何伏牛，段奇峰，喻明杰，余 輝

（河南晉煤天慶煤化工有限責(zé)任公司，河南沁陽 454592）

0 引 言

河南晉煤天慶煤化工有限責(zé)任公司（簡稱晉煤天慶） “30·52·3”項目［300kt／a合成氨、520kt／a尿素、3×108m3／a燃?xì)猓褐铺烊粴猓葜黄陧椖浚?00kt／a合成氨、520kt／a尿素）于2015年1月18日投產(chǎn)；二期項目［3×108m3／a燃?xì)猓褐铺烊粴猓萦?016年8月1日與一期項目并網(wǎng)運行。2017年隨著CFB鍋爐供熱系統(tǒng)、低溫甲醇洗系統(tǒng)設(shè)備的擴(kuò)能改造，加之二期項目的投運，氣化爐（魯奇碎煤加壓氣化爐）由五開一備改為六開無備，使得氣化系統(tǒng)及硫回收系統(tǒng)廢熱鍋爐副產(chǎn)的0.6MPa蒸汽富裕20～30t／h，即使關(guān)閉鍋爐的第三減溫減壓裝置，低壓蒸汽仍然連續(xù)放空 （形成噪音污染），管網(wǎng)經(jīng)常處于微超壓狀態(tài)；此外，高負(fù)荷工況下，即使原料氣分離器（S61601）的液位自調(diào)閥 （LV005）和氮洗塔下段液位調(diào)節(jié)閥（LV001）全開，原料氣分離器（S61601）和氮洗塔下塔也長時間處于滿液位狀態(tài)，導(dǎo)致液氮洗系統(tǒng)壓差增大，不但影響原料氣換熱器的換熱效果，使冷量發(fā)生偏移，造成液氮洗系統(tǒng)工況惡化，而且還影響到氨合成系統(tǒng)負(fù)荷的提升，成為高負(fù)荷生產(chǎn)的瓶頸問題。

1 液氮洗系統(tǒng)工藝流程簡述

1.1 冷卻洗滌流程

低溫甲醇洗系統(tǒng)來的凈化氣經(jīng)液氮洗系統(tǒng)進(jìn)口分子篩吸附脫水后，進(jìn)入冷箱中的1＃、2＃原料氣換熱器（E61605和E61606），與出冷箱的氫氮氣、燃料氣、甲烷氣換熱后被冷卻降溫；2＃原料氣換熱器（E61606）抽出的氣體經(jīng)原料氣分離器（S61601）分離掉液態(tài)甲烷后再次進(jìn)入2＃原料氣換熱器（E61606）冷卻降溫，之后進(jìn)入氮洗塔（T61601）。在氮洗塔下段分離出的液體甲烷經(jīng)復(fù)熱回收部分冷量后送出界區(qū)，送入燃?xì)夤芫W(wǎng)供下游用戶使用；氮洗塔下段分離出的氣相經(jīng)升氣帽進(jìn)入氮洗塔上段，其中的一氧化碳、氬、甲烷等在氮洗塔（T61601）中被配入的液氮洗滌，凈化后的氣體自塔頂引出，經(jīng)2＃原料氣換熱器 （E61606）復(fù)熱并與高壓氮氣按照3∶1配比后，經(jīng)1＃原料氣換熱器（E61605）再次復(fù)熱后送低溫甲醇洗系統(tǒng)，以平衡凈化氣自低溫甲醇洗系統(tǒng)帶來的冷量，再經(jīng)精配氮后作為原料氣送往氨合成系統(tǒng)；被氮洗塔上段液氮洗滌下來的一氧化碳、氬等，經(jīng)減壓、復(fù)熱后送至燃料氣系統(tǒng)用于發(fā)電。

1.2 高壓氮氣流程

空分裝置來的高壓氮氣，經(jīng)高壓氮氣換熱器（E61604）和1＃原料氣換熱器（E61605）被出冷箱的氣體冷卻后，其中的一小股按照1∶3的混合配比配入出塔的氮洗氣，大部分繼續(xù)進(jìn)入2＃原料氣換熱器（E61606）中冷卻并被出冷箱的氣體液化成液態(tài)氮，經(jīng)減壓節(jié)流膨脹進(jìn)入氮洗塔（T61601）內(nèi)，自上而下地對逆流的原料氣進(jìn)行冷卻洗滌，以除去原料氣中的雜質(zhì)。

