徐劍虹(大唐呼倫貝爾化肥有限公司，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021012 )

0 引言

大唐呼倫貝爾化肥有限公司以褐煤為原料生產(chǎn)合成氨，產(chǎn)能為18萬噸/年。空分采用深冷法空氣分離工藝，氣化采用水煤漿加壓氣化工藝，氣體凈化采用低溫甲醇洗聯(lián)合液氮洗工藝，氨合成采用低壓氨合成工藝。氨冷凍系統(tǒng)由氨壓縮機(jī)及其附屬設(shè)備及一些輔助設(shè)備所組成，主要任務(wù)是為空分單元、低溫甲醇洗單元、氨合成單元提供低溫冷量。氨冷凍制冷工藝由阿特拉斯及煙臺(tái)冰輪股份有限公司共同完成。制冷壓縮機(jī)采用6級(jí)壓縮，其中每?jī)杉?jí)均構(gòu)成一段，分別對(duì)應(yīng)一級(jí)冷量，相對(duì)應(yīng)的制冷溫度：一段-38℃、二段-15℃、三段3℃。

1 氨冷凍工藝流程

來自氨合成單元的液氨(10℃)送入氨冷凍系統(tǒng)氨接收罐冷氨區(qū)，來自氨冷凍系統(tǒng)經(jīng)氨冷凝器冷凝的液氨(35℃)進(jìn)入熱氨區(qū)，冷熱氨區(qū)的液氨混合后溫度變?yōu)?5℃，分別送至氨合成單元一級(jí)氨冷器和空分單元氨冷器換熱，返回的氣氨(3℃、0.37MPaG)，進(jìn)三段入口分離罐分離液體后，進(jìn)入氨壓縮機(jī)三段；三段入口分離罐中的液氨(3℃、0.37MPaG)送至氨合成單元二級(jí)氨冷器換熱，返回的氣氨(-15℃、0.131MPaG)在二段入口分離罐中分離液體后，入氨壓縮機(jī)二段；二段入口分離罐中液氨(-15℃、0.137MPaG)送至低溫甲醇洗單元氨冷器換熱，返回的氣氨(-38℃、0.078MPaA)在一段入口分離罐中分離液體后，入氨壓縮機(jī)一段。氨接收罐中的液氨大部分作為制冷劑參與制冷循環(huán)，另一部分液氨(25t/h、35℃)由液氨泵加壓后送至尿素裝置。氨壓縮機(jī)為6級(jí)三段壓縮，三段出口的氣氨(145℃、1.48MPaG、33956kg/h)，在氨冷凝器中冷凝為液氨返回氨接收罐中。

2 問題的提出

氨冷凍系統(tǒng)自投用以來，存在的主要問題為氨壓縮機(jī)出口壓力高于設(shè)計(jì)值，合成氨系統(tǒng)100%負(fù)荷運(yùn)行時(shí)氨壓縮機(jī)出口氣氨壓力為1.70MPaG(設(shè)計(jì)值1.48MPaG)，冷凝溫度為44℃(設(shè)計(jì)值35℃)。由于壓力偏高導(dǎo)致需要開大不凝性氣排放閥放氨火炬以降低氨壓縮機(jī)出口壓力，造成了氨的浪費(fèi)。另一方面當(dāng)冷凍負(fù)荷升高或汽輪機(jī)主蒸汽壓力輕微波動(dòng)時(shí)，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)很快降低，易造成氨壓縮機(jī)跳車，氨冷凍系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性差，高溫季節(jié)時(shí)系統(tǒng)經(jīng)常減負(fù)荷運(yùn)行。氨壓縮機(jī)出口壓力高于設(shè)計(jì)值成為影響生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運(yùn)行的瓶頸問題。

通過對(duì)比各項(xiàng)工藝參數(shù)，發(fā)現(xiàn)與設(shè)計(jì)值偏差較大的是氨壓縮機(jī)出口流量，氨壓縮機(jī)出口流量達(dá)到了39000kg/h，為設(shè)計(jì)負(fù)荷的114.8%。由于制冷系統(tǒng)屬于閉式系統(tǒng)，流量超出設(shè)計(jì)值，造成氨冷凝器的熱負(fù)荷超出設(shè)計(jì)值較多，從而使氨冷凝器出口達(dá)不到要求。經(jīng)分析，氨壓縮機(jī)超負(fù)荷主要原因?yàn)榘焙铣蓡卧淞啃枨蟪^了設(shè)計(jì)負(fù)荷，因此要降低氨壓縮機(jī)出口壓力，需對(duì)氨冷凝器進(jìn)行改造，通過考察比較，考慮到經(jīng)濟(jì)性，決定新增1臺(tái)蒸發(fā)式冷凝器，以降低氨壓縮機(jī)出口壓力。

