氨冰机节能优化研究

尹俊杰,马如芬

(航天长征化学工程股份有限公司兰州分公司,甘肃 兰州 730010)

设置氨冰机的目的是为低温甲醇洗、氨合成、空分单元提供冷量。离心式压缩机具有制冷能力大、占地小、运行成本低、连续运行时间长等优点，在大型煤制合成氨装置中得到广泛应用。其基本原理是将来自低温甲醇洗、氨合成、空分单元的气氨送入氨冰机进行压缩后，在冷凝器内用循环冷却水将气氨冷凝成液氨，再将液氨送往低温甲醇洗、氨合成、空分单元制冷，进行循环使用。

1 氨冰机工艺流程

典型氨冰机工艺流程见图1，氨冰机是由离心式压缩机和汽轮机等组成，开车时将液氨补充进液氨缓冲罐，从液氨缓冲罐出来的液氨一部分送空分和氨合成单元;另一部分液氨经过冷器过冷至-5℃送往低温甲醇洗单元。来自低温甲醇洗单元返回的压力为-0.035MPa(g)、温度为-35℃的气氨进入氨冰机后,经过三级压缩和段间换热，气氨压力为1.70MPa(g)、温度为116.9℃，经四段出口冷却器冷却到50℃，再进入冷凝器进一步冷却至40℃，此时气氨已冷凝为液氨，液氨进入液氨缓冲罐进行下一个循环。离心式压缩机组由全凝式蒸汽透平机驱动，从外管网来的中压蒸汽(3.82MPa(g)、400℃)进入汽轮机，蒸汽做功后进入凝汽器冷凝，蒸汽冷凝水通过凝结水泵加压后送至外管网。

图1 典型氨冰机工艺流程

2 节能优化方案

本文以某合成氨装置氨冰机为研究对象，通过改变氨冰机操作条件，分析探讨氨冰机节能优化的可行性。

在该装置氨冰机系统中，氨冷凝器和蒸汽凝汽器是循环水用量最大的两台设备，目前,这两台换热器的循环水都是来自循环水总管，并联操作，换热后再汇入总管，这两台设备的规格参数见表1。

表1 氨冷凝器和蒸汽凝汽器设备参数

根据以上参数，对目前氨冰机系统进行节能优化，提出3个优化方案并分别进行讨论分析。

2.1 方案一

假设氨冰机出口气氨压力(1.7MPa(g))不变，循环水进水温度(33℃)不变，仅将循环水由并联改为串联操作，即来自总管的循环水先经氨冷凝器换热，再经蒸汽凝汽器换热后并入总管(流程见图2)，对氨冷凝器和蒸汽凝汽器并联和串联工况进行计算对比，其结果见表2。

表2 方案一中氨冷凝器和蒸汽凝汽器串、并联计算结果比较

图2 氨冰机循环水串联操作流程

经比较发现，该方案的优点如下：循环冷却水改为串联操作后，氨冷凝器换热面积的富裕增加了一倍，主要是换热器对数平均温差Δtm增大引起的；而凝汽器基本不变。经HTRI软件进一步计算，若氨冷凝器保持相同富裕系数，其换热面积可减少25.5%(换热管长度可从12m减至9m)。该方案也有缺点：循环冷却水管径变大(氨冷凝器循环水由3根DN600改为3根DN900，凝汽器循环水由2根DN600改为2根DN900)，相应10个蝶阀也由DN600变为DN900，且循环水侧阻力增大明显。因此，方案一中氨冷凝器和蒸汽凝汽器循环冷却水串联操作方案不经济。

2.2 方案二

假设氨冰机出口气氨压力由1.7MPa(g)降为1.4MPa(g)，此时氨冷凝器出口温度需降至37℃，循环水进水温度(33℃)不变，对氨冷凝器和蒸汽凝汽器并联和串联工况进行计算对比，其结果见表3。

表3 方案二中氨冷凝器和蒸汽凝汽器串、并联计算结果比较

经比较发现，该方案优点如下：氨冰机出口压力更改后，氨冰机功率由9 281kW降至8 346kW，蒸汽(3.82MPa(g)、400℃)消耗由41.7t/h降至35.7t/h。该方案缺点为：氨冷凝器换热面积明显不够；若满足换热面积的要求，氨冷凝器需串联增加设备台数，但这会导致循环水侧阻力过大，必要时还需增加循环水增压泵。因此，方案二减低了压缩机出口压力，氨冷凝器和蒸汽凝汽器循环冷却水并联、串联的操作均不可行。

2.3 方案三

假设氨冰机出口气氨压力由1.7MPa(g)降为1.4MPa(g)，此时氨冷凝器出口温度需降低至37℃，改变循环水入口温度为30℃(北方地区)，对氨冷凝器和蒸汽凝汽器并联和串联工况进行计算对比，其结果见表4。

表4 方案三中氨冷凝器和蒸汽凝汽器串、并联计算结果比较

经比较发现,改变循环水入口温度至30℃后，循环水并联操作,冷凝器的换热面积不够，凝汽器没有问题；循环水串联操作冷凝器的换热面积可满足要求，因此，方案三中循环水串联操作是可行的。

循环水串联操作后，循环冷却水管径变大(氨冷凝器循环水由3根DN600改为3根DN900，凝汽器循环水由2根DN600改为2根DN900)，相应10个蝶阀也由DN600变为DN900，且循环水侧阻力增大明显，带来两个不良后果：一是阀门和管道的投资有所增加，二是循环水的能耗增加。第一个的后果需一次增加投资约50万元，第二个的后果可通过设备规格优化的方式消除。

方案三中，氨冰机功率由9 281kW降至8 346kW，蒸汽(3.82MPa(g)、400℃)消耗由41.7t/h降至35.7t/h，一年可节省蒸汽4.32万t，年操作费用可节省500万元以上。

综合比较发现，方案三可行且节能效果显著。

2.4 设备优化

方案三中，在循环水串联工况下，尽管氨冷凝器能满足工艺操作要求，但其换热面积富裕系数偏小、阻力偏大,凝汽器阻力降增加明显。因此，在北方地区新建煤制合成氨装置，刚开始设计时应该优化换热器结构参数，使其换热面积和阻力满足要求，结合本工程实例，对氨冷凝器和凝汽器进行结构优化，优化结果见表5。

表5 氨冷凝器和凝汽器结构优化结果

3 结语

(1)在南方地区，循环水入口温度33℃时，氨冰机循环水并联操作是合理的，且压缩机出口压力不宜低于1.7MPa(g)。

(2)在北方地区，循环水入口温度≤30℃时(夏季最热天气也要满足)，氨冰机出口压力可由1.7MPa(g)降低至1.4MPa(g)，此时氨冰机循环水串联操作是合理的。氨冰机轴功率可由9 281kW降至8 346kW，蒸汽(3.82MPa(g)、400℃)消耗由41.7t/h降至35.7t/h，一年可节省蒸汽4.32万t，年操作费用可节省500万元以上，节能效果显著。相比并联，串联后循环水管道和阀门尺寸由DN600增大到DN900，需增加投资约50万元；换热器面积能满足要求,可不用更换,仅需改造循环水进出管口，成本增加投资约30万元，因此，2个月可收回投资。