低溫甲醇洗系統(tǒng)循環(huán)氣壓縮機(jī)節(jié)能改造小結(jié)

劉加洪，黃憲輝

(貴州開陽(yáng)化工有限公司，貴州 開陽(yáng) 550306)

0 引 言

貴州開陽(yáng)化工有限公司(簡(jiǎn)稱開陽(yáng)化工)500 kt/a合成氨裝置于2013年1月建成投產(chǎn)，其主要生產(chǎn)工藝為4 MPa干煤粉加壓氣化(2臺(tái)科林爐，兩開無(wú)備)、中溫耐硫變換、大連理工低溫甲醇洗(七塔流程)、杭州中泰液氮洗、瑞士卡薩利15 MPa低壓氨合成工藝；其中，低溫甲醇洗系統(tǒng)設(shè)置有2臺(tái)往復(fù)式循環(huán)氣壓縮機(jī)(一開一備)，用于回收富甲醇閃蒸后循環(huán)氣中的H2，回收的H2經(jīng)提壓后并入低溫甲醇洗系統(tǒng)入口變換氣中用于生產(chǎn)合成氨。由于循環(huán)氣壓縮機(jī)設(shè)計(jì)余量大，實(shí)際生產(chǎn)中長(zhǎng)期以來(lái)循環(huán)氣壓縮機(jī)回流閥開度大，部分氣體回流循環(huán)壓縮，造成電能浪費(fèi)，且在單臺(tái)氣化爐運(yùn)行時(shí)，因富甲醇閃蒸量小，循環(huán)氣壓縮機(jī)不具備開車條件，循環(huán)氣只能排放至火炬燃燒，造成浪費(fèi)。2022年4月，開陽(yáng)化工對(duì)1臺(tái)循環(huán)氣壓縮機(jī)實(shí)施了節(jié)能改造，并實(shí)現(xiàn)了循環(huán)氣壓縮機(jī)的低負(fù)荷運(yùn)行，收到了較好的效果。以下對(duì)有關(guān)情況作一總結(jié)。

1 循環(huán)氣壓縮機(jī)概況

工藝流程：從甲醇洗滌塔(T3001)底出來(lái)的富H2S甲醇液減壓后進(jìn)入1#閃蒸分離罐(V3002)，閃蒸出溶解在甲醇液中的H2和CO2(含少量CH3OH、N2、H2S、CH4、CO)，與2#閃蒸分離罐(V3003)出來(lái)的H2和CO2(含少量CH3OH、N2、H2S、CH4、CO)以及液氮洗系統(tǒng)返回的H2合并后進(jìn)入循環(huán)氣壓縮機(jī)，循環(huán)氣壓縮機(jī)入口氣中H2含量41.93%、CO2含量51.77%，提壓后并入低溫甲醇洗系統(tǒng)入口變換氣中予以回收利用。

設(shè)備參數(shù)：循環(huán)氣壓縮機(jī)為臥式往復(fù)式壓縮機(jī)，為兩級(jí)兩氣缸結(jié)構(gòu)(一級(jí)1個(gè)氣缸、二級(jí)1個(gè)氣缸)，采用旁路調(diào)節(jié)方式調(diào)節(jié)流量，由電機(jī)拖動(dòng)，配套電機(jī)功率為630 kW；設(shè)計(jì)額定排氣量8 700 m3/h(標(biāo)態(tài)，下同)、最大排氣量10 005 m3/h、最小排氣量5 220 m3/h；吸氣壓力0.9 MPa、排氣壓力3.6 MPa，吸氣溫度-29.38 ℃、排氣溫度40 ℃。

2 循環(huán)氣壓縮機(jī)運(yùn)行情況

開陽(yáng)化工循環(huán)氣壓縮機(jī)于2013年1月投運(yùn)，在其10 a來(lái)的運(yùn)行中，由于設(shè)計(jì)額定排氣量偏大(系統(tǒng)滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)實(shí)際排氣量平均為5 000 m3/h，設(shè)計(jì)額定排氣量為實(shí)際排氣量的174%)，系統(tǒng)滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，其回流閥長(zhǎng)期保持25%以上的開度，部分氣體循環(huán)壓縮，循環(huán)氣壓縮機(jī)效率低；而在系統(tǒng)半負(fù)荷(單臺(tái)氣化爐)運(yùn)行時(shí)，因排氣量小(單臺(tái)氣化爐運(yùn)行時(shí)其實(shí)際排氣量約為3 300 m3/h)，循環(huán)氣壓縮機(jī)難以滿足啟動(dòng)條件，此部分循環(huán)氣只能排放至火炬燃燒，不僅造成能源浪費(fèi)、生產(chǎn)成本增加，而且CO2排放增加不利于環(huán)境保護(hù)。