3 蒸發(fā)式冷凝器技術(shù)特性

蒸發(fā)冷也是冷凝器的一個(gè)種類，從結(jié)構(gòu)上來講蒸發(fā)冷是集普通水冷冷凝器、冷卻塔、水泵、水系統(tǒng)的管道連接組合成一體，具有節(jié)電、節(jié)水、安裝方便、占地面積小、維修方便等特點(diǎn)。但在換熱原理存在本質(zhì)上的差別。水冷式冷凝器是利用水的顯熱吸收制冷劑的熱量達(dá)到冷卻的目的，而蒸發(fā)冷是利用水的潛熱也就是水在常溫下的蒸發(fā)吸收熱量達(dá)到冷卻的目的，同樣質(zhì)量的水蒸發(fā)所吸收的熱量是水溫升高5℃時(shí)熱量的116倍，所以在帶走同樣熱量時(shí)蒸發(fā)冷比水冷式冷凝器用水量低得多，這也就是蒸發(fā)冷之所以節(jié)電節(jié)水的根本原因。

冷凝盤管特點(diǎn)。冷凝盤管是閉式冷卻塔換熱最關(guān)鍵的部件，材質(zhì)采用不銹鋼波節(jié)管，相對(duì)圓管有以下四個(gè)特點(diǎn)：

(1)設(shè)備結(jié)構(gòu)更加緊湊：相比圓管與橢圓管，波節(jié)管單位長(zhǎng)度面積更大，相同面積占地最??；

(2)提高換熱系數(shù)：管內(nèi)介質(zhì)流動(dòng)時(shí)，增加了介質(zhì)擾動(dòng)，介質(zhì)與管壁碰撞次數(shù)增大，提高了換熱系數(shù)，在目前的不銹鋼異型管內(nèi)換熱系數(shù)最高；

(3)增強(qiáng)自身除垢能力：波節(jié)管表面的彎曲結(jié)構(gòu)，在受到溫度變化時(shí)，彎曲的地方會(huì)發(fā)生一定的型變，迫使垢層脫落或松動(dòng)，在一定程度上增強(qiáng)了除垢能力；

(4)冷凝盤管在設(shè)計(jì)時(shí)為了使制冷劑更好的流出，盤管的每層管道均沿流向設(shè)計(jì)一定坡度。另外為提高冷凝盤管的使用壽命，在冷凝盤管共進(jìn)行四次2.5MPa的壓力試驗(yàn)。

4 蒸發(fā)冷式凝器選型

原設(shè)計(jì)氨冷凝器為2臺(tái)固定管板式循環(huán)水冷卻器并聯(lián)，新增1臺(tái)蒸發(fā)式冷凝器，使氨壓縮機(jī)出口壓力降至設(shè)計(jì)值以下。濕球溫度按20℃計(jì)。經(jīng)核算，選用1臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)排熱量為8000kW的蒸發(fā)式冷凝器，主要設(shè)備參數(shù)見表1。

箱體外護(hù)板采用鍍鋁鋅版，防腐蝕能力較高。上下箱采用槽鋼、型鋼等高強(qiáng)度全框架結(jié)構(gòu)，整體高溫?zé)峤\。浸鋅厚度大于0.05mm，耐酸堿腐蝕且結(jié)構(gòu)堅(jiān)固。

收水器是為了防止噴淋水裝置噴出的水霧被空氣帶出蒸發(fā)冷，采用獨(dú)特的多孔曲面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能有效收集濕空氣中的水分，使水的飄逸率小于0.001%，收水器采用高品質(zhì)PVC材質(zhì)，具有抗老化、重量輕、便于清洗保養(yǎng)的特點(diǎn)。

軸流風(fēng)機(jī)采用頂吸式，使冷凝盤管處于負(fù)壓區(qū)，因?yàn)樗谪?fù)壓時(shí)更容易蒸發(fā)，頂吸式可增強(qiáng)水膜蒸發(fā)以提高換熱。軸流風(fēng)機(jī)采用中空鋁合金風(fēng)機(jī)，采用直聯(lián)式，減少了傳動(dòng)部件，提高運(yùn)行可靠性。

