合成氨裝置空氣壓縮機組表冷器運行狀況差的原因分析及技改措施

胡日東，劉業志，公茂金

（中國石油吉林石化公司化肥廠，吉林 吉林 132021）

1 概 況

中國石油吉林石化公司化肥廠合成氨裝置以減壓渣油為原料，設計產能300kt／a，于2000年4月20日破土動工，2002年9月28日竣工，2002年10月18日進行空分單元空氣壓縮機（簡稱空壓機）X／C0101的開車調試，2003年6月8日生產出合格液氨。

本合成氨裝置為引進上世紀90年代先進技術的工藝裝置，具有生產規模大型化、動力裝置透平化及過程控制采用先進DCS操作系統等特點，是吉林石化公司重要的生產裝置之一。合成氨裝置由德國林德公司總承包，采用德士古部分氧化專利技術將原料渣油氧化成CO和H2，再經CO變換、低溫甲醇洗、液氮洗除去雜質得到凈化合成氣，調節好H2／N2的凈化合成氣經壓縮進入卡薩利氨合成塔，經合成反應生產出合格的液氨。

在合成氨裝置建成投產后，為在全公司范圍內實現產品結構的優化和總體經濟效益的提升，又增加了抽氫氣和抽合成氣2套裝置，為丁辛醇裝置及東部生產裝置提供合成氣和氫氣，氫氣生產能力為24000m3／h，合成氣生產能力為25000m3／h。

2 空壓機組簡介

空壓機組的任務是為合成氨裝置空分單元提供壓縮空氣，機組由EHNK40／56汽輪機驅動，設計消耗高壓蒸汽95t／h，抽出中壓蒸汽75t／h，表冷器凝汽47t／h，低壓蒸汽注汽25t／h。動力二廠來的9.0MPa高壓蒸汽進入空壓機組汽輪機做功，在汽輪機中部抽出4.0MPa的中壓蒸汽，末端有表冷器，通過空壓機高壓閥控制進入汽輪機的蒸汽量，通過低壓閥控制去表冷器的負荷，末端設計有低壓蒸汽注汽（由于注汽效果不佳，實際上正常開車后沒有進行注汽）。空壓機設計壓縮空氣量為145000m3／h，空分裝置設計采氧量為24000m3／h，經空壓機壓縮后的空氣壓力為0.5～0.7MPa，送入預冷系統進行冷卻，再經分子篩吸附H2O、CO2及部分碳氫化合物、雜質等后進入精餾塔進行氧氣、氮氣分離，最終提取合格的氧氣、氮氣［1］。

用于驅動空壓機組的EHNK40／56汽輪機由意大利新比隆公司制造，為抽汽、注汽、凝汽式汽輪機，采用多級蒸汽膨脹、噴嘴配汽。汽輪機主要部件有缸體、轉子、前后軸頸軸承、高低壓蒸汽控制閥、緊急主汽閥、止推軸承、噴嘴腔等。汽輪機轉子為鍛造，除了控制段以外，其余葉片均為反作用式，缸體為軸向剖分式，整體均勻鍛造而成；其調速器為WOODWARD505E電子調速器，配有高、低壓蒸汽控制閥及緊急主汽閥；噴嘴腔設置5組噴嘴配汽；控制油由潤滑油站系統提供，用于控制高壓控制閥的制動器。

3 空壓機組表冷器運行狀況及帶來的影響

2017年4月，空壓機組表冷器（E1301）出現排氣壓力、排氣溫度偏高的現象，排氣壓力最高達90kPa（設計值28kPa），排氣溫度最高達140℃（正常指標＜80℃），空壓機組高壓蒸汽消耗達100t／h，明顯偏離設計值，維持正常運行十分困難，而且受空壓機組表冷器排氣壓力偏高的影響，合成氨裝置只能維持低負荷運行，氣化單元投渣油21t／h，為設計滿負荷投渣油量的75%，但液氨產量只有17～18t／h，僅達液氨設計產能的43%～45%。

4 原因分析

4.1 空壓機組表冷器換熱效率下降

年度檢修期間，空壓機組表冷器（E1301）循環水側列管（材質為碳鋼）都要進行物理清洗，但隨著運行時間的延長，循環水側列管垢層不斷增厚（這一點在之后的列管更換檢測中得到印證），簡單的物理清洗已經不能將垢層有效清除，換熱管內垢層的存在減小了列管的換熱面積，降低了列管的傳熱系數，導致E1301換熱效率下降。

實際上不僅僅是E1301換熱效率下降，裝置內其他循環水換熱器也存在同樣的問題。對2014—2016年連續3a相同時間合成氨裝置部分關鍵換熱器出口工藝氣側溫度進行了比對，發現在負荷相同的情況下合成氨裝置的關鍵換熱器（如空壓機段間換熱器、氮壓機一段換熱器、氮壓機二段換熱器、氮壓機三段換熱器、氮壓機表冷器、合成回路循環水換熱器、氨冷凍系統循環水換熱器）出口工藝氣側溫度均有較大幅度升高，表明系統內循環水換熱器換熱效率均有不同程度的下降。

