侯 松

(海洋石油富島有限公司, 海南東方 572600)

1 機(jī)組概況

海洋石油富島有限公司二期化肥項(xiàng)目設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為年產(chǎn)45萬t合成氨、80萬t大顆粒尿素,裝置于2003年9月30日建成投產(chǎn)。合成氨裝置采用美國KBR深冷凈化器工藝。工藝空氣壓縮機(jī)為意大利Nuovo Pignone公司研制并生產(chǎn)的MS5002C型雙軸燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動。燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)布置見圖1。過濾的空氣經(jīng)過軸流式壓縮機(jī)壓縮后進(jìn)入燃燒桶,與來自燒嘴的天然氣混合燃燒,產(chǎn)生高溫、高壓的燃?xì)膺M(jìn)入透平做功,高壓透平驅(qū)動軸流式壓縮機(jī),低壓透平驅(qū)動工藝空氣壓縮機(jī)。

圖1 燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)布置

2 存在的問題

工藝空氣壓縮機(jī)組主要用于給二段爐提供所用空氣,同時還為合成氨和尿素裝置提供6 478 kg/h的工廠空氣和儀表空氣。進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)的天然氣和空氣混合燃燒后的乏氣,一部分進(jìn)入一段爐爐膛進(jìn)行燃燒,一部分進(jìn)入一段爐對流段給工藝介質(zhì)加熱。自原始開車以來,壓縮機(jī)運(yùn)行比較穩(wěn)定,而其驅(qū)動機(jī)——燃?xì)廨啓C(jī)由于燃空比的問題,一直影響著機(jī)組的高負(fù)荷安全穩(wěn)定運(yùn)行,導(dǎo)致工藝空氣壓縮機(jī)運(yùn)行負(fù)荷低,出口工藝空氣量不足,進(jìn)而影響裝置安全穩(wěn)定長周期運(yùn)行。燃?xì)廨啓C(jī)主要存在的問題為:

(1) 燃空比運(yùn)行值接近聯(lián)鎖值,限制系統(tǒng)負(fù)荷提升。根據(jù)生產(chǎn)運(yùn)行系統(tǒng)——過程網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(WPKS)數(shù)據(jù)顯示,機(jī)組在2015年—2017年的燃空比一直在1.18左右高位運(yùn)行(高聯(lián)鎖值為1.2),限制系統(tǒng)負(fù)荷提升,對系統(tǒng)的天然氣消耗、合成氨產(chǎn)量產(chǎn)生較大影響。

(2) 燃?xì)廨啓C(jī)安全操作彈性小,抗天然氣組分波動能力差。由于燃空比接近高聯(lián)鎖值(1.2),當(dāng)天然氣組分出現(xiàn)波動(CH4含量升高)時,極易造成機(jī)組因燃空比高聯(lián)鎖出現(xiàn)裝置停車。據(jù)統(tǒng)計(jì),2003年—2015年,合成氨裝置有5次因燃空比高聯(lián)鎖停車,造成嚴(yán)重停車停產(chǎn)損失。

(3) 燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度低,能耗增加。由于燃空比實(shí)際運(yùn)行值較高,為了降低燃空比,全開燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)入口導(dǎo)葉(IGV),使更多的冷卻空氣進(jìn)入到燃?xì)廨啓C(jī),從而導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)出口溫度降低,進(jìn)入一段爐的乏氣溫度低,增加了燃?xì)廨啓C(jī)及一段爐的燃?xì)庀摹?/p>

3 燃空比的設(shè)置及計(jì)算

合成氨裝置采用南海氣田天然氣為原料,該天然氣的特點(diǎn)是CO2含量較高,CH4的體積分?jǐn)?shù)只有60%左右[1]。特殊的天然氣組分對于燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)行操作要求較高。當(dāng)進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)的燃?xì)鈮毫^高時,會使著火點(diǎn)遠(yuǎn)離燃燒噴嘴而產(chǎn)生脫火,輕則使燃燒產(chǎn)生波動,重則導(dǎo)致熄火;當(dāng)進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)的燃?xì)鈮毫^低時,會使燃燒火焰往燃料來源的方向傳播而產(chǎn)生回火,輕則燒損噴嘴,重則會在天然氣管道內(nèi)發(fā)生燃?xì)獗?。為了保障燃?xì)廨啓C(jī)穩(wěn)定安全運(yùn)行,控制進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)的天然氣和空氣量,設(shè)置了燃空比聯(lián)鎖,低聯(lián)鎖值為1.0,高聯(lián)鎖值為1.2。