5 使用效果和注意事項(xiàng)

5.1 使用效果

蒸發(fā)式冷凝器自2017年6月投用，運(yùn)行3年以來，氨壓縮機(jī)出口壓力降至1.48MPaG以下，冷凝溫度降至34℃以下，氨壓縮機(jī)汽輪機(jī)主蒸汽閥門開度降至80%左右(改造之前100%)，蒸發(fā)冷凝器冷凝效果明顯。同時(shí)原氨冷凝器可以切出1臺(tái)，節(jié)省循環(huán)水用量。蒸發(fā)式冷凝器冬季干運(yùn)行，即不投冷卻水，用空氣進(jìn)行冷卻，充分利用低溫空氣冷量，節(jié)省用電量和水量。

5.2 注意事項(xiàng)

為了保證蒸發(fā)冷凝器使用效果和經(jīng)濟(jì)性，使用注意事項(xiàng)如下：

(1)不凝性氣體存在會(huì)造成氨壓縮機(jī)出口壓力高，若越積越多，冷凝壓力將會(huì)不斷升高。處理方法是開高點(diǎn)排放閥將不凝性氣排至氨火炬，同時(shí)要查明不凝性氣體的來源。氨壓縮機(jī)不凝氣主要為H2及N2，來源為氨合成單元氨冷器泄漏或不凝性氣排放不及時(shí)，需針對(duì)實(shí)際問題進(jìn)行處理[1]。

(2)由于蒸發(fā)式冷凝器的蛇形盤管內(nèi)介質(zhì)為氣液混合物，對(duì)管道的沖刷嚴(yán)重，因此，應(yīng)定期對(duì)高壓換熱盤管進(jìn)行測(cè)厚，尤其是彎頭處有無明顯的減薄現(xiàn)象。特別注意的是，在進(jìn)行測(cè)厚之后，要立即對(duì)破壞的鍍鋅層進(jìn)行防腐處理[2]。

(3)在日常運(yùn)行中，要經(jīng)常檢查噴淋水是否均勻，噴頭有無堵塞等現(xiàn)象。在短期停車時(shí)，對(duì)收水器及噴淋系統(tǒng)進(jìn)行檢查，檢查收水器有無塌陷，噴頭有無脫落等現(xiàn)象。

(4)在設(shè)備運(yùn)行過程中，應(yīng)定期對(duì)蒸發(fā)式冷凝器循環(huán)水質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，確保循環(huán)水水質(zhì)滿足要求。如循環(huán)水無法滿足要求時(shí)使用脫鹽水作為噴淋水。

(5)由于噴淋水的蒸發(fā)，含在水中的礦物質(zhì)及其他雜質(zhì)會(huì)遺留下來，因此，需要定期排污，防止上述物質(zhì)的積聚，否則水的酸度或礦物質(zhì)含量會(huì)增高，產(chǎn)生腐蝕和水垢。

(6)定期清理蒸發(fā)式冷凝器，將積留在水箱底部或過濾器、盤管上的雜物及時(shí)清理干凈，以避免雜物進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)，堵塞噴頭。由于空氣中沙塵含量較高，導(dǎo)致了循環(huán)水中的濁度較高，所以，利用每次停車機(jī)會(huì)，徹底清理水箱底部的淤泥、雜物等。

(7)蒸發(fā)式冷凝器在日常運(yùn)行過程中，需每小時(shí)檢查水箱水位、自動(dòng)上水浮球閥、溢流閥是否正常工作，以及水泵的運(yùn)行情況等。

(8)入冬前停噴淋水泵，打開水槽排污閥，排凈水槽水。排凈水泵泵體中水。用氮?dú)鈱⒈皿w吹干，防止冬季凍壞設(shè)備。冬季每小時(shí)巡檢風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況，及時(shí)清理換熱器、風(fēng)機(jī)四周積雪。

6 結(jié)語

從實(shí)際使用情況可以看出，蒸發(fā)式冷凝器的投用，降低了氨壓縮機(jī)出口壓力，保證了氨壓縮機(jī)的安全運(yùn)行，同時(shí)氨壓縮機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性提高，為合成氨系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。蒸發(fā)式冷凝器是高效節(jié)能的環(huán)保設(shè)備，具有穩(wěn)定可靠的性能，能夠節(jié)省循環(huán)水用量和用電量，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，建議新建裝置使用蒸發(fā)式冷凝器。