2 技改方案

2.1 技改方案的確定

通過對工藝氣的成分進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)正常運行情況下凈化氣（低溫甲醇洗出口氣）中的甲烷含量與設(shè)計值相比偏差4% ～6% （見表1），6臺氣化爐高負(fù)荷運行時，液氮洗系統(tǒng)受原料氣分離器（S61601）底部液位調(diào)節(jié)閥管徑小和富甲烷氣壓縮機(jī)（技改后稱作1＃富甲烷氣壓縮機(jī)）設(shè)計輸氣量?。ㄝ敋饽芰?38.3m3／min）的影響，即使S61601的液位自調(diào)閥（LV005）和氮洗塔下段液位調(diào)節(jié)閥（LV001）全開，冷凝分離下來的液體甲烷也無法及時送出系統(tǒng)，使得S61601和氮洗塔下塔液位長時間處于100%的狀態(tài)，液氮洗系統(tǒng)壓差增至0.11～0.12MPa（控制指標(biāo)為80kPa以下），影響原料氣換熱器的換熱效果，冷量發(fā)生偏移，出S61601的氣相溫度達(dá)-170～-172℃（設(shè)計值為-165℃），進(jìn)氮洗塔的氣相溫度卻只有-177℃左右（設(shè)計值為-179℃），液氮洗系統(tǒng)極易發(fā)生甲烷凍堵情況，形成極大的安全隱患，且液氮洗系統(tǒng)壓差的增大還影響氨合成系統(tǒng)負(fù)荷的提升。

表1 凈化氣（低溫甲醇洗出口氣）各組分含量（體積分?jǐn)?shù)）

此外，液氮洗系統(tǒng)產(chǎn)生的富甲烷氣經(jīng)富甲烷氣壓縮機(jī)（無備機(jī)）加壓后送入燃?xì)夤芫W(wǎng)供下游用戶使用，生產(chǎn)運行中存在以下問題：富甲烷氣壓縮機(jī)檢修期間，因無備機(jī)，大量的富甲烷氣不得不直接送往全廠火炬燃燒放空，給企業(yè)造成巨大經(jīng)濟(jì)損失的同時，下游供氣（天然氣）中斷還導(dǎo)致客戶供需關(guān)系緊張；因富甲烷氣壓縮機(jī)最大輸氣能力約10000m3／h，6臺氣化爐加滿負(fù)荷運行后，液氮洗系統(tǒng)阻力大，氣化爐安全閥因系統(tǒng)阻力高而啟跳，氣化爐被迫減量運行，生產(chǎn)任務(wù)和利潤目標(biāo)雙雙受到影響。

為此，協(xié)調(diào)液氮洗系統(tǒng)原設(shè)計單位（杭州中泰深冷技術(shù)股份有限公司）、富甲烷氣壓縮機(jī)生產(chǎn)廠家（寶雞市博磊化工機(jī)械有限公司）等單位召開專題會，反復(fù)討論，決定增加1臺富甲烷氣壓縮機(jī)（技改后稱作2＃富甲烷氣壓縮機(jī)）：把富甲烷氣從0.02MPa提壓至6.5MPa送往燃?xì)夤芫W(wǎng)，可供選擇的機(jī)型有電驅(qū)動往復(fù)式壓縮機(jī)、電驅(qū)動離心式壓縮機(jī)、蒸汽驅(qū)動往復(fù)式壓縮機(jī)和蒸汽驅(qū)動離心式壓縮機(jī)，這4種機(jī)型均為工業(yè)化成熟機(jī)型，結(jié)合晉煤天慶氣化系統(tǒng)及硫回收系統(tǒng)廢熱鍋爐副產(chǎn)0.6MPa蒸汽富裕20～30t／h，以及電價因淘汰落后產(chǎn)能等原因已取消優(yōu)惠，首先，電驅(qū)動壓縮機(jī)不予考慮；其次，考慮到原富甲烷氣壓縮機(jī)為電驅(qū)動往復(fù)式壓縮機(jī)，為減少機(jī)組的備品備件（使新上壓縮機(jī)備件與原富甲烷氣壓縮機(jī)備件基本一致），最終決定新上的富甲烷氣壓縮機(jī)采用蒸汽驅(qū)動往復(fù)式壓縮機(jī)（即汽輪機(jī)驅(qū)動的往復(fù)式壓縮機(jī)組）。此外，合成氨裝置還將進(jìn)行如下技改：在出口富甲烷氣總管上配置油過濾器，以降低富甲烷氣中的油含量，滿足外輸天然氣含油量＜0.01mg／m3的要求；將冷箱內(nèi)原料氣分離器（S61601）排液管線液位自調(diào)閥（LV005）由DN40更換為DN50，確保系統(tǒng)高負(fù)荷運行時液態(tài)甲烷的徹底、及時排出。