根據(jù)新比隆公司設(shè)計(jì)理念,燃空比為燃?xì)廨啓C(jī)控制閥(GCV)后燃?xì)鈮毫εc軸流式壓縮機(jī)出口空氣壓力之比[2],即

(1)

式中:RP4PCC為燃空比;pGHP為GCV后燃?xì)鈮毫?pCPD為軸流式壓縮機(jī)出口空氣壓力。

4 燃空比高的原因分析

根據(jù)燃空比計(jì)算公式可知,影響燃空比高的主要因素是進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)的燃?xì)鈮毫ι?或者是進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)的空氣壓力降低,具體影響因素包括環(huán)境溫度、大氣壓、燃?xì)廨啓C(jī)軸流式壓縮機(jī)運(yùn)行效率及天然氣組分。

4.1 環(huán)境溫度升高

當(dāng)環(huán)境溫度升高時,空氣分子質(zhì)量變小,在同一高壓軸轉(zhuǎn)速(高壓軸轉(zhuǎn)速穩(wěn)定為5 100 r/min)下,軸流式壓縮機(jī)功率下降,導(dǎo)致出口空氣壓力降低;此時,如果燃?xì)廨啓C(jī)低壓軸維持原負(fù)荷運(yùn)行,則進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)的天然氣壓力基本保持不變,導(dǎo)致燃空比升高。

4.2 大氣壓降低

當(dāng)大氣壓降低或者入口過濾器壓差增加時,在同一高壓軸轉(zhuǎn)速下,軸流式壓縮機(jī)出口空氣壓力下降;此時,如果燃?xì)廨啓C(jī)低壓軸維持原負(fù)荷運(yùn)行,則進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)的天然氣壓力基本保持不變,導(dǎo)致燃空比升高。

4.3 燃?xì)廨啓C(jī)軸流式壓縮機(jī)運(yùn)行效率降低

軸流式壓縮機(jī)長時間運(yùn)行后葉片或者流道結(jié)垢,會導(dǎo)致流通體積減小,在同一高壓軸轉(zhuǎn)速下,軸流式壓縮機(jī)出口空氣壓力下降;此時,如果燃?xì)廨啓C(jī)低壓軸維持原負(fù)荷運(yùn)行,則燃?xì)廨啓C(jī)的天然氣壓力基本保持不變,導(dǎo)致燃空比升高[3-4]。

4.4 天然氣組分變化

當(dāng)天然氣中CH4含量下降時,低壓軸要維持原負(fù)荷運(yùn)行,GCV后燃?xì)鈮毫π枰?此時,在軸流式壓縮機(jī)運(yùn)行狀況(環(huán)境溫度、大氣壓)保持不變的情況下,出口空氣壓力不變,導(dǎo)致燃空比升高。

5 處理措施

5.1 燒嘴漩渦器解體清洗

表1為燃?xì)廨啓C(jī)燃空比運(yùn)行數(shù)據(jù)。由表1可以看出:pGHP上升幅度明顯大于pCPD,并且pCPD與pGHP間差值明顯增大,說明燃空比上漲主要就是pGHP壓力的上漲,與燃?xì)饨M分、負(fù)荷、pCPD等因素?zé)o關(guān)。

表1 燃?xì)廨啓C(jī)燃空比運(yùn)行數(shù)據(jù)

