大型合成氨装置空气压缩机控制方案总结

杨德林，许明洪，彭卫东

（青海盐湖工业股份有限公司化工分公司，青海格尔木 816000）

大型合成氨装置空气压缩机控制方案总结

杨德林，许明洪，彭卫东

（青海盐湖工业股份有限公司化工分公司，青海格尔木 816000）

从大型合成氨装置空气压缩机试车阶段实际经验出发，介绍机组所运用的负荷控制系统，防喘振控制系统等控制方案的特点，给国内大型机组的试车运行提供借鉴。

负荷控制；防喘振控制；压缩机

青海盐湖工业股份有限公司化工分公司化肥厂合成氨一期装置需要21km3／h左右的空气，空气压缩机将空气压缩到3．65MPa后通过空气加热炉加热到520℃，进入二段转化炉进行造气反应。另外，尿素装置为防止设备和管道腐蚀，要求原料CO2中氧气含量不低于0．5%（体积浓度），所以还要从空压机的三段出口抽出1 172m3／h的空气去CO2压缩机。

装置使用的空气压缩机是德国Atlas制造的一台离心式压缩机，共五段六级。其压缩工艺流程如图1所示。我厂合成氨装置从2009年3月开始空气压缩机试运行，到2010年1月正式投入使用，历时10个月。现就压缩机控制系统设计修改变更，结合现场实际调试运行后做出的控制方案总结如下。

1 空气压缩机负荷控制系统

大部分离心式压缩机的控制方式基本与离心泵的控制方案相似，经过反复试验，我合成氨装置空气压缩机采用了改变入口导叶加6级出口放空的方法实现负荷控制。这种控制方案既减小了由出口放空带来的能耗损失，又解决了调节气量的控制负荷问题，对压缩机的负荷控制非常实用。如图2所示，需要调节负荷的时候首先调节出口放空阀FV04205来配比负荷所需要的空气量。为了降低能耗，减少损失，在6级出口放空阀调节过程中通过手动改变1级进口导叶HIC04201的开度来配合气量大小，实现负荷的控制。在旁路放空时，气体经过多级压缩后，因压缩比很大出口压力已很高，此时不宜从末端出口与入口直接旁路，因为这样做，能量消耗太大，阀座在高压差下磨损也很快，故宜采用分段放空。

2 防喘振控制系统

离心式压缩机在运行过程中，当负荷下降到一定数值时，排送气体会出现强烈的振荡，机身也随之发生剧烈振动，这种现象称之为喘振。

而喘振产生的原因要从离心式压缩的过程特性上去找。离心式压缩机的压缩比（压缩机出口压力p2与入口压力p1之比，p2／p1）与进口气体体积流量Q之间的关系曲线如图3所示。在不同转速n下，各驼峰点连线的轨迹近似于一条抛物线，这条线就是所谓的喘振边界线，如图中虚线所示。由图3可以看出，在某一转速下当流量减小到驼峰值以下时就会发生喘振。

图1 合成氨装置空气压缩机工艺流程图

图2 负荷控制方案

图3 离心式压缩机特性曲线

为安全起见，在这条线的右侧考虑有一定余地再作一条抛物线，称之为安全线，如图4所示，让压缩机工作在安全线右侧就可避免喘振的发生。

图4 离心式压缩机的安全线

除上述介绍流量变小造成离心压缩机喘振外，被压缩气体的吸入状态，如分子量、温度、压力等的变化，也是造成压缩机喘振的原因，它们的影响如图5所示。

图5（a）表明，当被输送气体分子量增大时，往往会引起喘振。所以离心式压缩机使用时，规定了按工艺要求的参数指标。除气体分子量变化对喘振影响外，气体入口温度变化也会影响压缩机的喘振，图5（b）表明，随着气体入口温度下降，压缩机易进入喘振区。

一般在正常情况下，压缩机的喘振是因为负荷的减小，使被输送气体的流量小于该工况下特性曲线喘振点流量QB所致。因此，只能在必要时采用部分回流或者放空的办法，使之既适应工艺低负荷生产的要求，又满足流量大于最小极限值（既喘振点流量QB）的需要。当然，只采用部分气体循环返回或者放空防喘振的做法，从能量消耗的角度看是不经济的，所以，在减小负荷的时候，配合入口导叶来解决能耗大的问题。

图5 压缩气体对压缩机性能的影响

因此，我合成氨装置防喘振控制方案，就是在最高固定转速下使压缩机的流量始终保持大于最大转速下喘振点的流量值。即采用固定极限流量防喘振，如图6所示。这样，压缩机就不会产生喘振。其控制系统如图7所示，如果测量值大于QB，则旁路调节阀完全关闭；如果测量值小于QB，则将旁路调节阀打开，使一部分气体放空，直到压缩机流量达到QB为止，以达到防喘振的目的。

