大型合成氨裝置空氣壓縮機控制方案總結(jié)

楊德林，許明洪，彭衛(wèi)東

（青海鹽湖工業(yè)股份有限公司化工分公司，青海格爾木 816000）

大型合成氨裝置空氣壓縮機控制方案總結(jié)

楊德林，許明洪，彭衛(wèi)東

（青海鹽湖工業(yè)股份有限公司化工分公司，青海格爾木 816000）

從大型合成氨裝置空氣壓縮機試車階段實際經(jīng)驗出發(fā)，介紹機組所運用的負荷控制系統(tǒng)，防喘振控制系統(tǒng)等控制方案的特點，給國內(nèi)大型機組的試車運行提供借鑒。

負荷控制；防喘振控制；壓縮機

青海鹽湖工業(yè)股份有限公司化工分公司化肥廠合成氨一期裝置需要21km3／h左右的空氣，空氣壓縮機將空氣壓縮到3．65MPa后通過空氣加熱爐加熱到520℃，進入二段轉(zhuǎn)化爐進行造氣反應。另外，尿素裝置為防止設備和管道腐蝕，要求原料CO2中氧氣含量不低于0．5%（體積濃度），所以還要從空壓機的三段出口抽出1 172m3／h的空氣去CO2壓縮機。

裝置使用的空氣壓縮機是德國Atlas制造的一臺離心式壓縮機，共五段六級。其壓縮工藝流程如圖1所示。我廠合成氨裝置從2009年3月開始空氣壓縮機試運行，到2010年1月正式投入使用，歷時10個月。現(xiàn)就壓縮機控制系統(tǒng)設計修改變更，結(jié)合現(xiàn)場實際調(diào)試運行后做出的控制方案總結(jié)如下。

1 空氣壓縮機負荷控制系統(tǒng)

大部分離心式壓縮機的控制方式基本與離心泵的控制方案相似，經(jīng)過反復試驗，我合成氨裝置空氣壓縮機采用了改變?nèi)肟趯~加6級出口放空的方法實現(xiàn)負荷控制。這種控制方案既減小了由出口放空帶來的能耗損失，又解決了調(diào)節(jié)氣量的控制負荷問題，對壓縮機的負荷控制非常實用。如圖2所示，需要調(diào)節(jié)負荷的時候首先調(diào)節(jié)出口放空閥FV04205來配比負荷所需要的空氣量。為了降低能耗，減少損失，在6級出口放空閥調(diào)節(jié)過程中通過手動改變1級進口導葉HIC04201的開度來配合氣量大小，實現(xiàn)負荷的控制。在旁路放空時，氣體經(jīng)過多級壓縮后，因壓縮比很大出口壓力已很高，此時不宜從末端出口與入口直接旁路，因為這樣做，能量消耗太大，閥座在高壓差下磨損也很快，故宜采用分段放空。

2 防喘振控制系統(tǒng)

離心式壓縮機在運行過程中，當負荷下降到一定數(shù)值時，排送氣體會出現(xiàn)強烈的振蕩，機身也隨之發(fā)生劇烈振動，這種現(xiàn)象稱之為喘振。

而喘振產(chǎn)生的原因要從離心式壓縮的過程特性上去找。離心式壓縮機的壓縮比（壓縮機出口壓力p2與入口壓力p1之比，p2／p1）與進口氣體體積流量Q之間的關(guān)系曲線如圖3所示。在不同轉(zhuǎn)速n下，各駝峰點連線的軌跡近似于一條拋物線，這條線就是所謂的喘振邊界線，如圖中虛線所示。由圖3可以看出，在某一轉(zhuǎn)速下當流量減小到駝峰值以下時就會發(fā)生喘振。