2.2 新上富甲烷氣壓縮機(jī)組簡況

氣化系統(tǒng)及硫回收系統(tǒng)廢熱鍋爐副產(chǎn)的0.6 MPa低壓飽和蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)做功后，導(dǎo)入空冷器換熱降溫，冷凝液在冷凝液水箱收集，經(jīng)冷凝液泵加壓送化工除氧站處理后循環(huán)使用。

選用青島捷能汽輪機(jī)集團(tuán)股份有限公司生產(chǎn)的型號為N3-0.6的汽輪機(jī)，功率為3000kW，驅(qū)動蒸汽壓力為0.6MPa，汽輪機(jī)通過減速箱連接6M-206／0.3-64型往復(fù)式壓縮機(jī)。壓縮機(jī)共有4段（一、二段為雙吸入），壓縮機(jī)一段入口氣流量206m3／min、壓力0.01～0.04MPa、溫度35～40℃，經(jīng)四級壓縮后，出口氣壓力達(dá)4.0～5.8MPa，經(jīng)四級冷卻器冷卻降溫至40℃以下后并入燃?xì)夤芫W(wǎng)，供下游用戶使用。

3 技改項目實施情況

組織對汽輪機(jī)、壓縮機(jī)生產(chǎn)廠家進(jìn)行實地考察，招標(biāo)設(shè)計單位及設(shè)備制造企業(yè)，廠房土建等施工工作接近尾聲時，定制的設(shè)備也陸續(xù)到達(dá)現(xiàn)場，隨即全面展開設(shè)備安裝和配管施工等工作。

經(jīng)過近3個月的緊張施工，汽輪機(jī)、壓縮機(jī)組安裝就位對中找正及附屬設(shè)備管線等施工結(jié)束，緊接著對主蒸汽管線進(jìn)行循環(huán)酸洗、蒸汽爆破吹掃，甲烷氣外送管線氮氣吹掃、壓縮機(jī)油路管線沖洗，以及機(jī)組內(nèi)部管線的吹掃、試壓、置換等（通過臨時管線實施），通過第三方組織的質(zhì)量驗收，具備試車條件。壓縮機(jī)主蒸汽管線、一段進(jìn)口管線、四段出口管線甩頭配管完成，具備系統(tǒng)停車碰頭條件。

2018年4月合成氨裝置停車大修，對液氮洗系統(tǒng)泄壓、置換，分析合格工藝交出，清理冷箱珠光砂后，將原料氣分離器（S61601）排液管線液位自調(diào)閥（LV005）更換為DN50閥門，同步完成2＃富甲烷氣壓縮機(jī)組主蒸汽管線、一段進(jìn)口管線、四段出口管線、氮氣和循環(huán)冷卻水管線等的碰頭、配管。2018年5月合成氨裝置重啟后，2＃富甲烷氣壓縮機(jī)試車，經(jīng)過一段時間的調(diào)試后穩(wěn)定運行至今。

4 技改后系統(tǒng)運行情況

4.1 技改成效

（1）2＃富甲烷氣壓縮機(jī)組汽輪機(jī)用（蒸）汽量達(dá)到20t／h左右，基本上可消納完富裕的0.6MPa蒸汽，0.6MPa蒸汽管網(wǎng)放空逐漸關(guān)閉（恢復(fù)至正常狀態(tài)），生產(chǎn)系統(tǒng)脫鹽水使用量相應(yīng)減少20～25t／h。

（2）2＃富甲烷氣壓縮機(jī)的打氣量相比1＃富甲烷氣壓縮機(jī)增加67.7m3／min，原料氣分離器（S61601）冷凝分離下來的液態(tài)甲烷能及時送出系統(tǒng)，S61601和氮洗塔下塔液位處于正常可視液位（約80%），液氮洗系統(tǒng)壓差降至0.07～0.08MPa，液氮洗系統(tǒng)入口氣量由110000m3／h提高至約118000m3／h，系統(tǒng)出口合成氣氣量由116000m3／h提高至約124000m3／h，合成氨產(chǎn)量增加約3t／h。

（3）原料氣換熱器（S61601）的換熱效果好轉(zhuǎn)，出S61601的氣相溫度恢復(fù)至-168℃，進(jìn)氮洗塔的氣相溫度降至-179℃，液氮洗系統(tǒng)冷量恢復(fù)至平衡狀態(tài)，技改達(dá)到了預(yù)期效果。