这种方案的优点是控制简单，使用仪表少，系统可靠性高，所以大部分压缩机采用这种控制方案。其缺点是在转速降低、压缩机低负荷运行时，极限流量的裕量显得过大而造成能量浪费大，无疑会增加运行费用。如果压缩机负荷经常在大于QB的状态下操作，那么采用此种方案是适宜的，因为这种系统简单。

图6 固定极限流量防喘振特性曲线

图7 防喘振控制方案

若压缩机入口压力和温度波动较大，那么发生喘振的极限流量QB也将发生变化。这种情况下就要对出口流量进行温压补偿。

3 压缩机油路系统及真空冷凝系统的控制

3．1 压缩机油系统

合成氨装置的空气压缩机组供油系统为集中油站，主要提供压缩机润滑用油，汽轮机润滑用油，汽轮机调节用油。须通过油过滤器过滤，过滤精度要求为小于10μm。润滑油45（＋3～－2）℃；调节控制用油43～60℃。油系统配有4台油加热器，每台功率为3．75kW。油温若低则应加热至合格为止。

油系统共有两台油泵，即主、辅油泵。主油泵由大齿轮驱动；辅油泵由电机驱动。压缩机正常运行期间使用主油泵，主油泵有故障时，以及压缩机启动和停车时使用辅油泵，主辅油泵做到自动切换。油系统的控制中对辅油泵进行了自动控制，条件如下。

（1）油箱液位不低并且在转速低报警的时候，如果按下联锁画面中“启动”按钮，辅油泵将启动。

（2）压缩机运行状态下只要转速低于低报警值，辅油泵将启动。

（3）压缩机停机后辅油泵将继续运行，16h后才自动停止。

（4）压缩机运行时，只要润滑油和控制油中有一项达到低报警，辅油泵将启动。

（5）因第（1）和第（4）条因素致辅油泵运行时，根据实际需要可以按下联锁画面中的“停止”按钮，停止辅油泵。

3．2 压缩机真空冷凝系统

真空冷凝系统在机组中执行冷源任务，系将凝汽式汽轮机的排汽凝结成水，并带走蒸汽凝结时放出的热量，建立和维持汽轮机排汽口的真空，使进入汽轮机的蒸汽膨胀到尽可能低的有利压力，增加蒸汽的可用焓降；并将凝结水重新送入锅炉，作为锅炉的给水，循环使用，从而提高整个装置的热经济性。结合实际及真空冷凝系统的任务，我装置压缩机组真空冷凝系统给出以下控制方案，如图8所示。

图8 真空冷凝系统控制方案

真空冷凝系统的控制主要通过控制出口阀LV6521和回流阀LV6520及冷凝水泵J0402A／B来实现。对于主冷凝器的液位，配置一块液位变送器和两只液位开关LSH523和LSL525。我们将主冷凝器的液位给定值设为50%，控制如下。

（1）当主冷凝器液位超过设定值SP时，调节阀LV6521开大，LV6520关小。

（2）当主冷凝器液位低于设定值SP时，调节阀LV6521关小，LV6520开大。

（3）当主冷凝器液位高报开关LSH523报警时（红色），冷凝水泵备用泵自启动。

（4）当主冷凝器液位低报开关LSL525报警时（红色），冷凝水泵备用泵自停止。

4 抽气系统

抽气器的任务是将处于负压的汽轮机凝汽器及管道的不严密处漏入凝汽器侧的空气不断地抽出，以保持凝汽器的真空和良好的传热。

抽气系统的控制主要由流量控制和压力控制组成。在控制系统作用的时候，首先用流量控制中的流量设定百分比调节至使抽气压力稍大于外管压力0．1～0．2MPa。流量百分比设定值一般在80左右。然后选择压力控制，设定值一般为3．9MPa。抽气系统控制的难点主要在参数的设置上，它一定要配合系统管网的压力。

综上所述，我合成氨装置空气压缩机的控制方案中空气压缩机防喘振控制，采用放空的方法防止空压机的喘振；压缩机的负荷采用手动遥控入口导叶加出口放空的控制方案。在空气压缩机运行过程中充分发挥了这些控制方案的优势，使压缩机能够平稳、安全地运行并且保证了送往合成氨装置的工艺空气合格稳定，进一步为合成氨装置的连续、平稳、安全生产提供了保障。结合实际经验，作出以上总结，希望能给国内大型机组的试车运行提供借鉴。

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

YANG De－lin，XU Ming－hong，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

杨德林（1980－），男，青海乐都人，助理工程师，现为青海盐湖工业股份有限公司化工分公司尿素一车间自控技术员。