圖1 合成氨裝置空氣壓縮機工藝流程圖

圖2 負荷控制方案

圖3 離心式壓縮機特性曲線

為安全起見，在這條線的右側(cè)考慮有一定余地再作一條拋物線，稱之為安全線，如圖4所示，讓壓縮機工作在安全線右側(cè)就可避免喘振的發(fā)生。

圖4 離心式壓縮機的安全線

除上述介紹流量變小造成離心壓縮機喘振外，被壓縮氣體的吸入狀態(tài)，如分子量、溫度、壓力等的變化，也是造成壓縮機喘振的原因，它們的影響如圖5所示。

圖5（a）表明，當被輸送氣體分子量增大時，往往會引起喘振。所以離心式壓縮機使用時，規(guī)定了按工藝要求的參數(shù)指標。除氣體分子量變化對喘振影響外，氣體入口溫度變化也會影響壓縮機的喘振，圖5（b）表明，隨著氣體入口溫度下降，壓縮機易進入喘振區(qū)。

一般在正常情況下，壓縮機的喘振是因為負荷的減小，使被輸送氣體的流量小于該工況下特性曲線喘振點流量QB所致。因此，只能在必要時采用部分回流或者放空的辦法，使之既適應工藝低負荷生產(chǎn)的要求，又滿足流量大于最小極限值（既喘振點流量QB）的需要。當然，只采用部分氣體循環(huán)返回或者放空防喘振的做法，從能量消耗的角度看是不經(jīng)濟的，所以，在減小負荷的時候，配合入口導葉來解決能耗大的問題。

圖5 壓縮氣體對壓縮機性能的影響

因此，我合成氨裝置防喘振控制方案，就是在最高固定轉(zhuǎn)速下使壓縮機的流量始終保持大于最大轉(zhuǎn)速下喘振點的流量值。即采用固定極限流量防喘振，如圖6所示。這樣，壓縮機就不會產(chǎn)生喘振。其控制系統(tǒng)如圖7所示，如果測量值大于QB，則旁路調(diào)節(jié)閥完全關(guān)閉；如果測量值小于QB，則將旁路調(diào)節(jié)閥打開，使一部分氣體放空，直到壓縮機流量達到QB為止，以達到防喘振的目的。

這種方案的優(yōu)點是控制簡單，使用儀表少，系統(tǒng)可靠性高，所以大部分壓縮機采用這種控制方案。其缺點是在轉(zhuǎn)速降低、壓縮機低負荷運行時，極限流量的裕量顯得過大而造成能量浪費大，無疑會增加運行費用。如果壓縮機負荷經(jīng)常在大于QB的狀態(tài)下操作，那么采用此種方案是適宜的，因為這種系統(tǒng)簡單。

圖6 固定極限流量防喘振特性曲線

圖7 防喘振控制方案

若壓縮機入口壓力和溫度波動較大，那么發(fā)生喘振的極限流量QB也將發(fā)生變化。這種情況下就要對出口流量進行溫壓補償。

3 壓縮機油路系統(tǒng)及真空冷凝系統(tǒng)的控制

3．1 壓縮機油系統(tǒng)

合成氨裝置的空氣壓縮機組供油系統(tǒng)為集中油站，主要提供壓縮機潤滑用油，汽輪機潤滑用油，汽輪機調(diào)節(jié)用油。須通過油過濾器過濾，過濾精度要求為小于10μm。潤滑油45（＋3～－2）℃；調(diào)節(jié)控制用油43～60℃。油系統(tǒng)配有4臺油加熱器，每臺功率為3．75kW。油溫若低則應加熱至合格為止。

油系統(tǒng)共有兩臺油泵，即主、輔油泵。主油泵由大齒輪驅(qū)動；輔油泵由電機驅(qū)動。壓縮機正常運行期間使用主油泵，主油泵有故障時，以及壓縮機啟動和停車時使用輔油泵，主輔油泵做到自動切換。油系統(tǒng)的控制中對輔油泵進行了自動控制，條件如下。

（1）油箱液位不低并且在轉(zhuǎn)速低報警的時候，如果按下聯(lián)鎖畫面中“啟動”按鈕，輔油泵將啟動。

（2）壓縮機運行狀態(tài)下只要轉(zhuǎn)速低于低報警值，輔油泵將啟動。

（3）壓縮機停機后輔油泵將繼續(xù)運行，16h后才自動停止。

（4）壓縮機運行時，只要潤滑油和控制油中有一項達到低報警，輔油泵將啟動。

（5）因第（1）和第（4）條因素致輔油泵運行時，根據(jù)實際需要可以按下聯(lián)鎖畫面中的“停止”按鈕，停止輔油泵。

3．2 壓縮機真空冷凝系統(tǒng)

