合成冷冻氨压缩机出口降压操作可行性分析

王加磊，张国平

(呼伦贝尔金新化工有限公司，内蒙古 呼伦贝尔 021506)

合成氨装置生产过程主要包括：粗煤气的净化、合成气的压缩、氨的合成及分离、甲烷的蒸汽转化等。氨合成塔只能将一部份氢气、氮气合成为氨。为使产品氨与未反应的气体分离，一般采用降温冷凝办法。合成回路气体温度愈低，分离就愈完全。由于通常的冷却水满足不了要求的，因而需要有专门的制冷工序。冷源是利用液氨蒸发吸热而制冷，蒸发后的气氨压缩冷凝成液氨循环使用。压缩气氨需要能量，通常大型合成氨装置是采用一台氨气压缩机来实现[1]。

金新化工合成氨装置冷冻系统采用凝汽式蒸汽透平驱动氨压缩机，消耗 9.2 MPa 的高压蒸汽。氨压缩机为离心式压缩机，冷冻三级闪蒸的氨气经两缸三段压缩再通过E04602A/B冷凝成液氨。

1 冷冻系统工艺流程

冷冻系统工艺流程如图1所示。

1.氨压缩机(K04601)；2.氨压缩机透平(KT04601)；3.氨冷却器(E04602A/B)；4.氨受槽(S04601)；5.一级入口分离罐(S04603)；6.二级入口分离罐(S04605)；7.三级入口分离罐(S04604)；8.一氨冷(E04505)；9.二氨冷(E04506)；10. SMR气深冷器(E04106)；11.富CO2甲醇冷却器(E04113)；12.闪蒸甲醇冷却器(E04121)；13.BGL气深冷器(E04102)；14.制冷剂过冷器(E04142)；15.空分氨冷器(E01101)。

氨压缩机，作为合成回路、甲醇洗以及空分的冷冻压缩机，采用三段压缩，并通过E04505、E04506向合成系统提供高压氨分离所需的冷量，同时还提供合成气压缩机段间气体冷却所需的冷量。其蒸发所产生的气氨分别进入S04604、S04605，并分别进入氨压缩的三段和二段进行压缩。通过E04106、E04113和E04121向低温甲醇洗提供冷量，其闪蒸所产生的气氨进入S04603后进入压缩机一段进行压缩。其中，E04102和E01101产生的气氨进入S04604后，进入三段进行压缩。三段和二段的进口气体与前段出口气体分别采用缸外混合，再进入下一段工序；从压缩机出口的气氨经过E04602A/B水冷器冷却后，冷凝成液氨并通过液氨受槽S04601返回至各系统，完成液氨循环。压缩机的各段进口压力决定了各段的冷冻负荷，而压缩机的一段入口压力通常根据工艺负荷改变机组转速来加以控制[2]。

2 K04601出口压力控制现况

K04601出口压力，通过PV04605控制，设计 1.69 MPa，长期控制在1.5～1.55 MPa(G)，采取定值控制的方式。2019年，氨压缩机运行数据如表1所示。

表1 2019年氨压缩机运行数据

3 降压操作的理论分析

3.1 从氨的物理特性分析

由冷冻流程可知，经过各系统氨冷器蒸发出来的气氨，经压缩后全部在两个氨冷却器(E04602A/B)中冷凝，经氨受槽(S04601)气液分离。而影响S04601液氨温度最关键因素是循环水温(表2)。为避免液氨在输送过程中发生两相变化，要求在E04602A/B中冷凝下来的液氨需过冷到操作压力对应氨的冷凝温度 3 ℃ 以下[3]。

表2 循环水及氨受槽S04601温度情况

通过查询氨的饱和蒸汽压对应表可知，当夏季S04601的热氨温度最高为 29 ℃ 时，所需的气氨的冷凝压力为 1.15 MPa；冬季S04601的热氨温度为 18 ℃ 时，所需的气氨冷凝压力为 0.872 MPa。而在K04601出口压力控制在 1.50 MPa 时，从氨的饱和蒸汽压力对应表中可知，其对应的冷凝温度查表可知为 39 ℃，比全年最高冷凝温度高了约 10 ℃。可知，在夏、冬季K04601出口压力，分别有 0.35 MPa 和 0.63 MPa 的裕度，因此其冷凝压力有较大的降压空间。根据压缩机性能曲线可知，对于一定质量的气体来说，当P2/P1减小时，压缩机功耗也随之降低。

