胡日東，劉業(yè)志，公茂金

（中國(guó)石油吉林石化公司化肥廠(chǎng)，吉林 吉林 132021）

1 概 況

中國(guó)石油吉林石化公司化肥廠(chǎng)合成氨裝置以減壓渣油為原料，設(shè)計(jì)產(chǎn)能300kt／a，于2000年4月20日破土動(dòng)工，2002年9月28日竣工，2002年10月18日進(jìn)行空分單元空氣壓縮機(jī)（簡(jiǎn)稱(chēng)空壓機(jī)）X／C0101的開(kāi)車(chē)調(diào)試，2003年6月8日生產(chǎn)出合格液氨。

本合成氨裝置為引進(jìn)上世紀(jì)90年代先進(jìn)技術(shù)的工藝裝置，具有生產(chǎn)規(guī)模大型化、動(dòng)力裝置透平化及過(guò)程控制采用先進(jìn)DCS操作系統(tǒng)等特點(diǎn)，是吉林石化公司重要的生產(chǎn)裝置之一。合成氨裝置由德國(guó)林德公司總承包，采用德士古部分氧化專(zhuān)利技術(shù)將原料渣油氧化成CO和H2，再經(jīng)CO變換、低溫甲醇洗、液氮洗除去雜質(zhì)得到凈化合成氣，調(diào)節(jié)好H2／N2的凈化合成氣經(jīng)壓縮進(jìn)入卡薩利氨合成塔，經(jīng)合成反應(yīng)生產(chǎn)出合格的液氨。

在合成氨裝置建成投產(chǎn)后，為在全公司范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和總體經(jīng)濟(jì)效益的提升，又增加了抽氫氣和抽合成氣2套裝置，為丁辛醇裝置及東部生產(chǎn)裝置提供合成氣和氫氣，氫氣生產(chǎn)能力為24000m3／h，合成氣生產(chǎn)能力為25000m3／h。

2 空壓機(jī)組簡(jiǎn)介

空壓機(jī)組的任務(wù)是為合成氨裝置空分單元提供壓縮空氣，機(jī)組由EHNK40／56汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)消耗高壓蒸汽95t／h，抽出中壓蒸汽75t／h，表冷器凝汽47t／h，低壓蒸汽注汽25t／h。動(dòng)力二廠(chǎng)來(lái)的9.0MPa高壓蒸汽進(jìn)入空壓機(jī)組汽輪機(jī)做功，在汽輪機(jī)中部抽出4.0MPa的中壓蒸汽，末端有表冷器，通過(guò)空壓機(jī)高壓閥控制進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽量，通過(guò)低壓閥控制去表冷器的負(fù)荷，末端設(shè)計(jì)有低壓蒸汽注汽（由于注汽效果不佳，實(shí)際上正常開(kāi)車(chē)后沒(méi)有進(jìn)行注汽）?？諌簷C(jī)設(shè)計(jì)壓縮空氣量為145000m3／h，空分裝置設(shè)計(jì)采氧量為24000m3／h，經(jīng)空壓機(jī)壓縮后的空氣壓力為0.5～0.7MPa，送入預(yù)冷系統(tǒng)進(jìn)行冷卻，再經(jīng)分子篩吸附H2O、CO2及部分碳?xì)浠衔?、雜質(zhì)等后進(jìn)入精餾塔進(jìn)行氧氣、氮?dú)夥蛛x，最終提取合格的氧氣、氮?dú)猓?］。

用于驅(qū)動(dòng)空壓機(jī)組的EHNK40／56汽輪機(jī)由意大利新比隆公司制造，為抽汽、注汽、凝汽式汽輪機(jī)，采用多級(jí)蒸汽膨脹、噴嘴配汽。汽輪機(jī)主要部件有缸體、轉(zhuǎn)子、前后軸頸軸承、高低壓蒸汽控制閥、緊急主汽閥、止推軸承、噴嘴腔等。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子為鍛造，除了控制段以外，其余葉片均為反作用式，缸體為軸向剖分式，整體均勻鍛造而成；其調(diào)速器為WOODWARD505E電子調(diào)速器，配有高、低壓蒸汽控制閥及緊急主汽閥；噴嘴腔設(shè)置5組噴嘴配汽；控制油由潤(rùn)滑油站系統(tǒng)提供，用于控制高壓控制閥的制動(dòng)器。