真空冷凝系統(tǒng)在機組中執(zhí)行冷源任務，系將凝汽式汽輪機的排汽凝結(jié)成水，并帶走蒸汽凝結(jié)時放出的熱量，建立和維持汽輪機排汽口的真空，使進入汽輪機的蒸汽膨脹到盡可能低的有利壓力，增加蒸汽的可用焓降；并將凝結(jié)水重新送入鍋爐，作為鍋爐的給水，循環(huán)使用，從而提高整個裝置的熱經(jīng)濟性。結(jié)合實際及真空冷凝系統(tǒng)的任務，我裝置壓縮機組真空冷凝系統(tǒng)給出以下控制方案，如圖8所示。

圖8 真空冷凝系統(tǒng)控制方案

真空冷凝系統(tǒng)的控制主要通過控制出口閥LV6521和回流閥LV6520及冷凝水泵J0402A／B來實現(xiàn)。對于主冷凝器的液位，配置一塊液位變送器和兩只液位開關(guān)LSH523和LSL525。我們將主冷凝器的液位給定值設為50%，控制如下。

（1）當主冷凝器液位超過設定值SP時，調(diào)節(jié)閥LV6521開大，LV6520關(guān)小。

（2）當主冷凝器液位低于設定值SP時，調(diào)節(jié)閥LV6521關(guān)小，LV6520開大。

（3）當主冷凝器液位高報開關(guān)LSH523報警時（紅色），冷凝水泵備用泵自啟動。

（4）當主冷凝器液位低報開關(guān)LSL525報警時（紅色），冷凝水泵備用泵自停止。

4 抽氣系統(tǒng)

抽氣器的任務是將處于負壓的汽輪機凝汽器及管道的不嚴密處漏入凝汽器側(cè)的空氣不斷地抽出，以保持凝汽器的真空和良好的傳熱。

抽氣系統(tǒng)的控制主要由流量控制和壓力控制組成。在控制系統(tǒng)作用的時候，首先用流量控制中的流量設定百分比調(diào)節(jié)至使抽氣壓力稍大于外管壓力0．1～0．2MPa。流量百分比設定值一般在80左右。然后選擇壓力控制，設定值一般為3．9MPa。抽氣系統(tǒng)控制的難點主要在參數(shù)的設置上，它一定要配合系統(tǒng)管網(wǎng)的壓力。

綜上所述，我合成氨裝置空氣壓縮機的控制方案中空氣壓縮機防喘振控制，采用放空的方法防止空壓機的喘振；壓縮機的負荷采用手動遙控入口導葉加出口放空的控制方案。在空氣壓縮機運行過程中充分發(fā)揮了這些控制方案的優(yōu)勢，使壓縮機能夠平穩(wěn)、安全地運行并且保證了送往合成氨裝置的工藝空氣合格穩(wěn)定，進一步為合成氨裝置的連續(xù)、平穩(wěn)、安全生產(chǎn)提供了保障。結(jié)合實際經(jīng)驗，作出以上總結(jié)，希望能給國內(nèi)大型機組的試車運行提供借鑒。

Summary for Air Compressor Control Scheme in Large－Scale Ammonia Plant

YANG De－lin，XU Ming－h(huán)ong，PENG Wei－dong

（The Chemical Branch Company of Qinghai Salt Lake Industry Co．，Ltd．，Golmud Qinghai 816000，China）

From the practical experience of large－scale ammonia plant air compressor unit during test stage，introduce the characteristics by the use of load control system，anti－surge control program．Provide a good reference to the large domestic unit for test runing．

load control；anti－surge control；compressor

TH452

B

1003－6490（2012）03－0044－04

2012－05－04

楊德林（1980－），男，青海樂都人，助理工程師，現(xiàn)為青海鹽湖工業(yè)股份有限公司化工分公司尿素一車間自控技術(shù)員。