2021年循環(huán)氣壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)間及耗電量統(tǒng)計(jì)情況表明，全年系統(tǒng)滿負(fù)荷運(yùn)行316 d，在此期間，循環(huán)氣壓縮機(jī)排氣量為4 300～5 000 m3/h，電能消耗達(dá)379.2×104kW·h，折合日耗電12 000 kW·h、小時(shí)耗電500 kW·h；全年系統(tǒng)半負(fù)荷運(yùn)行17 d，循環(huán)氣壓縮機(jī)不滿足啟動(dòng)條件，約3 300 m3/h循環(huán)氣只能放空至火炬燃燒，17 d共浪費(fèi)循環(huán)氣134.6×104m3，循環(huán)氣中H2約占41.93%，折合浪費(fèi)H256.44×104m3，生產(chǎn)噸氨耗H2以1 977 m3(理論值)計(jì)，2021年系統(tǒng)半負(fù)荷運(yùn)行時(shí)因循環(huán)氣壓縮機(jī)不滿足啟動(dòng)條件共少產(chǎn)液氨約285.5 t。

3 改造方案

3.1 循環(huán)氣壓縮機(jī)流量調(diào)節(jié)方法對(duì)比

往復(fù)式壓縮機(jī)常用的流量調(diào)節(jié)方式主要有旁路調(diào)節(jié)、部分行程壓開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和余隙調(diào)節(jié)：① 旁路調(diào)節(jié)，是使壓縮機(jī)出口多余氣體經(jīng)旁路調(diào)節(jié)閥返回壓縮機(jī)入口，該法操作簡(jiǎn)單，但調(diào)節(jié)范圍相對(duì)較小，回流的氣體重復(fù)壓縮，不僅增加電機(jī)功耗，還需消耗大量的循環(huán)冷卻水來(lái)降低回流氣體的溫度(開陽(yáng)化工循環(huán)氣壓縮機(jī)采用此種調(diào)節(jié)方法)；② 部分行程壓開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)，利用進(jìn)氣閥的特殊結(jié)構(gòu)，在一個(gè)特定時(shí)間點(diǎn)將氣缸內(nèi)壓縮前的多余氣體返回至壓縮機(jī)入口，從而實(shí)現(xiàn)流量調(diào)節(jié)，該法氣體阻力損失大、系統(tǒng)復(fù)雜、控制精度高、操作繁瑣，氣閥維修更換頻繁，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用高；③ 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，通過(guò)改變壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)排氣量，一般適用于內(nèi)燃機(jī)或汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)組，電機(jī)驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)組一般采用變頻技術(shù)調(diào)節(jié)，但大功率高壓變頻器價(jià)格昂貴，目前很少采用，此外，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)極易造成機(jī)組潤(rùn)滑不充分、部件磨損加劇、振動(dòng)增大等；④ 余隙調(diào)節(jié)，是在壓縮機(jī)氣缸上除固定余隙容積外另外在氣缸蓋處設(shè)一定的空隙，調(diào)節(jié)時(shí)接入氣缸工作腔，使余隙增大，容積系數(shù)減小，排氣量降低，此法的優(yōu)點(diǎn)是改造簡(jiǎn)單，僅更換缸蓋，不改變壓縮機(jī)主體結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)，采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)，不用設(shè)置液壓油站，不需要三相動(dòng)力電源，可最大限度減少現(xiàn)場(chǎng)電纜和管線敷設(shè)，改造成本低，流量調(diào)節(jié)范圍廣，可實(shí)現(xiàn)高達(dá)40級(jí)的自動(dòng)調(diào)節(jié)，缺點(diǎn)是需手動(dòng)調(diào)節(jié)。

綜上所述，開陽(yáng)化工低溫甲醇洗系統(tǒng)循環(huán)氣壓縮機(jī)最小排氣量(單臺(tái)氣化爐運(yùn)行時(shí)實(shí)際排氣量平均僅約3 300 m3/h)為設(shè)計(jì)額定排氣量的37.9%左右，氣量調(diào)節(jié)范圍為30%～70%，余隙無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)方式可滿足生產(chǎn)所需，且只需在軸側(cè)氣閥處壓閥罩增加30%的固定余隙以降低氣量，改造最為簡(jiǎn)單，改造費(fèi)用低。