3 空壓機(jī)組表冷器運(yùn)行狀況及帶來(lái)的影響

2017年4月，空壓機(jī)組表冷器（E1301）出現(xiàn)排氣壓力、排氣溫度偏高的現(xiàn)象，排氣壓力最高達(dá)90kPa（設(shè)計(jì)值28kPa），排氣溫度最高達(dá)140℃（正常指標(biāo)＜80℃），空壓機(jī)組高壓蒸汽消耗達(dá)100t／h，明顯偏離設(shè)計(jì)值，維持正常運(yùn)行十分困難，而且受空壓機(jī)組表冷器排氣壓力偏高的影響，合成氨裝置只能維持低負(fù)荷運(yùn)行，氣化單元投渣油21t／h，為設(shè)計(jì)滿(mǎn)負(fù)荷投渣油量的75%，但液氨產(chǎn)量只有17～18t／h，僅達(dá)液氨設(shè)計(jì)產(chǎn)能的43%～45%。

4 原因分析

4.1 空壓機(jī)組表冷器換熱效率下降

年度檢修期間，空壓機(jī)組表冷器（E1301）循環(huán)水側(cè)列管（材質(zhì)為碳鋼）都要進(jìn)行物理清洗，但隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，循環(huán)水側(cè)列管垢層不斷增厚（這一點(diǎn)在之后的列管更換檢測(cè)中得到印證），簡(jiǎn)單的物理清洗已經(jīng)不能將垢層有效清除，換熱管內(nèi)垢層的存在減小了列管的換熱面積，降低了列管的傳熱系數(shù)，導(dǎo)致E1301換熱效率下降。

實(shí)際上不僅僅是E1301換熱效率下降，裝置內(nèi)其他循環(huán)水換熱器也存在同樣的問(wèn)題。對(duì)2014—2016年連續(xù)3a相同時(shí)間合成氨裝置部分關(guān)鍵換熱器出口工藝氣側(cè)溫度進(jìn)行了比對(duì)，發(fā)現(xiàn)在負(fù)荷相同的情況下合成氨裝置的關(guān)鍵換熱器（如空壓機(jī)段間換熱器、氮壓機(jī)一段換熱器、氮壓機(jī)二段換熱器、氮壓機(jī)三段換熱器、氮壓機(jī)表冷器、合成回路循環(huán)水換熱器、氨冷凍系統(tǒng)循環(huán)水換熱器）出口工藝氣側(cè)溫度均有較大幅度升高，表明系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)水換熱器換熱效率均有不同程度的下降。

4.2 空壓機(jī)組蒸汽透平做功效率下降

過(guò)去合成氨裝置4臺(tái)蒸汽透平每年檢修期間都要拆蓋清洗，后來(lái)經(jīng)過(guò)攻關(guān)，蒸汽品質(zhì)大幅改善，檢修頻次降至每2a徹底清理一次透平蒸汽流道。但是從汽輪機(jī)高壓輪室的壓力來(lái)看，高壓輪室壓力由2016年運(yùn)行末期的5.0MPa上漲到2017年運(yùn)行末期的5.4MPa，表明空壓機(jī)組透平做功效率有所下降（冰機(jī)透平也同樣存在做功效率下降的問(wèn)題），導(dǎo)致蒸汽透平蒸汽消耗增大。

4.3 空壓機(jī)組表冷器超負(fù)荷運(yùn)行

空壓機(jī)組透平屬于抽汽、凝汽式，如果中間抽出的4.0MPa蒸汽少了，為維持透平的出力，其去全凝段的蒸汽總量必然會(huì)增加，而中間抽出的4.0MPa蒸汽的量又取決于合成氨裝置蒸汽系統(tǒng)的供需平衡。合成氨裝置高壓蒸汽系統(tǒng)流程示意見(jiàn)圖1。