4.2 空壓機組蒸汽透平做功效率下降

過去合成氨裝置4臺蒸汽透平每年檢修期間都要拆蓋清洗，后來經過攻關，蒸汽品質大幅改善，檢修頻次降至每2a徹底清理一次透平蒸汽流道。但是從汽輪機高壓輪室的壓力來看，高壓輪室壓力由2016年運行末期的5.0MPa上漲到2017年運行末期的5.4MPa，表明空壓機組透平做功效率有所下降（冰機透平也同樣存在做功效率下降的問題），導致蒸汽透平蒸汽消耗增大。

4.3 空壓機組表冷器超負荷運行

空壓機組透平屬于抽汽、凝汽式，如果中間抽出的4.0MPa蒸汽少了，為維持透平的出力，其去全凝段的蒸汽總量必然會增加，而中間抽出的4.0MPa蒸汽的量又取決于合成氨裝置蒸汽系統的供需平衡。合成氨裝置高壓蒸汽系統流程示意見圖1。

圖1 合成氨裝置高壓蒸汽系統流程示意圖

空壓機組表冷器（E1301）設計工作壓力為28kPa（A），但實際運行過程中，空壓機組表冷器工作壓力維持在60～95kPa（A），遠偏離設計值。究其原因，裝置對4.0MPa蒸汽需求量少，空壓機組透平抽出中間壓力蒸汽的量減少，導致去全凝段的蒸汽總量增加，故而E1301處于超負荷運行狀態。

4.4 蒸汽系統供需平衡與設計偏離

4.4.1 冰機實際消耗蒸汽量高于設計值

據外方提供的設計數據，冰機透平消耗高壓蒸汽73.7t／h。然而，據蒸汽焓值推算，這部分蒸汽即便是全部做功，也只能輸出3443.89kW的功率，此時該汽輪機的效率居然可以達到98.73%，這顯然不合常理，判斷為外方提供的數據有誤。于是按照設計數據表上提供的相關數據，采用“基本效率法”對冰機消耗蒸汽量進行核算，發現冰機正常工況下蒸汽消耗量應為88.7t／h，這與裝置的實際運行數據基本吻合。因此，可以判斷，冰機實際消耗蒸汽量較設計值高約15t／h。由于冰機透平為背壓式，冰機蒸汽消耗增高后，意味著從空壓機組透平中間抽出的4.0MPa蒸汽就要減少15t／h，那么空壓機組透平為了維持出力，必然會造成去全凝段的蒸汽量增加。

4.4.2 IP蒸汽外送量偏離設計值

原設計IP蒸汽外送老生產區50t／h，而實際上由于老生產區一些裝置停產，IP蒸汽已無用戶，導致IP蒸汽無外送量。IP蒸汽系統的蒸汽為氮壓機組透平中間抽出的1.6MPa蒸汽，IP蒸汽無外送導致氮壓機消耗的4.0MPa蒸汽量較設計值低約20t／h，這就意味著4.0MPa蒸汽過剩，那么從空壓機組透平抽出的4.0MPa蒸汽就會進一步減少。

4.4.3 鍋爐給水泵小透平單臺運行

原設計鍋爐給水泵小透平2臺運行，但實際上由于低壓蒸汽嚴重過剩等原因，鍋爐給水泵單臺運行（透平驅動），導致4.0MPa蒸汽消耗再減少13t／h左右，這意味著4.0MPa蒸汽進一步過剩。

4.4.4 高壓蒸汽補中壓蒸汽閥門內漏嚴重

高壓蒸汽補中壓蒸汽閥門主要用于冰機跳車時緊急向4.0MPa蒸汽管網補充蒸汽，確保氮壓機、合成氣壓縮機及鍋爐給水泵小透平等的穩定運行，因此該閥必須隨時處于備用狀態，然而當前該閥內漏比較嚴重，主要表現在其減溫閥（TV13014）持續有開度，表明高溫高壓蒸汽通過此閥漏入了4.0MPa中壓蒸汽管網，這進一步加劇了4.0MPa蒸汽的過剩，也就進一步減少了空壓機組透平中抽蒸汽量。

上述四方面蒸汽系統供需偏離設計的原因導致空壓機組透平中抽蒸汽量減少，空壓機組透平為維持出力，造成去全凝段蒸汽量由原設計值34.8t／h增至50.5t／h，空壓機組表冷器超負荷運行，實際負荷達設計負荷的145%左右。這也是空壓機組表冷器真空度嚴重偏離設計值的最根本原因。

