王加磊,張國平
(呼倫貝爾金新化工有限公司,內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021506)
合成氨裝置生產(chǎn)過程主要包括:粗煤氣的凈化、合成氣的壓縮、氨的合成及分離、甲烷的蒸汽轉(zhuǎn)化等。氨合成塔只能將一部份氫氣、氮?dú)夂铣蔀榘薄槭巩a(chǎn)品氨與未反應(yīng)的氣體分離,一般采用降溫冷凝辦法。合成回路氣體溫度愈低,分離就愈完全。由于通常的冷卻水滿足不了要求的,因而需要有專門的制冷工序。冷源是利用液氨蒸發(fā)吸熱而制冷,蒸發(fā)后的氣氨壓縮冷凝成液氨循環(huán)使用。壓縮氣氨需要能量,通常大型合成氨裝置是采用一臺氨氣壓縮機(jī)來實(shí)現(xiàn)[1]。
金新化工合成氨裝置冷凍系統(tǒng)采用凝汽式蒸汽透平驅(qū)動氨壓縮機(jī),消耗 9.2 MPa 的高壓蒸汽。氨壓縮機(jī)為離心式壓縮機(jī),冷凍三級閃蒸的氨氣經(jīng)兩缸三段壓縮再通過E04602A/B冷凝成液氨。
冷凍系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。
1.氨壓縮機(jī)(K04601);2.氨壓縮機(jī)透平(KT04601);3.氨冷卻器(E04602A/B);4.氨受槽(S04601);5.一級入口分離罐(S04603);6.二級入口分離罐(S04605);7.三級入口分離罐(S04604);8.一氨冷(E04505);9.二氨冷(E04506);10. SMR氣深冷器(E04106);11.富CO2甲醇冷卻器(E04113);12.閃蒸甲醇冷卻器(E04121);13.BGL氣深冷器(E04102);14.制冷劑過冷器(E04142);15.空分氨冷器(E01101)。
氨壓縮機(jī),作為合成回路、甲醇洗以及空分的冷凍壓縮機(jī),采用三段壓縮,并通過E04505、E04506向合成系統(tǒng)提供高壓氨分離所需的冷量,同時(shí)還提供合成氣壓縮機(jī)段間氣體冷卻所需的冷量。其蒸發(fā)所產(chǎn)生的氣氨分別進(jìn)入S04604、S04605,并分別進(jìn)入氨壓縮的三段和二段進(jìn)行壓縮。通過E04106、E04113和E04121向低溫甲醇洗提供冷量,其閃蒸所產(chǎn)生的氣氨進(jìn)入S04603后進(jìn)入壓縮機(jī)一段進(jìn)行壓縮。其中,E04102和E01101產(chǎn)生的氣氨進(jìn)入S04604后,進(jìn)入三段進(jìn)行壓縮。三段和二段的進(jìn)口氣體與前段出口氣體分別采用缸外混合,再進(jìn)入下一段工序;從壓縮機(jī)出口的氣氨經(jīng)過E04602A/B水冷器冷卻后,冷凝成液氨并通過液氨受槽S04601返回至各系統(tǒng),完成液氨循環(huán)。壓縮機(jī)的各段進(jìn)口壓力決定了各段的冷凍負(fù)荷,而壓縮機(jī)的一段入口壓力通常根據(jù)工藝負(fù)荷改變機(jī)組轉(zhuǎn)速來加以控制[2]。
K04601出口壓力,通過PV04605控制,設(shè)計(jì) 1.69 MPa,長期控制在1.5~1.55 MPa(G),采取定值控制的方式。2019年,氨壓縮機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)如表1所示。
表1 2019年氨壓縮機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)
由冷凍流程可知,經(jīng)過各系統(tǒng)氨冷器蒸發(fā)出來的氣氨,經(jīng)壓縮后全部在兩個(gè)氨冷卻器(E04602A/B)中冷凝,經(jīng)氨受槽(S04601)氣液分離。而影響S04601液氨溫度最關(guān)鍵因素是循環(huán)水溫(表2)。為避免液氨在輸送過程中發(fā)生兩相變化,要求在E04602A/B中冷凝下來的液氨需過冷到操作壓力對應(yīng)氨的冷凝溫度 3 ℃ 以下[3]。
表2 循環(huán)水及氨受槽S04601溫度情況
通過查詢氨的飽和蒸汽壓對應(yīng)表可知,當(dāng)夏季S04601的熱氨溫度最高為 29 ℃ 時(shí),所需的氣氨的冷凝壓力為 1.15 MPa;冬季S04601的熱氨溫度為 18 ℃ 時(shí),所需的氣氨冷凝壓力為 0.872 MPa。而在K04601出口壓力控制在 1.50 MPa 時(shí),從氨的飽和蒸汽壓力對應(yīng)表中可知,其對應(yīng)的冷凝溫度查表可知為 39 ℃,比全年最高冷凝溫度高了約 10 ℃??芍?,在夏、冬季K04601出口壓力,分別有 0.35 MPa 和 0.63 MPa 的裕度,因此其冷凝壓力有較大的降壓空間。根據(jù)壓縮機(jī)性能曲線可知,對于一定質(zhì)量的氣體來說,當(dāng)P2/P1減小時(shí),壓縮機(jī)功耗也隨之降低。