圖1 合成氨裝置高壓蒸汽系統(tǒng)流程示意圖

空壓機(jī)組表冷器（E1301）設(shè)計(jì)工作壓力為28kPa（A），但實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，空壓機(jī)組表冷器工作壓力維持在60～95kPa（A），遠(yuǎn)偏離設(shè)計(jì)值。究其原因，裝置對(duì)4.0MPa蒸汽需求量少，空壓機(jī)組透平抽出中間壓力蒸汽的量減少，導(dǎo)致去全凝段的蒸汽總量增加，故而E1301處于超負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)。

4.4 蒸汽系統(tǒng)供需平衡與設(shè)計(jì)偏離

4.4.1 冰機(jī)實(shí)際消耗蒸汽量高于設(shè)計(jì)值

據(jù)外方提供的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，冰機(jī)透平消耗高壓蒸汽73.7t／h。然而，據(jù)蒸汽焓值推算，這部分蒸汽即便是全部做功，也只能輸出3443.89kW的功率，此時(shí)該汽輪機(jī)的效率居然可以達(dá)到98.73%，這顯然不合常理，判斷為外方提供的數(shù)據(jù)有誤。于是按照設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)表上提供的相關(guān)數(shù)據(jù)，采用“基本效率法”對(duì)冰機(jī)消耗蒸汽量進(jìn)行核算，發(fā)現(xiàn)冰機(jī)正常工況下蒸汽消耗量應(yīng)為88.7t／h，這與裝置的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)基本吻合。因此，可以判斷，冰機(jī)實(shí)際消耗蒸汽量較設(shè)計(jì)值高約15t／h。由于冰機(jī)透平為背壓式，冰機(jī)蒸汽消耗增高后，意味著從空壓機(jī)組透平中間抽出的4.0MPa蒸汽就要減少15t／h，那么空壓機(jī)組透平為了維持出力，必然會(huì)造成去全凝段的蒸汽量增加。

4.4.2 IP蒸汽外送量偏離設(shè)計(jì)值

原設(shè)計(jì)IP蒸汽外送老生產(chǎn)區(qū)50t／h，而實(shí)際上由于老生產(chǎn)區(qū)一些裝置停產(chǎn)，IP蒸汽已無(wú)用戶(hù)，導(dǎo)致IP蒸汽無(wú)外送量。IP蒸汽系統(tǒng)的蒸汽為氮壓機(jī)組透平中間抽出的1.6MPa蒸汽，IP蒸汽無(wú)外送導(dǎo)致氮壓機(jī)消耗的4.0MPa蒸汽量較設(shè)計(jì)值低約20t／h，這就意味著4.0MPa蒸汽過(guò)剩，那么從空壓機(jī)組透平抽出的4.0MPa蒸汽就會(huì)進(jìn)一步減少。

4.4.3 鍋爐給水泵小透平單臺(tái)運(yùn)行

原設(shè)計(jì)鍋爐給水泵小透平2臺(tái)運(yùn)行，但實(shí)際上由于低壓蒸汽嚴(yán)重過(guò)剩等原因，鍋爐給水泵單臺(tái)運(yùn)行（透平驅(qū)動(dòng)），導(dǎo)致4.0MPa蒸汽消耗再減少13t／h左右，這意味著4.0MPa蒸汽進(jìn)一步過(guò)剩。

4.4.4 高壓蒸汽補(bǔ)中壓蒸汽閥門(mén)內(nèi)漏嚴(yán)重

高壓蒸汽補(bǔ)中壓蒸汽閥門(mén)主要用于冰機(jī)跳車(chē)時(shí)緊急向4.0MPa蒸汽管網(wǎng)補(bǔ)充蒸汽，確保氮壓機(jī)、合成氣壓縮機(jī)及鍋爐給水泵小透平等的穩(wěn)定運(yùn)行，因此該閥必須隨時(shí)處于備用狀態(tài)，然而當(dāng)前該閥內(nèi)漏比較嚴(yán)重，主要表現(xiàn)在其減溫閥（TV13014）持續(xù)有開(kāi)度，表明高溫高壓蒸汽通過(guò)此閥漏入了4.0MPa中壓蒸汽管網(wǎng)，這進(jìn)一步加劇了4.0MPa蒸汽的過(guò)剩，也就進(jìn)一步減少了空壓機(jī)組透平中抽蒸汽量。