3.2 降压前后压缩功耗对比计算

在对冷冻系统中，三段分离罐分离出来的氨气，引入离心式压缩机K04601，两缸三段压缩并冷激各段入口温度后，冷凝成液氨。查询三菱压缩机的随机资料可知，压缩机各段增加氨流量参数见表3。

表3 K04601高低压缸各段设计流量

由于氨压缩机K04601在段间引入蒸发气氨的同时也起到冷激降温作用，从总体来看，近似于等温过程，所以可用等温压缩功来衡量实际过程的经济性。

降压前：当甲醇洗和S04602闪蒸的气氨及氨罐来的第一段气氨从 -33 ℃，0.65×100 kPa 压缩到第三段出口15×100 kPa，其等温能量头为：h=848(T/M)ln(p2/p1)(T是初始温度(K)，M是相对分子质量，p2、p1分别是进、出口压力)。

代入数据得：h1=37577 m。

由等温压缩功耗:N=Gh/(3600×102)。其中，G为质量流量，kg/h。

可求得N1=3903 kW。

以此类推，当第二段蒸发来的氨气冷激换热后从 -5 ℃，2.6×100 kPa 压缩到15×100 kPa 时，其等温能量头为：h2=23428 m

其等温压缩功为:N2=2972 kW

当第三段蒸发来的氨气冷激换热后从 32.1 ℃，6.3×100 kPa 压缩到15×100 kPa 时，其等温能量头为:h3=13202 m

其等温压缩功为：N3=3095 kW

总功耗N前=N1+N2+N3=9970 kW

在降压后当甲醇洗和S04602闪蒸的气氨及氨罐来的第一段气氨从 -33 ℃，0.65×100 kPa 压缩到第三段出口12.8×100 kPa，其等温能量头为：h3=35675 m

其等温压缩功为:N1=3705 kW

当第二段蒸发来的氨气冷激换热后从 -5 ℃，2.6×100 KPa 压缩到12.8×100 kPa 时，其等温能量头为：h2=21308 m；其等温压缩功为:N2=2703 kW

当第三段蒸发来的氨气冷激换热后从 32.1 ℃，6.3×100 kPa 压缩到12.8×100 kPa 时，其等温能量头为:h3=10788 m；其等温压缩功为：N3=2539 kW

其总功耗：N后=N1+N2+N3=8937 kW

降压前后功耗变化:N降=N前-N后=1033 kW

以上计算是氨压缩机在等温压缩过程中减少的功耗，而实际压缩功耗是介于绝热压缩和等温压缩功耗之间。由此看出，在压缩机出口压力降低后，其能量头随之下降，离心式压缩机的实际功耗也得到降低，透平耗汽势必减少，K04601运行成本随之下降。

4 降压操作

4.1 降压调试

通过前期分析论证，拟制定了《关于根据循环水温度降低PV04605压力以降低K04601J透平蒸汽消耗》的操作调试方案。调试按照1.50→1.45→1.4→1.35→1.30→1.28 MPa(G)阶梯逐一降低PV04605压力，降低PV04605压力后逐一分析、检查影响因素，直至完成调试工作。

经过数据收集，在相同负荷和循环水温工况下，PV04605从1.50降至 1.28 MPa，K04601转速共下降 102 r/min，蒸汽消耗下降近 2.83 t/h。

4.2 经济效益评估

氨压缩机K04601按年平均每小时节约 2.5 t/h 蒸汽计，蒸汽按100元/吨计，每年有效降压运行时间按(S04601液氨温度<27 ℃)200天计。

则年降低运行成本：

W=2.5×100×24×200=120万元。

5 存在的问题

在PV04605压力降低控制以后，查询运行趋势发现，其压力波动相对于技改前PV04605变化而言，其波动虽然幅度也很小，但是其波动非常具有规律性。

为此，从PV04605阀间的就地导淋打开排放检查，没有发现任何有液态氨的迹象，并测得PV04605出口温度一直保持稳定在13～14 ℃。通过取样分析氨含量，也没有发现PV04605出口氨含量上涨的情况。

从以上分析可以判断氨压缩机降压操作后没有发生带氨现象。

总之，根据现场勘查、收集技改前后的数据对比，认为技改后尽量把所带液氨完全洗涤了下来，但不会对装置产量及能耗等造成明显的影响。

6 结论

通过对K04601出口压力降压操作进行可行性分析及投用以后的情况分析评估看，通过技改后可实现根据热氨温度动态调整氨压缩机出口压力实现了节约蒸汽，降低生产成本的目的。