CO2压缩机三段冷却器的思考

许 海，张东旭

(山东能源集团新疆能化公司， 乌鲁木齐 830000)

兖矿新疆煤化工有限公司(简称兖新煤化)是兖矿集团在新疆投资运营的60万t/a醇氨联产项目，其产能为30万t/a甲醇、52万t/a尿素，同时副产2.6万t/a硫酸及5万t/a液氧，于2012年投产运营。整个系统中CO2压缩机是沈鼓成套装置(沈鼓设计的第一台CO2压缩机)，近来其中三段冷却器换热效果差，换热后出气温度超指标范围，于是联系厂家更换其中的管束，更换后明显改善效果。

1 CO2压缩机原理

1.1 CO2压缩机简介

与CO2压缩机相配套的原动机是蒸汽透平，又称蒸汽轮机或汽轮机，是一种将蒸汽的热能转换成机械能的设备。利用温度为390 ℃、压力为3.8 MPa的过热蒸汽，在固定喷嘴内膨胀后，使蒸汽的热能迅速转变为动能，然后被高速喷射到叶片上，又使动能变为机械能，让叶轮旋转起来。同时通过轴的连接带动CO2压缩机转动，达到加压CO2的工艺要求。

通常将压缩机的叶轮和与其相配合的固定扩压器称为离心压缩机的一个级。气体通过一级所能提高的压力是有限的。为了达到高的压力，就必须采用多级压缩，即将若干个叶轮串接起来。将若干级装在1个机壳内，就组成1个缸。1个缸最多能装10级，否则缸体太长会使密封更加复杂[1]。如果要获得更高的压力，可采用多缸。气体在缸内经压缩后温度升高。如继续压缩，在设备材质、气体性质方面将会受到限制。此外，为了节省功耗，通常在气体压缩到一定压力后，将气体从缸内引出进行冷却，降低气体温度[2]。将冷凝下来的水滴分离后进行下一级的压缩。三段冷却器流程见图1。

图1 三段冷却器流程图

1.2 设置段间冷却器的作用

从理论上讲，气体等温则压缩功耗最小，而气体压缩过程中，气体温度必然升高。对于多级压缩，通过分段压缩并经中间冷却降温，可使得压缩过程接近于等温过程，降低压缩功耗。同时当压缩危险介质时，降低其温度也更加安全。

2 流程简述

从甲醇净化装置来的CO2气体，体积分数为98.5%，其压力为0.124 MPa，温度为40 ℃。经CO2分离器分离后，进入一段缸加压至0.565 MPa、152 ℃，然后在一段出口冷却器与一定量的空气相混合(空气量为CO2体积的4%)，主要用于高压设备的防腐和脱氢。在尿素的生产过程中，氧气可以在尿素合成塔、CO2汽提塔、高压洗涤器及高压甲铵冷凝器等设备表面形成一层致密的氧化膜， 以防止尿素-甲铵液对设备的腐蚀，总控调节进空气量，保证CO2入汽提塔的氧气体积分数为0.6%～0. 8%[3]。加入空气后的CO2气体在二段入口分离器分离液滴后进入压缩机二段缸，出二段缸的气体(2. 388 MPa、188.2 ℃)从二段出口冷却器冷却到60～80℃后进入脱硫槽，除去气体中的硫化物，脱硫后CO2进行脱氢后反应，经换热器换热后，再进入中压CO2冷却器冷却至40℃左右后，进入三段入口CO2汽液分离器，分离液滴后进入三段压缩至8. 6 MPa，经三段出口冷却器冷却后CO2温度约为55 ℃，再进入四段缸，最终CO2气体被压缩到14.6 MPa后进入汽提塔下部。

Aspen plus 调用CO2物性数据见图2～图4。

图2 0.124 MPa、40～160 ℃下CO2密度曲线图

图3 8.6 MPa、40～160 ℃下CO2密度曲线图

由图2～图4可知：在一定压力下， CO2密度会随温度的升高而降低。操作中希望进入汽提塔底部的CO2气量保持较小波动，即入口温度变化小，CO2尽可能“实”，才能使进入系统的CO2量与负荷加液NH3的量对应，方便工艺操作人员判断与操作，使得系统工艺操作利于指标控制，进而达到高产降耗的目的。

3 问题简述

3.1 改造前

由于三段冷却器投用时间已久，出现温度远超指标范围后，经车间排查原因后发现，其中某些列管出现泄漏，遂进行短停封堵漏处理。但因导换热面积减少，CO2温度实测达到95～99 ℃(设计指标为55 ℃左右)，造成系统运行负荷重及蒸汽消耗增加。

车间进行重点监控，同时加配疏水管道，加快冷却水排除，以达到降温目的。同时积极采购管束(三段换热器的管程)，并作短停处理以更换管束。

在更换管束过程中，发现循环水污泥堵塞导淋阀，且在管束外侧形成结垢，反应冷却器没有起到足够的冷却作用。

3.2 改造后

通过更换新的管束，对比前后数据发现冷却效果明显优化，系统运行情况也更加稳定。改造前后数据对比见表1。

表1 改造前后数据对比

由表1可知：系统加量区间增大，进汽提塔CO2温度降低，汽提塔出液温度下降，使得缩二脲含量下降；三段冷却器出口温度下降至指标范围内，使气体更加“实”；通过此次更换换热器管束，系统各项指标趋于正常。

对于换热器来说，要保证其材质，冷却介质循环水尽可能干净，减少污垢及对列管和壳程的腐蚀，防止泥沙堵塞阀门。工艺操作上防止剧烈的温度变化，加强换热器的日常维护保养。

4 经济效益

改造前后3.8 MPa蒸汽消耗汇总见表2和表3。

表2 改造前3.8 MPa蒸汽消耗

表3 改造后3.8 MPa蒸汽消耗

更换前后蒸汽单耗差为0.41 t/h， 通过更换三段换热器管束，每天(24 h)可节约3.8 MPa蒸汽质量为9.84 t。不仅减少了蒸汽消耗量，而且有助于整个工艺系统指标、系统加减量有较大操作区间等。

5 总结

通过此次更换三段换热器管束，换热器效果明显优化，同时减少了3.8 MPa蒸汽消耗，达到负荷节能降耗的目标。每件设备都有其使用年限，在使用过程中要按时保养检测[4]，确保安全长周期运行。