4.2 技改后出現(xiàn)的新問題及解決措施

4.2.1 汽輪機(jī)運行方面的問題

技改后，汽輪機(jī)主蒸汽分離器的冷凝液全部回收至冷凝液水箱，由冷凝液泵外送至除氧站處理后循環(huán)使用。因汽輪機(jī)主蒸汽采用飽和蒸汽，所配管線在0.6MPa蒸汽管線的末端，進(jìn)汽輪機(jī)入口主蒸汽分離器的低壓飽和蒸汽溫度在167℃左右，分離的大量冷凝液回收到冷凝液水箱，導(dǎo)致汽輪機(jī)運行真空度由-80kPa升至-60kPa，排汽溫度的升高使汽缸產(chǎn)生動、靜摩擦，引起轉(zhuǎn)子對中熱態(tài)偏差，汽輪機(jī)軸系參數(shù)因振動大而聯(lián)鎖跳車，液氮洗系統(tǒng)工況惡化；同時，蒸汽冷凝液量過大造成汽輪機(jī)主蒸汽分離器液位超過50%～67%的正常值，冷凝液易被帶入氣缸形成液擊，影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運行。

處理措施：切斷冷凝液回冷凝液水箱管線，將汽輪機(jī)主蒸汽分離器冷凝液、各導(dǎo)淋疏水重新配管送至脫鹽水箱回收，從而徹底解決了蒸汽帶水、汽輪機(jī)運行真空度不足、排汽溫度高而致汽輪機(jī)聯(lián)鎖跳車的問題。

4.2.2 2＃富甲烷氣壓縮機(jī)組運行方面的問題

因2＃富甲烷氣壓縮機(jī)組屬于后來增加的設(shè)備，而循環(huán)水系統(tǒng)的冷量是一定的，循環(huán)水冷卻塔填料老化破碎堵塞壓縮機(jī)段間冷卻器換熱管、油冷器換熱管，運行過程中各段水冷器出口溫度升高，致使2＃富甲烷氣壓縮機(jī)二段排氣溫度高達(dá)132～140℃（控制指標(biāo)為110℃以下），各段填料函的溫度也超標(biāo)（指標(biāo)為60℃），潤滑油溫度升至44～47℃，油溫高使得形成的剛性潤滑油膜薄、質(zhì)量差，壓縮機(jī)傳動部件大小頭瓦塊干磨而提前損壞，未達(dá)到使用壽命（周期），2＃富甲烷氣壓縮機(jī)檢修頻次較高。

處理措施：在2＃富甲烷氣壓縮機(jī)各級段間冷卻器的循環(huán)水上水管線上增加反洗閥門，定期對各段水冷器進(jìn)行反沖洗，同時適當(dāng)關(guān)小其他裝置冷卻器循環(huán)水上水閥，對循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)行整體優(yōu)化調(diào)整后，機(jī)組各級排氣溫度、潤滑油溫度有效降低；同時，為保證機(jī)組的長周期穩(wěn)定運行，將2＃富甲烷氣壓縮機(jī)的計劃檢修周期由1次／a調(diào)整為2次／a。

5 結(jié)束語

晉煤天慶富裕0.6MPa低壓飽和蒸汽回收并新增汽輪機(jī)驅(qū)動的2＃富甲烷氣壓縮機(jī)后，隨著2＃富甲烷氣壓縮機(jī)的穩(wěn)定運行，2019年下半年至投稿之時，期間多產(chǎn)天然氣4000～5000m3／h，天然氣價格按1.5元／m3計，每小時可增效6000～7500元；2＃富甲烷氣壓縮機(jī)采用汽輪機(jī)驅(qū)動，每小時節(jié)電約1800kW·h，電價按0.67元／（kW·h）計，每小時可節(jié)約電費約1200元。上述兩項合計日增效益約18萬元，按年運行300d計算，年創(chuàng)效益達(dá)5000余萬元；除去增加的運行成本、設(shè)備折舊、維護(hù)費用等，并考慮天然氣價格下降等因素，年效益也有2000～3000萬元。此外，技改后液氮洗系統(tǒng)處理氣量由110000m3／h增至約118000m3／h，液氮洗系統(tǒng)的瓶頸問題得以有效解決，滿足了氨合成系統(tǒng)高負(fù)荷運行的需要，合成氨增產(chǎn)約3t／h。總之，上述技改實施后，達(dá)到了預(yù)期的目的，開創(chuàng)了雙系統(tǒng)（合成氨系統(tǒng)、天然氣系統(tǒng)）高負(fù)荷穩(wěn)定運行、天然氣連續(xù)供應(yīng)下游用戶的新局面，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。