3.2 余隙調(diào)節(jié)原理

余隙調(diào)節(jié)原理為，往復(fù)式壓縮機(jī)氣缸內(nèi)余隙容積的大小與排氣量成反比(相同壓力、溫度條件下，余隙容積越大，排氣量越小，電機(jī)軸功率越??；余隙容積越小，排氣量越大，電機(jī)軸功率越大)，通過(guò)控制儀表空氣電磁閥的通斷控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)部若干氣囊的開啟和關(guān)閉，改變余隙容積的大小，從而調(diào)節(jié)排氣量。簡(jiǎn)言之，通過(guò)調(diào)節(jié)余隙容積的大小可以達(dá)到調(diào)節(jié)往復(fù)式壓縮機(jī)打氣量和減少電機(jī)功耗的目的。

4 改造步驟

余隙調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、PLC控制柜、管路系統(tǒng)、電纜系統(tǒng)和DCS組成；其中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由標(biāo)準(zhǔn)氣缸部件、高強(qiáng)度連接件、缸體和法蘭等組成，PLC控制柜由接線箱、電磁閥和氣路管件等集成一體。余隙調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)：調(diào)節(jié)范圍35%～75%，氣量調(diào)節(jié)精度≤2.0%；DCS控制；液壓系統(tǒng)電磁閥及用電元件控制電壓24 VDC，控制氣源為儀表空氣，氣動(dòng)元件工作壓力為0.6 MPa。

循環(huán)氣壓縮機(jī)增設(shè)余隙調(diào)節(jié)系統(tǒng)之改造步驟：① 按照操作規(guī)程對(duì)循環(huán)氣壓縮機(jī)進(jìn)行置換、吹掃等工作，以滿足現(xiàn)場(chǎng)安全施工要求，避免因工藝介質(zhì)溢出而發(fā)生爆炸、中毒、窒息等人身傷害事故；② 拆除循環(huán)氣壓縮機(jī)缸蓋及缸蓋螺柱；③ 清理循環(huán)氣壓縮機(jī)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)配合面，安裝密封墊片或膠圈；④ 安裝螺柱和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，按照各級(jí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)圖紙接口方位確定執(zhí)行機(jī)構(gòu)的安裝方位，確保執(zhí)行機(jī)構(gòu)安裝水平、對(duì)中后，緩慢裝入氣缸，螺柱須用扭力扳手依次上、下、左、右對(duì)稱分3次以上安裝緊固力矩進(jìn)行緊固；⑤ 以方便操作、就近執(zhí)行機(jī)構(gòu)和方便檢維修為原則，據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況安裝現(xiàn)場(chǎng)PLC控制柜；⑥ 管線安裝及清洗，所選用不銹鋼無(wú)縫管內(nèi)壁須光潔、無(wú)腐蝕、無(wú)氧化皮、無(wú)夾皮等缺陷，管線接頭處應(yīng)光滑平整(不應(yīng)有毛刺)，所有管路在焊接后須酸洗、中和、吹干，然后進(jìn)行二次安裝，并將原缸蓋上、下冷卻水管線連接到執(zhí)行機(jī)構(gòu)上、下冷卻水管接口；⑦ DCS及執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)試，電磁換向閥分別進(jìn)行空載換向，確認(rèn)電氣動(dòng)作是否正確、靈活且符合動(dòng)作順序要求；⑧ 調(diào)節(jié)信號(hào)接入DCS，增加DCS操作畫面，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)功能。

5 節(jié)能效果

開陽(yáng)化工2臺(tái)循環(huán)氣壓縮機(jī)一開一備，2022年4月對(duì)循環(huán)氣壓縮機(jī)備機(jī)進(jìn)行改造(先行技改1臺(tái)循環(huán)氣壓縮機(jī)，視其運(yùn)行情況再確定是否擇機(jī)對(duì)另一臺(tái)循環(huán)氣壓縮機(jī)進(jìn)行技改)，增設(shè)余隙調(diào)節(jié)系統(tǒng)，投運(yùn)后，循環(huán)氣壓縮機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，機(jī)組振值較改造前變小，完全可以滿足不同負(fù)荷條件下的穩(wěn)定運(yùn)行。2臺(tái)氣化爐運(yùn)行時(shí)改造前(2022年3月)與改造后(2022年5月)循環(huán)氣壓縮機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)的對(duì)比見(jiàn)表1?？梢钥吹?，改造后低溫甲醇洗系統(tǒng)循環(huán)氣壓縮機(jī)回流閥開度由25%以上關(guān)至0%，由于沒(méi)有回流氣體，循環(huán)氣壓縮機(jī)入口氣溫度降低28 ℃以上，出口氣溫度下降20 ℃左右，提高了循環(huán)氣壓縮機(jī)的效率與運(yùn)行的安全性，日耗電量減少約4 000 kW·h。另外，單臺(tái)氣化爐運(yùn)行時(shí)循環(huán)氣壓縮機(jī)也可啟動(dòng)正常運(yùn)行，且回流閥能夠完全關(guān)閉，達(dá)到了回收H2和節(jié)約電能的目的。

