張 磊 李永華 孫洪玉 張曉暉

(1. 大連理工大學(xué)化工機(jī)械學(xué)院；2. 錦西天然氣化工有限責(zé)任公司)

離心式壓縮機(jī)已廣泛應(yīng)用于合成氨項目中，根據(jù)合成氨生產(chǎn)工藝，離心式壓縮機(jī)一般包括合成氣壓縮機(jī)、氨壓縮機(jī)和與合成氨配套的尿素用二氧化碳壓縮機(jī)[1]。某化工廠的氨合成氣壓縮機(jī)組為多級離心式壓縮機(jī)，它以合成氣(74.81%的H2、24.94%的N2、0.25%的Ar)為工質(zhì)進(jìn)行設(shè)計，分兩缸四段十六級，第一、二段屬于低壓缸，第三、四段屬于高壓缸。以往，氨合成裝置每次冷態(tài)開車時，合成回路需要用合成氣預(yù)熱，達(dá)到催化劑起活溫度，此時所有工藝氣放空，時間長達(dá)16h，延長了裝置開車時間，也造成了合成氣的大量浪費，合成裝置停車時也存在著同樣的問題。

目前，針對離心式壓縮機(jī)變工況相似換算方面，文獻(xiàn)[2～4]介紹了相似理論在離心式壓縮機(jī)中的應(yīng)用，基于試驗數(shù)據(jù)淺析了保持進(jìn)/出口比容比不變和保持馬赫數(shù)相同兩種性能換算方法。文獻(xiàn)[5]研究了不同氣體絕熱指數(shù)不同對壓縮機(jī)性能的影響。但是，將相似理論運用到工程實際中制定技改方案的介紹甚少。

筆者為縮短開車時間、減少氨合成氣的浪費，提出合成熱回路氮氣循環(huán)升/降溫技改項目，并通過相似理論?；O(shè)計和程序模擬優(yōu)化分析，制定了氨合成氣壓縮機(jī)組氮循環(huán)開車方案。

1 相似分析及關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)確定

氨合成裝置開車改用氮氣循環(huán)升溫仍采用原工藝流程和設(shè)備。升溫期間，氮氣在合成回路中循環(huán)利用，由氨合成氣壓縮機(jī)組提供動力。保證氨合成氣壓縮機(jī)組在氮氣循環(huán)下穩(wěn)定運行的升溫操作方案是該項目能否實施的關(guān)鍵。

1.1相似分析

氨合成氣壓縮機(jī)組采用氮氣循環(huán)開車，屬于同臺壓縮機(jī)變工況性能換算。為了嘗試采用離心壓縮機(jī)的模化設(shè)計法，首先應(yīng)對兩種工況進(jìn)行相似分析，將合成氣壓縮過程作為模型機(jī)，氮氣壓縮過程作為相似機(jī)，分析兩機(jī)相似的條件[6](在以下的分析計算中，模型機(jī)的所有參數(shù)均加“′”表示，相似機(jī)參數(shù)則不加)：

a. 幾何相似。由于是同臺壓縮機(jī)變工況性能換算，幾何相似自動滿足。

b. 運動相似。一般而言，只要滿足葉輪入口的速度三角形對應(yīng)相似就可以滿足運動相似的要求，因為兩個壓縮過程是同臺壓縮機(jī)，且葉輪入口角度不變，故認(rèn)為兩機(jī)運動相似。

d. 熱力相似。兩個離心壓縮過程的熱力相似條件為絕熱指數(shù)相等，依據(jù)熱力學(xué)計算[4]，k=1.400，k′=1.408，所以近似認(rèn)為兩個壓縮過程熱力相似。

從以上分析可知，欲采用?；O(shè)計法計算氨合成氣壓縮機(jī)組在氮氣循環(huán)時的工藝參數(shù)，必須是基于特征馬赫數(shù)相等的相似換算。

