N后=N1+N2+N3=8937 kW

降壓前后功耗變化:N降=N前-N后=1033 kW

以上計算是氨壓縮機在等溫壓縮過程中減少的功耗，而實際壓縮功耗是介于絕熱壓縮和等溫壓縮功耗之間。由此看出，在壓縮機出口壓力降低后，其能量頭隨之下降，離心式壓縮機的實際功耗也得到降低，透平耗汽勢必減少，K04601運行成本隨之下降。

4 降壓操作

4.1 降壓調(diào)試

通過前期分析論證，擬制定了《關(guān)于根據(jù)循環(huán)水溫度降低PV04605壓力以降低K04601J透平蒸汽消耗》的操作調(diào)試方案。調(diào)試按照1.50→1.45→1.4→1.35→1.30→1.28 MPa(G)階梯逐一降低PV04605壓力，降低PV04605壓力后逐一分析、檢查影響因素，直至完成調(diào)試工作。

經(jīng)過數(shù)據(jù)收集，在相同負(fù)荷和循環(huán)水溫工況下，PV04605從1.50降至 1.28 MPa，K04601轉(zhuǎn)速共下降 102 r/min，蒸汽消耗下降近 2.83 t/h。

4.2 經(jīng)濟效益評估

氨壓縮機K04601按年平均每小時節(jié)約 2.5 t/h 蒸汽計，蒸汽按100元/噸計，每年有效降壓運行時間按(S04601液氨溫度<27 ℃)200天計。

則年降低運行成本：

W=2.5×100×24×200=120萬元。

5 存在的問題

在PV04605壓力降低控制以后，查詢運行趨勢發(fā)現(xiàn)，其壓力波動相對于技改前PV04605變化而言，其波動雖然幅度也很小，但是其波動非常具有規(guī)律性。

為此，從PV04605閥間的就地導(dǎo)淋打開排放檢查，沒有發(fā)現(xiàn)任何有液態(tài)氨的跡象，并測得PV04605出口溫度一直保持穩(wěn)定在13～14 ℃。通過取樣分析氨含量，也沒有發(fā)現(xiàn)PV04605出口氨含量上漲的情況。

從以上分析可以判斷氨壓縮機降壓操作后沒有發(fā)生帶氨現(xiàn)象。

總之，根據(jù)現(xiàn)場勘查、收集技改前后的數(shù)據(jù)對比，認(rèn)為技改后盡量把所帶液氨完全洗滌了下來，但不會對裝置產(chǎn)量及能耗等造成明顯的影響。

6 結(jié)論

通過對K04601出口壓力降壓操作進行可行性分析及投用以后的情況分析評估看，通過技改后可實現(xiàn)根據(jù)熱氨溫度動態(tài)調(diào)整氨壓縮機出口壓力實現(xiàn)了節(jié)約蒸汽，降低生產(chǎn)成本的目的。