針對此情況,在2017年9月停機(jī)期間,對燃?xì)夤芫€及燒嘴進(jìn)行檢查,發(fā)現(xiàn)12個燒嘴有嚴(yán)重積碳,并且燃?xì)夤芫€內(nèi)壁發(fā)現(xiàn)有油脂積層。解體燒嘴內(nèi)部,發(fā)現(xiàn)旋流器上有大量油垢,噴嘴芯上也有較嚴(yán)重積碳,見圖2。將燒嘴拆卸清洗,去除燒嘴結(jié)垢、結(jié)焦產(chǎn)物,清洗后的效果見圖3。

(a) 燒嘴結(jié)焦

圖3 燒嘴清洗后情況

5.2 燃?xì)廨啓C(jī)離線清洗工藝優(yōu)化

軸流式壓縮機(jī)結(jié)垢會導(dǎo)致做功效率下降、出口壓力降低。在機(jī)組不檢修的情況下,最直接有效的方法就是停機(jī)離線清洗。根據(jù)傳統(tǒng)離線清洗效果,改變離線清洗工藝。原離線清洗工藝為拖動—加清洗液清洗—加水沖洗—吹干,現(xiàn)改為拖動—加清洗液清洗—停機(jī)浸泡—拖動加水沖洗—吹干。通過觀察對比清洗后的污水樣本,發(fā)現(xiàn)清洗效果好。軸流式壓縮機(jī)出口壓力由723.7 kPa提高至745.8 kPa,效果明顯。

采取以上措施后,從燃?xì)廨啓C(jī)檢修前后數(shù)據(jù)來看,在相同的環(huán)境溫度(26.5 ℃)下,CH4體積分?jǐn)?shù)由64.5%降至61.7%,燃?xì)廨啓C(jī)低壓軸負(fù)荷率由93.2%升至94.6%,空氣壓縮機(jī)出口質(zhì)量流量由100 t/h升至103 t/h,出口壓力由4.19 MPa升至4.24 MPa,燃空比反而由1.179下降至1.167;按天然氣中CH4體積分?jǐn)?shù)每上漲1百分點(diǎn),燃空比下降0.08,在相同負(fù)荷(94.6%)、相同CH4體積分?jǐn)?shù)(64.5%)的情況下,燃空比應(yīng)為1.143左右,燃空比下降幅度明顯。

5.3 燃空比高聯(lián)鎖設(shè)定值修訂

根據(jù)機(jī)組運(yùn)行工況,在確保燃?xì)廨啓C(jī)安全穩(wěn)定燃燒的情況下,提出修訂燃空比聯(lián)鎖值。經(jīng)過與燃?xì)廨啓C(jī)廠家工程師確認(rèn),結(jié)合機(jī)組實(shí)際運(yùn)行情況,將燃空比聯(lián)鎖值修訂為1.28,提高了裝置的操作彈性和抗天然氣組分波動能力。

6 效果及綜合效益

采取一系列措施后,燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷降低,排氣溫度從410 ℃左右提高至450 ℃以上(見圖4),一段爐和燃?xì)廨啓C(jī)的燃?xì)庀捏w積流量降低了180 m3/h左右,顯著節(jié)約了天然氣的使用成本。

圖4 燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度趨勢圖

燃空比問題解決后,系統(tǒng)負(fù)荷從69 t/h恢復(fù)到71 t/h,每小時增加氨產(chǎn)量約1.1 t。

燃空比高聯(lián)鎖值修訂后,2018年1月5日,天然氣CH4體積分?jǐn)?shù)在61%～70%波動,燃空比最高達(dá)到1.24;2018年1月15日平臺斷氣,天然氣壓力大幅波動50 kPa,燃空比最高達(dá)到1.23。由于燃空比聯(lián)鎖值從1.2提高到了1.28,給操作人員留有處理空間,避免了裝置跳車,減少尿素停產(chǎn)損失約10 800 t。

7 結(jié)語

該燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行優(yōu)化研究不但徹底解決了燃空比高的問題,而且還減少了燃?xì)庀牧?提高了裝置的運(yùn)行負(fù)荷,增加了合成氨產(chǎn)量。合成氨裝置安全穩(wěn)定運(yùn)行629 d,提高了裝置的運(yùn)行穩(wěn)定性。