1.2基于特征馬赫數(shù)相等的壓縮機(jī)工作轉(zhuǎn)速

查看工廠的操作規(guī)程，合成氣循環(huán)時壓縮機(jī)的工作轉(zhuǎn)速為11 245r/min，如前述，氮氣壓縮過程與合成氣壓縮過程若要滿足動力相似條件，則有n==58%n′，所以，氮氣循環(huán)的工作轉(zhuǎn)速：

n==58%·n′=58%×11245=6522r/min

對于撓性軸，為防止共振，必須滿足：

n>1.4n1=1.4×4600=6440r/min

其中，n1是合成氣壓縮機(jī)組第一臨界轉(zhuǎn)速，氮氣循環(huán)時合成氣壓縮機(jī)的工作轉(zhuǎn)速n=6522r/min，滿足防止共振的要求。

2 氮氣循環(huán)時合成氣壓縮機(jī)工藝參數(shù)的確定

查看工廠的操作規(guī)程，合成氣循環(huán)時壓縮機(jī)各段的狀態(tài)參數(shù)見表1。

表1 合成氣循環(huán)時壓縮機(jī)各段的狀態(tài)參數(shù)

2.1合成氣壓縮機(jī)入口流量確定

依據(jù)相似理論，氮氣循環(huán)時壓縮機(jī)的入口流量為：

=2820m3/h

2.2合成氣壓縮機(jī)入口壓力確定

采用氮氣對合成熱回路進(jìn)行循環(huán)升溫，壓縮機(jī)四段的增壓主要用來克服合成熱回路的阻力，合成熱回路約經(jīng)過15臺次設(shè)備，設(shè)每臺設(shè)備壓力降約為0.02MPa。為防止喘振的產(chǎn)生，第四段壓縮機(jī)進(jìn)出口壓差應(yīng)不小于0.30MPa，即：

p4出-p4入≥0.30MPa

經(jīng)過工藝參數(shù)計算，氨合成氣壓縮機(jī)組在氮氣循環(huán)時的進(jìn)口壓力應(yīng)大于0.50MPa。

2.3氨合成氣壓縮機(jī)組其他工藝參數(shù)確定

根據(jù)離心式壓縮機(jī)?；O(shè)計法，計算氨合成氣壓縮機(jī)組在氮氣循環(huán)時的其他工藝參數(shù)，計算結(jié)果見表2。

表2 氮氣循環(huán)時壓縮機(jī)各段的狀態(tài)參數(shù)

注：段間冷卻器的壓降取0.02MPa；除第一段外，其余各段進(jìn)口溫度同合成氣循環(huán)。

2.4氮氣循環(huán)時合成氣壓縮機(jī)組功率核算

根據(jù)?；O(shè)計法：

式中hpol——氮氣循環(huán)的多變過程功；

htot——氮氣循環(huán)的總功；

Ntot——氮氣循環(huán)的功率。

由計算結(jié)果可知，合成回路中氮氣循環(huán)時壓縮機(jī)做功和功率遠(yuǎn)小于合成氣循環(huán)，滿足功率要求。

3 模擬計算及優(yōu)化分析

3.1模擬計算

通過化工計算軟件對氨合成氣壓縮機(jī)組各工況進(jìn)行模擬計算。圖1是模擬的氨合成氣壓縮機(jī)組工藝流程圖。

圖1 氨合成氣壓縮機(jī)組工藝流程

表3給出了廠家提供的設(shè)計參數(shù)值和合成氣循環(huán)下壓縮機(jī)設(shè)計工況的模擬計算值。

表3 合成氣循環(huán)時設(shè)計參數(shù)和模擬計算值對比

通過對比可以看出廠家提供的設(shè)計參數(shù)和模擬計算值十分吻合，說明模擬計算結(jié)果可信。

筆者運用化工計算軟件對氮氣循環(huán)下的氨合成氣壓縮機(jī)組進(jìn)行模擬計算，表4給出了氮氣循環(huán)時氨合成氣壓縮機(jī)組相似換算值和模擬計算值。由表4看出，氮氣循環(huán)工況下的相似換算值和模擬值之間的偏差不超過2%。