在對冷凍系統(tǒng)中,三段分離罐分離出來的氨氣,引入離心式壓縮機(jī)K04601,兩缸三段壓縮并冷激各段入口溫度后,冷凝成液氨。查詢?nèi)鈮嚎s機(jī)的隨機(jī)資料可知,壓縮機(jī)各段增加氨流量參數(shù)見表3。
表3 K04601高低壓缸各段設(shè)計(jì)流量
由于氨壓縮機(jī)K04601在段間引入蒸發(fā)氣氨的同時(shí)也起到冷激降溫作用,從總體來看,近似于等溫過程,所以可用等溫壓縮功來衡量實(shí)際過程的經(jīng)濟(jì)性。
降壓前:當(dāng)甲醇洗和S04602閃蒸的氣氨及氨罐來的第一段氣氨從 -33 ℃,0.65×100 kPa 壓縮到第三段出口15×100 kPa,其等溫能量頭為:h=848(T/M)ln(p2/p1)(T是初始溫度(K),M是相對分子質(zhì)量,p2、p1分別是進(jìn)、出口壓力)。
代入數(shù)據(jù)得:h1=37577 m。
由等溫壓縮功耗:N=Gh/(3600×102)。其中,G為質(zhì)量流量,kg/h。
可求得N1=3903 kW。
以此類推,當(dāng)?shù)诙握舭l(fā)來的氨氣冷激換熱后從 -5 ℃,2.6×100 kPa 壓縮到15×100 kPa 時(shí),其等溫能量頭為:h2=23428 m
其等溫壓縮功為:N2=2972 kW
當(dāng)?shù)谌握舭l(fā)來的氨氣冷激換熱后從 32.1 ℃,6.3×100 kPa 壓縮到15×100 kPa 時(shí),其等溫能量頭為:h3=13202 m
其等溫壓縮功為:N3=3095 kW
總功耗N前=N1+N2+N3=9970 kW
在降壓后當(dāng)甲醇洗和S04602閃蒸的氣氨及氨罐來的第一段氣氨從 -33 ℃,0.65×100 kPa 壓縮到第三段出口12.8×100 kPa,其等溫能量頭為:h3=35675 m
其等溫壓縮功為:N1=3705 kW
當(dāng)?shù)诙握舭l(fā)來的氨氣冷激換熱后從 -5 ℃,2.6×100 KPa 壓縮到12.8×100 kPa 時(shí),其等溫能量頭為:h2=21308 m;其等溫壓縮功為:N2=2703 kW
當(dāng)?shù)谌握舭l(fā)來的氨氣冷激換熱后從 32.1 ℃,6.3×100 kPa 壓縮到12.8×100 kPa 時(shí),其等溫能量頭為:h3=10788 m;其等溫壓縮功為:N3=2539 kW
其總功耗:N后=N1+N2+N3=8937 kW
降壓前后功耗變化:N降=N前-N后=1033 kW
以上計(jì)算是氨壓縮機(jī)在等溫壓縮過程中減少的功耗,而實(shí)際壓縮功耗是介于絕熱壓縮和等溫壓縮功耗之間。由此看出,在壓縮機(jī)出口壓力降低后,其能量頭隨之下降,離心式壓縮機(jī)的實(shí)際功耗也得到降低,透平耗汽勢必減少,K04601運(yùn)行成本隨之下降。
通過前期分析論證,擬制定了《關(guān)于根據(jù)循環(huán)水溫度降低PV04605壓力以降低K04601J透平蒸汽消耗》的操作調(diào)試方案。調(diào)試按照1.50→1.45→1.4→1.35→1.30→1.28 MPa(G)階梯逐一降低PV04605壓力,降低PV04605壓力后逐一分析、檢查影響因素,直至完成調(diào)試工作。
經(jīng)過數(shù)據(jù)收集,在相同負(fù)荷和循環(huán)水溫工況下,PV04605從1.50降至 1.28 MPa,K04601轉(zhuǎn)速共下降 102 r/min,蒸汽消耗下降近 2.83 t/h。
氨壓縮機(jī)K04601按年平均每小時(shí)節(jié)約 2.5 t/h 蒸汽計(jì),蒸汽按100元/噸計(jì),每年有效降壓運(yùn)行時(shí)間按(S04601液氨溫度<27 ℃)200天計(jì)。
則年降低運(yùn)行成本:
W=2.5×100×24×200=120萬元。
在PV04605壓力降低控制以后,查詢運(yùn)行趨勢發(fā)現(xiàn),其壓力波動相對于技改前PV04605變化而言,其波動雖然幅度也很小,但是其波動非常具有規(guī)律性。
為此,從PV04605閥間的就地導(dǎo)淋打開排放檢查,沒有發(fā)現(xiàn)任何有液態(tài)氨的跡象,并測得PV04605出口溫度一直保持穩(wěn)定在13~14 ℃。通過取樣分析氨含量,也沒有發(fā)現(xiàn)PV04605出口氨含量上漲的情況。
從以上分析可以判斷氨壓縮機(jī)降壓操作后沒有發(fā)生帶氨現(xiàn)象。
總之,根據(jù)現(xiàn)場勘查、收集技改前后的數(shù)據(jù)對比,認(rèn)為技改后盡量把所帶液氨完全洗滌了下來,但不會對裝置產(chǎn)量及能耗等造成明顯的影響。
通過對K04601出口壓力降壓操作進(jìn)行可行性分析及投用以后的情況分析評估看,通過技改后可實(shí)現(xiàn)根據(jù)熱氨溫度動態(tài)調(diào)整氨壓縮機(jī)出口壓力實(shí)現(xiàn)了節(jié)約蒸汽,降低生產(chǎn)成本的目的。