表1 改造前后循環(huán)氣壓縮機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)的對(duì)比

6 效益分析

循環(huán)氣壓縮機(jī)增設(shè)余隙調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其改造費(fèi)用約50萬(wàn)元。按全年合成氨裝置運(yùn)行330 d，氣化爐雙爐運(yùn)行300 d、因氣化爐檢修等單爐運(yùn)行30 d計(jì)，改造效益分析如下。

(1)氣化爐雙爐運(yùn)行時(shí)的節(jié)電效益。氣化爐雙爐運(yùn)行時(shí)，日節(jié)電約4 000 kW·h，電價(jià)以0.53元/(kW·h)計(jì)，全年節(jié)電效益為4000×300×0.53÷10000=63.6萬(wàn)元。

(2)氣化爐單爐運(yùn)行時(shí)回收H2產(chǎn)生的效益。氣化爐單爐運(yùn)行時(shí)，循環(huán)氣量為3 100～3 400 m3/h，以3 300 m3/h計(jì)，循環(huán)氣中H2含量約41.93%，全年氣化爐單爐運(yùn)行時(shí)可回收H2量3300×24×30×41.93%=996 256.8 m3，回收的H2可增產(chǎn)液氨996256.8÷1977=503.9 t，2022年1—5月液氨平均市場(chǎng)價(jià)格為4 958.4元/t，則回收H2增產(chǎn)液氨的銷售收入為503.9×4958.4÷10000=249.85萬(wàn)元；氣化爐單爐運(yùn)行時(shí)，循環(huán)氣壓縮機(jī)日耗電約7 600 kW·h，電價(jià)以0.53元/(kW·h)計(jì)，電費(fèi)為7600×30×0.53÷10000=12.08萬(wàn)元?？鄢h(huán)氣壓縮機(jī)消耗的電費(fèi)，全年氣化爐單爐運(yùn)行時(shí)回收H2產(chǎn)生的效益為249.85-12.08=237.77萬(wàn)元(改造前，氣化爐單爐運(yùn)行時(shí)循環(huán)氣壓縮機(jī)不具備啟動(dòng)條件，這部分循環(huán)氣直接排放至火炬燃燒；改造后，這部分循環(huán)氣得到回收，只需消耗循環(huán)氣壓縮機(jī)的電能，回收氣體生產(chǎn)的液氨不需要除去生產(chǎn)成本或增加的生產(chǎn)成本可忽略不計(jì)，只需除去電費(fèi)即可)。

7 結(jié)束語(yǔ)

開陽(yáng)化工針對(duì)合成氨裝置低溫甲醇洗系統(tǒng)循環(huán)氣壓縮機(jī)電耗高以及低負(fù)荷下不能啟動(dòng)運(yùn)行的問(wèn)題進(jìn)行深入分析，通過(guò)對(duì)比往復(fù)式壓縮機(jī)流量調(diào)節(jié)方法，對(duì)循環(huán)氣壓縮機(jī)進(jìn)行了增設(shè)余隙調(diào)節(jié)系統(tǒng)的改造，實(shí)現(xiàn)了循環(huán)氣壓縮機(jī)出口氣的“零回流”，降低了電耗，且循環(huán)氣壓縮機(jī)低負(fù)荷下(氣化爐單爐運(yùn)行時(shí))也能啟動(dòng)運(yùn)行，增產(chǎn)了合成氨，減排了CO2，助力了合成氨裝置的優(yōu)質(zhì)運(yùn)行，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益明顯，本項(xiàng)節(jié)能改造非常成功?，F(xiàn)階段日常生產(chǎn)中運(yùn)行已技改的循環(huán)氣壓縮機(jī)，未技改的循環(huán)氣壓縮機(jī)作為備機(jī)(計(jì)劃2024年對(duì)其進(jìn)行同樣的技改)。實(shí)踐表明，余隙無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)技術(shù)具有高安全性、高可靠性、高性價(jià)比的優(yōu)點(diǎn)，技改投資少、實(shí)施易、效果好，可實(shí)現(xiàn)往復(fù)式壓縮機(jī)的節(jié)能降耗。