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，內蒙古 呼倫貝爾 021506)

合成氨裝置生產過程主要包括：粗煤氣的凈化、合成氣的壓縮、氨的合成及分離、甲烷的蒸汽轉化等。氨合成塔只能將一部份氫氣、氮氣合成為氨。為使產品氨與未反應的氣體分離，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吸熱而制冷，蒸發后的氣氨壓縮冷凝成液氨循環使用。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[1]。

金新化工合成氨裝置冷凍系統采用凝汽式蒸汽透平驅動氨壓縮機，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兩缸三段壓縮再通過E04602A/B冷凝成液氨。

1 冷凍系統工藝流程

冷凍系統工藝流程如圖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。其蒸發所產生的氣氨分別進入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，完成液氨循環。壓縮機的各段進口壓力決定了各段的冷凍負荷，而壓縮機的一段入口壓力通常根據工藝負荷改變機組轉速來加以控制[2]。

2 K04601出口壓力控制現況

K04601出口壓力，通過PV04605控制，設計 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，氨壓縮機運行數據如表1所示。

表1 2019年氨壓縮機運行數據

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

表2 循環水及氨受槽S04601溫度情況

通過查詢氨的飽和蒸汽壓對應表可知，當夏季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表中可知，其對應的冷凝溫度查表可知為 39 ℃，比全年最高冷凝溫度高了約 10 ℃。可知，在夏、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。根據壓縮機性能曲線可知，對于一定質量的氣體來說，當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。查詢三菱壓縮機的隨機資料可知，壓縮機各段增加氨流量參數見表3。

表3 K04601高低壓缸各段設計流量

由于氨壓縮機K04601在段間引入蒸發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濟性。

降壓前：當甲醇洗和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是相對分子質量，p2、p1分別是進、出口壓力)。

代入數據得：h1=37577 m。

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

可求得N1=3903 kW。

以此類推，當第二段蒸發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

當第三段蒸發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

當第二段蒸發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

當第三段蒸發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 降壓調試

通過前期分析論證，擬制定了《關于根據循環水溫度降低PV04605壓力以降低K04601J透平蒸汽消耗》的操作調試方案。調試按照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，直至完成調試工作。

經過數據收集，在相同負荷和循環水溫工況下，PV04605從1.50降至 1.28 MPa，K04601轉速共下降 102 r/min，蒸汽消耗下降近 2.83 t/h。

4.2 經濟效益評估

氨壓縮機K04601按年平均每小時節約 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，查詢運行趨勢發現，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律性。

為此，從PV04605閥間的就地導淋打開排放檢查，沒有發現任何有液態氨的跡象，并測得PV04605出口溫度一直保持穩定在13～14 ℃。通過取樣分析氨含量，也沒有發現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生帶氨現象。

總之，根據現場勘查、收集技改前后的數據對比，認為技改后盡量把所帶液氨完全洗滌了下來，但不會對裝置產量及能耗等造成明顯的影響。

6 結論

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，通過技改后可實現根據熱氨溫度動態調整氨壓縮機出口壓力實現了節約蒸汽，降低生產成本的目的。