上述四方面蒸汽系統(tǒng)供需偏離設(shè)計(jì)的原因?qū)е驴諌簷C(jī)組透平中抽蒸汽量減少，空壓機(jī)組透平為維持出力，造成去全凝段蒸汽量由原設(shè)計(jì)值34.8t／h增至50.5t／h，空壓機(jī)組表冷器超負(fù)荷運(yùn)行，實(shí)際負(fù)荷達(dá)設(shè)計(jì)負(fù)荷的145%左右。這也是空壓機(jī)組表冷器真空度嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)值的最根本原因。

4.5 空壓機(jī)組表冷器循環(huán)冷卻水量不足

441A為合成氨裝置配套循環(huán)水系統(tǒng)，原設(shè)計(jì)有4臺(tái)循環(huán)水泵，兩開(kāi)兩備，后由于超出預(yù)算，砍掉1臺(tái)循環(huán)水泵，配置3臺(tái)循環(huán)水泵，兩開(kāi)一備，泵房?jī)?nèi)預(yù)留了1臺(tái)循環(huán)水泵的位置（后來(lái)441A增上了1套旁濾系統(tǒng)，占用了這個(gè)位置）。循環(huán)水系統(tǒng)單臺(tái)循環(huán)水泵設(shè)計(jì)流量9500m3／h、額定電流214A，如果循環(huán)水泵能夠達(dá)到設(shè)計(jì)能力，合成氨裝置的循環(huán)水供應(yīng)量應(yīng)達(dá)19000m3／h，而當(dāng)前2臺(tái)循環(huán)水泵總供應(yīng)量卻只有17000m3／h，電流分別為165A、175A，未達(dá)到設(shè)計(jì)值，總循環(huán)水量的不足導(dǎo)致作為單臺(tái)循環(huán)水用量最大的設(shè)備——E1301供水量也未達(dá)到設(shè)計(jì)值5000t／h。

此外，441A循環(huán)水系統(tǒng)的6臺(tái)冷卻塔也未達(dá)到設(shè)計(jì)出力，這從配套的6臺(tái)風(fēng)機(jī)的電流數(shù)據(jù)可以判斷出來(lái)。

5 技改措施分析及技改方案確定

由上述分析可以看出，空壓機(jī)組表冷器換熱效率下降、空壓機(jī)蒸汽透平做功效率下降、空壓機(jī)組表冷器超負(fù)荷運(yùn)行、蒸汽系統(tǒng)供需平衡與設(shè)計(jì)偏離是導(dǎo)致空壓機(jī)組表冷器運(yùn)行狀況差（排氣壓力、排氣溫度偏高）的原因，要想解決空壓機(jī)組表冷器存在的問(wèn)題，從表冷器本身入手，提高其換熱效率，是最直接的辦法。

經(jīng)考察調(diào)研得知，可通過(guò)更換空壓機(jī)組表冷器列管增加表冷器的換熱面積，提高空壓機(jī)組表冷器的傳熱系數(shù)，從而提高空壓機(jī)組表冷器的換熱能力［2］，徹底解決表冷器排氣壓力、排氣溫度偏高的問(wèn)題，同類(lèi)設(shè)備有更換列管后換熱效果明顯改觀(guān)的實(shí)例，而且如果能同步對(duì)列管材質(zhì)進(jìn)行提升，將列管材質(zhì)更換為銅鎳合金，效果將更加明顯，即表冷器換熱效率將會(huì)得到大幅提升。于是，我廠(chǎng)決定對(duì)空壓機(jī)組表冷器列管進(jìn)行更換，但出于成本考慮，表冷器列管材質(zhì)仍采用碳鋼。我廠(chǎng)與空壓機(jī)組表冷器生產(chǎn)廠(chǎng)家進(jìn)行交流，對(duì)如下施工方案及可行性進(jìn)行分析。

