氮氣壓縮機系統節能措施的研究與實施分析

陳林江

（成都艾爾普氣體產品有限公司，四川 成都 611930）

隨著“低碳環?！钡母拍钇占?，減少“碳排放”已經成為目前各工廠的重要指標，“節能降耗、提質爭效”成為化工行業的新時尚。離心壓縮機是空分裝置的核心設備，也是裝置中的主要耗能設備。某公司空分廠有2臺15000m3/h的氮氣壓縮機，功率是1800kW。由于用戶需求約為15000～18000m3/h之間，一臺設備不能滿足供氣量，兩臺設備最低負荷供氣量約為24000m3/h。為此不得不開較大的回流，從而導致了較大的能源浪費。因此，采取合理有效的措施、降低壓縮機能耗，對裝置節能增效有重大意義。本文從離心壓縮機的工藝參數控制、機組結構優化和調節控制系統的改進三個方面介紹和探討了離心壓縮的主要節能技術，并結合公司生產實際提出了相應的改進意見。

1 研究背景

壓縮機的不定時開關及較大的回流引起了公司的關注。通過計算，當2臺壓縮機均開最低負荷時，電流合計為260A。實際用于壓縮的電流約為220A，由此至少造成了40A的浪費，年浪費電能約292萬度電能，預計140萬元，占裝置年利潤的5%。為此裝置設備和工藝管理人員對目前的狀態進行研究，決定對氮氣壓縮系統進行技改，即新增加一臺氮氣壓縮機，既能滿足用戶15000～20000m3/h的流量要求，又能夠大幅降低功率消耗，達到節能效果。

2 節能措施研究

2.1 選擇合適的吸入壓力

壓縮機吸入壓力的選取，對壓縮機能耗有很大的影響，吸入壓力越低，能耗越大，尤其是壓縮機一段吸入壓力，對壓縮機能耗影響更大。適當提高壓縮吸入壓力，有利于降低壓縮機能耗。目前，空分廠氮氣壓力較低，針對此問題，裝置入口管道通過減少彎頭，靠近氮氣分離塔，努力減少進氣管網阻力，在保證足夠的處理氣量的前提下，提高壓縮機入口壓力，以降低來氣壓力低對壓縮機能效的不利影響。由原始微正壓的溫度，提升至120kPa，提高了入口壓力，減少壓縮做功。

2.2 控制壓縮機各段氣體入口溫度

由壓縮機循環過程分析得知：在多級壓縮過程中，壓縮機的級間冷卻效果直接關系到其級間溫度的控制，合理的控制壓縮機各段氣體的入口溫度對壓縮機的節能增效有著顯著的作用?？辗謴S中設備冷卻循環水為廠內自有循環水，有空間也有條件實現更加優質的循環水和較低的循環水溫度。常規壓縮機級間或機后冷卻器多采用列管式換熱器，存在換熱效率低等故障。針對此問題，在新壓縮機輔助設備設計過程中，將級間冷卻器的換熱面積擴大，設計級間溫度循環水溫差為2～5℃。

2.3 改進壓縮機葉輪

三元流葉輪是在三維空間坐標中計算氣體流動而進行設計的，大型壓縮機使用的基本是三元流葉輪。目前舊葉輪采用三元流葉輪，壓縮機出口設計壓力為1MPa，實際輸出壓力調節到0.72MPa，且長期處于該調節壓力區間。針對舊葉輪負荷較大的情況，也可以通過計算方法，計算出修改葉輪的尺寸，使壓縮機輸出壓力為0.72～0.8MPa，從而能夠提高葉輪效率2%～5%。由于石油化工行業很多企業的壓縮機應用的都是10年甚至20年前的技術，都將相繼進入改造期，從經濟性角度看，這種改造意義很大，它大大提高了石油化工裝置的生產能力及經濟效益，降低產品單耗。就單機改造而言，其節能效果也是非常明顯的。

2.4 改進調節控制系統

為預防發生喘振工況，離心壓縮機都設有防喘振控制系統。眾所周知，壓縮機過大的回流量將會使機組的能耗增加。一般情況，國內外很多壓縮機制造廠給空分廠配套使用的離心氮氣壓縮機組的回流量大多沒有安裝計量儀表，所以就無法將防喘振控制信號取為流量，通常取用的是壓縮機電流信號。實際上，電流信號相比壓縮機氣體流量，采用氣體流量控制更為精確。因此，將防喘振手動控制改為自動控制，并且研究應用更加先進準確的防喘振控制系統對壓縮機回流量進行精確合理的控制，進而降低機組能耗是一種可行的辦法。

當單臺氮氣壓縮機運行時，其中K701A/B（原舊壓縮機）流量約15000m3/h，對應電流為200A，即：每消耗1A電流對應流量為60m3/h；K701C流量約6000m3/h，對應電流為71A，即：每消耗1A電流對應流量為104m3/h。由以上數據可看出，新壓縮機具有更高的效率。所以，在兩臺壓縮機啟動期間，必須存在回流時，應該在提高新設備的負荷到100%，適當降低原舊壓縮機負荷作為調節配合，以節省電流。其配合如表1。

表1 目前工況下兩機配合的流量方案

所有性能均滿足技術協議（按照K701A/B負責調節，K701C負責滿負荷）：

當需要20000流量時，兩機組合計電流約為200+57A；同比246A增加13A；

當需要19000流量時，兩機組合計電流約為175+57A；同比226A增加6A；

當需要18000流量時，兩機組合計電流約為155+57A；同比209A增加3A；

當需要17000流量時，兩機組合計電流約為138+57A；同比192.7A增加2.3A；

當需要16000流量時，兩機組合計電流約為125+57A；同比182A增加0A（類似持平）。

由此可看出其優勢。調節兩機主副的主要方法為調節壓縮機排氣壓力，若希望新機器做功多，可調節新機器出口壓力略高于舊機器即可。壓縮機流程圖如圖1。

圖1 壓縮機流程圖

3 結論及認識

通過對離心壓縮機節能技術的研究，優化機組運行模式，得出以下結論及認識。（1）應采用合理的方式降低壓縮機的吸入壓力和級間壓降，控制壓縮機各段氣體入口溫度。（2）三元流葉輪設計可有效地提高壓縮機運行效率，降低機組能耗。（3）設置合理的防喘振信號取點，對氮氣離心壓縮機高效運行具體很高的經濟效益。

4 綜合效益

新增K701C氮氣壓縮機項目于2018年12月立項，2019年10月到貨，2019年12月完成調試，隨后交付生產投用。目前運行至今，機組運行狀態平穩，節能效果顯著。

設備參數：電機額定電流：72A；功率因數：0.88，額定功率：630kW；電壓：6000V。

與技改以前工況比較，實際每年節約電約300萬kW·h，每年節省電費150萬元。投資回收期不到2年。

5 結語

企業要生存和發展，節約成本也是必不可少的一項重要任務。降本增效的核心是在設備穩定運行的前提下，減少不必要的能源浪費，提高設備效率。該項目的應用有效降低了產品電能消耗、提高了設備運行效率，從而提高了裝置運行和設備管理水平，對提高公司的市場競爭力具有重要意義。