表4 氮氣循環(huán)計算值和模擬值對比

3.2氮氣循環(huán)下方案優(yōu)化

利用化工計算軟件模擬不同轉(zhuǎn)速、不同流量工況下氨合成氣壓縮機(jī)組各段狀態(tài)參數(shù)，并進(jìn)行方案比較與優(yōu)化：

a. 將方案一流量減少20%，轉(zhuǎn)速不變，稱為方案二。模擬計算結(jié)果為，由于壓縮比增大，各段溫升大于方案一，氨合成氣壓縮機(jī)組存在超溫的可能性。

b. 將方案一流量增加20%，轉(zhuǎn)速不變，稱為方案三。模擬計算結(jié)果為，各段溫升比方案一減小，但四段出口與入口的壓力差Δp4=p4出-p4入=3.442-3.247=0.195MPa<0.300MPa。不能滿足克服氨合成熱回路阻力的要求。

c. 改變轉(zhuǎn)速為6 848r/min，相當(dāng)于合成氣循環(huán)時壓縮機(jī)組的最高轉(zhuǎn)數(shù)速11 807r/min，進(jìn)口流量與方案一相同，稱為方案四。模擬計算結(jié)果為，由于壓縮比增大，各段溫升大于方案一，氨合成氣壓縮機(jī)組存在超溫的可能性。

綜合比較氮氣循環(huán)時氨合成氣壓縮機(jī)組的各運行方案，方案一為適宜方案，工藝控制參數(shù)見表5。

表5 氮氣循環(huán)時氨合成氣壓縮機(jī)組的工藝控制參數(shù)

4 工程驗證

合成氨裝置采用氮氣循環(huán)，氨合成氣壓縮機(jī)組按照方案一給定的工藝控制參數(shù)開車運行，機(jī)組運行穩(wěn)定，振動、位移和機(jī)組各段軸瓦溫度都在正常范圍內(nèi)。極大地縮短了開車時間，大量減少了合成氣的浪費，節(jié)約成本。

5 結(jié)束語

氨合成裝置的傳統(tǒng)開停車過程會消耗大量的原料氣并且耗費較長的時間。針對這一問題，筆者利用相似理論?；O(shè)計和程序模擬優(yōu)化分析對某工廠氨合成裝置開停車方案進(jìn)行了技術(shù)改造。通過相似理論?；O(shè)計，分析了利用氨合成氣壓縮機(jī)組在氮氣循環(huán)開車運行時的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，在此基礎(chǔ)上編制了氮氣循環(huán)升溫的操作方案。利用程序模擬，分析了各個方案的可行性，并選出了最優(yōu)方案，實際的開車過程驗證了所選方案的可行性和經(jīng)濟(jì)性，可以為類似的開停車過程提供方案指導(dǎo)，具有借鑒意義。

[1] 魏煥景，唐鴻，馬如芬.淺談大型合成氨項目中離心式壓縮機(jī)聯(lián)合廠房的布置[J].化肥設(shè)計，2013，51(1)：17～20.

[2] 卿德藩.多級離心式壓縮機(jī)在不完全相似工況下性能換算及應(yīng)用[J].現(xiàn)代機(jī)械，2002，(2)：33～34.

[3] 朱昌允，秦國良，吳讓利.基于試驗的離心壓縮機(jī)兩種相似換算的比較[J].風(fēng)機(jī)技術(shù)，2011，24(1)：24～27．

[4] 孔憲方，湖濱，張鐵柱.相似理論在離心式壓縮機(jī)變工況中的應(yīng)用[J].機(jī)械工程師，1997，(3)：38～39.

[5] Roberts S K，Sjolander S A.Effect of the Specific Heat Ratioon the Aerodynamic Performance of Turbomachinery[J]. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power，2005，127(4)：773～ 780.

[6] 劉志軍，喻健良，李志義.過程機(jī)械[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008：39～41.