5.1 方案一：管束整體更換

空壓機(jī)組表冷器為水平安裝，表冷器腔體內(nèi)管板及折流板較多，共11塊，管束長(zhǎng)度6m，重量約25t，管束折流板與外殼體間隙只有7.5 mm，若進(jìn)行管束整體更換，施工現(xiàn)場(chǎng)受吊裝機(jī)具、作業(yè)面限制，無(wú)法保證管束運(yùn)行軌跡與殼體軸線(xiàn)保持同心或平行，一旦吊裝過(guò)程中存在夾角或管束變形，就會(huì)造成管束與殼體卡滯，進(jìn)退兩難。

5.2 方案二：逐根更換列管

空壓機(jī)組冷卻合格、轉(zhuǎn)子拆下后，進(jìn)入表冷器腔體內(nèi)，固定好折流板，逐根切割表冷器列管，從殼體內(nèi)取出，再進(jìn)行兩側(cè)退管，舊列管拆除后，穿好新管，之后逐根進(jìn)行脹管、焊接。

5.3 技改方案的確定

若采用方案一，現(xiàn)場(chǎng)施工量較小，安全監(jiān)管時(shí)間較少，對(duì)其他施工作業(yè)影響較小，但施工難度、風(fēng)險(xiǎn)極大，可控性差，施工周期無(wú)法保證；若采用方案二，施工難度、風(fēng)險(xiǎn)小，施工周期受控，但現(xiàn)場(chǎng)施工量較大，安全監(jiān)管時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)其他施工作業(yè)有一定影響。

經(jīng)對(duì)比分析，為保證檢修期間完成表冷器列管更換施工作業(yè)，我廠(chǎng)決定采用方案二——逐根更換列管。

6 技改的實(shí)施

2017年5月大檢修期間，對(duì)空壓機(jī)組表冷器列管進(jìn)行了更換，共計(jì)更換列管1768根。其中，下部有8根列管無(wú)法更換，將其切除；一區(qū)兩側(cè)534根列管由于有斜板阻擋，更換難度大、耗時(shí)長(zhǎng)，由于時(shí)間緊迫，沒(méi)有進(jìn)行更換，只進(jìn)行了物理清洗。

2018年裝置檢修期間，對(duì)空壓機(jī)組表冷器一區(qū)兩側(cè)534根之前未更換的列管進(jìn)行了更換。

7 取得的成效

7.1 技改效果

空壓機(jī)組表冷器列管更換前的2016年，檢修后表冷器排氣壓力為70kPa、排氣溫度為106.7℃，高壓蒸汽消耗量為74t／h；空壓機(jī)組表冷器列管更換后的2017年，檢修后表冷器排氣壓力為7.8kPa、排氣溫度為39℃，高壓蒸汽消耗量為54t／h?？梢钥闯觯泄芨鼡Q后，表冷器換熱效果明顯好轉(zhuǎn)，表冷器排氣壓力降低62.2kPa、排氣溫度降低67.7℃，蒸汽消耗量下降20t／h，為裝置的節(jié)能降耗和蒸汽管網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)。

7.2 效益分析

僅就節(jié)汽效益而言，空壓機(jī)組表冷器列管更換后，空壓機(jī)組高壓蒸汽耗量降低20t／h，按年運(yùn)行臺(tái)時(shí)8000h計(jì)算，每年可節(jié)約高壓蒸汽160000t，高壓蒸汽價(jià)格以150元／t計(jì)，每年將產(chǎn)生節(jié)能降耗效益2400萬(wàn)元。

8 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，300kt／a合成氨裝置空壓機(jī)組表冷器運(yùn)行狀況差為空壓機(jī)組表冷器換熱效率下降、空壓機(jī)蒸汽透平做功效率下降、表冷器超負(fù)荷運(yùn)行、蒸汽系統(tǒng)供需平衡與設(shè)計(jì)偏離等原因所致。我廠(chǎng)結(jié)合同類(lèi)企業(yè)類(lèi)似問(wèn)題的考察調(diào)研結(jié)果，通過(guò)采用更換表冷器列管這一提高表冷器換熱效率最直接的方式進(jìn)行技改后，空壓機(jī)組表冷器運(yùn)行狀況明顯改觀(guān)，表冷器排氣壓力、排氣溫度、高壓蒸汽消耗量明顯下降，為合成氨裝置的安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)周期、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)。