4.5 空壓機組表冷器循環冷卻水量不足

441A為合成氨裝置配套循環水系統，原設計有4臺循環水泵，兩開兩備，后由于超出預算，砍掉1臺循環水泵，配置3臺循環水泵，兩開一備，泵房內預留了1臺循環水泵的位置（后來441A增上了1套旁濾系統，占用了這個位置）。循環水系統單臺循環水泵設計流量9500m3／h、額定電流214A，如果循環水泵能夠達到設計能力，合成氨裝置的循環水供應量應達19000m3／h，而當前2臺循環水泵總供應量卻只有17000m3／h，電流分別為165A、175A，未達到設計值，總循環水量的不足導致作為單臺循環水用量最大的設備——E1301供水量也未達到設計值5000t／h。

此外，441A循環水系統的6臺冷卻塔也未達到設計出力，這從配套的6臺風機的電流數據可以判斷出來。

5 技改措施分析及技改方案確定

由上述分析可以看出，空壓機組表冷器換熱效率下降、空壓機蒸汽透平做功效率下降、空壓機組表冷器超負荷運行、蒸汽系統供需平衡與設計偏離是導致空壓機組表冷器運行狀況差（排氣壓力、排氣溫度偏高）的原因，要想解決空壓機組表冷器存在的問題，從表冷器本身入手，提高其換熱效率，是最直接的辦法。

經考察調研得知，可通過更換空壓機組表冷器列管增加表冷器的換熱面積，提高空壓機組表冷器的傳熱系數，從而提高空壓機組表冷器的換熱能力［2］，徹底解決表冷器排氣壓力、排氣溫度偏高的問題，同類設備有更換列管后換熱效果明顯改觀的實例，而且如果能同步對列管材質進行提升，將列管材質更換為銅鎳合金，效果將更加明顯，即表冷器換熱效率將會得到大幅提升。于是，我廠決定對空壓機組表冷器列管進行更換，但出于成本考慮，表冷器列管材質仍采用碳鋼。我廠與空壓機組表冷器生產廠家進行交流，對如下施工方案及可行性進行分析。

5.1 方案一：管束整體更換

空壓機組表冷器為水平安裝，表冷器腔體內管板及折流板較多，共11塊，管束長度6m，重量約25t，管束折流板與外殼體間隙只有7.5 mm，若進行管束整體更換，施工現場受吊裝機具、作業面限制，無法保證管束運行軌跡與殼體軸線保持同心或平行，一旦吊裝過程中存在夾角或管束變形，就會造成管束與殼體卡滯，進退兩難。

5.2 方案二：逐根更換列管

空壓機組冷卻合格、轉子拆下后，進入表冷器腔體內，固定好折流板，逐根切割表冷器列管，從殼體內取出，再進行兩側退管，舊列管拆除后，穿好新管，之后逐根進行脹管、焊接。

5.3 技改方案的確定

若采用方案一，現場施工量較小，安全監管時間較少，對其他施工作業影響較小，但施工難度、風險極大，可控性差，施工周期無法保證；若采用方案二，施工難度、風險小，施工周期受控，但現場施工量較大，安全監管時間較長，對其他施工作業有一定影響。

經對比分析，為保證檢修期間完成表冷器列管更換施工作業，我廠決定采用方案二——逐根更換列管。

6 技改的實施

2017年5月大檢修期間，對空壓機組表冷器列管進行了更換，共計更換列管1768根。其中，下部有8根列管無法更換，將其切除；一區兩側534根列管由于有斜板阻擋，更換難度大、耗時長，由于時間緊迫，沒有進行更換，只進行了物理清洗。

2018年裝置檢修期間，對空壓機組表冷器一區兩側534根之前未更換的列管進行了更換。

7 取得的成效

7.1 技改效果

空壓機組表冷器列管更換前的2016年，檢修后表冷器排氣壓力為70kPa、排氣溫度為106.7℃，高壓蒸汽消耗量為74t／h；空壓機組表冷器列管更換后的2017年，檢修后表冷器排氣壓力為7.8kPa、排氣溫度為39℃，高壓蒸汽消耗量為54t／h。可以看出，列管更換后，表冷器換熱效果明顯好轉，表冷器排氣壓力降低62.2kPa、排氣溫度降低67.7℃，蒸汽消耗量下降20t／h，為裝置的節能降耗和蒸汽管網的穩定運行奠定了基礎。

7.2 效益分析

僅就節汽效益而言，空壓機組表冷器列管更換后，空壓機組高壓蒸汽耗量降低20t／h，按年運行臺時8000h計算，每年可節約高壓蒸汽160000t，高壓蒸汽價格以150元／t計，每年將產生節能降耗效益2400萬元。

8 結束語

綜上所述，300kt／a合成氨裝置空壓機組表冷器運行狀況差為空壓機組表冷器換熱效率下降、空壓機蒸汽透平做功效率下降、表冷器超負荷運行、蒸汽系統供需平衡與設計偏離等原因所致。我廠結合同類企業類似問題的考察調研結果，通過采用更換表冷器列管這一提高表冷器換熱效率最直接的方式進行技改后，空壓機組表冷器運行狀況明顯改觀，表冷器排氣壓力、排氣溫度、高壓蒸汽消耗量明顯下降，為合成氨裝置的安全、穩定、長周期、經濟運行奠定了基礎。