关于氨压机的工艺应用及其布置与配管设计的研究

王　丹

(东华工程科技股份有限公司，安徽 合肥　230024)



关于氨压机的工艺应用及其布置与配管设计的研究

王丹

(东华工程科技股份有限公司，安徽 合肥230024)

摘要：介绍了氨压机与组合式氨冷器联合使用的工艺流程、管道特点及优越性；阐述了氨压机的工作原理；举例分析了压缩厂房、压缩机重要配管及现场易发状况，提出了国内工艺技术简洁化、高效化开发的参考方向，为设计者设计合理的成品提供了建议。

关键词：氨压机；组合式氨冷器；原理；厂房；布置；配管

压缩机是将低压气体提升为高压气体的一种从动的流体机械，目前主要应用于制冷系统及其他工艺气体的压缩。在制冷过程中，常见的如低温液氨储罐用压缩机，其储罐BOG汽化量的计算对压缩机选型尤为重要[1]。此外的工艺气压缩更是常见，几乎所有的石化项目中都会用到，如联合压缩厂房、空压站等。压缩机按其原理可分为容积式(活塞、往复式)压缩机与流体动力式(离心式)压缩机，按驱动方式可分为电动、燃气轮机和汽轮机。目前，离心式和活塞式压缩机仍是国内工艺气体用压缩机的主要类型，约占全部工艺气用压缩机的85%。尤其是离心式压缩机，处理量大，使用范围广，驱动形式多样。离心式压缩机的设计寿命一般至少10年，API标准规定石油、重化学和气体工业用压缩机的设计寿命一般至少20年[2]。

本文介绍国内某大型合成氨项目中的氨压缩机，其采用蒸汽透平驱动离心式压缩机，氨合成、冷冻使用KBR公司的工艺技术，联合使用组合式氨冷器与氨压机。

1压缩机结合组合式氨冷器的工艺流程

压缩机结合组合式氨冷器的工艺流程见图1。其基本原理是采用多组同心管和一个分段式外壳组成，来自下游高压氨分离器的低温合成循环气进入中心管的内管，与流经管间环型隙的高压合成塔出口气逆流换热，同时，不同温度和压力下的制冷液氨在各段外壳隔箱内闪蒸，这样合成塔出口气将同时被循环气和液氨冷机2个介质冷却。

该组合式氨冷器壳程分为4段，中心管贯穿其中，每一段设有挡板，前一段外壳层底部的液氨通过减压阀降低温度后进入下一段提供冷量，每一段的气相由氨压机抽走分别对应不同的压缩级。由于组合式氨冷器进压缩机的气体温度逐段降低，可以很好地降低由于压缩机压缩造成的温升，其中防喘震管线从压缩机四段出口管线抽出，分别进入组合式氨冷器的不同冷凝段。

图1　压缩机结合组合式氨冷器的工艺流程1—组合式氨冷器；2—氨压机；3，4，5，6—组合式氨冷器一，二，三，四段出口；7，8，9，10—氨压机分别回组合式氨冷器的防喘震管线

用一台带有分段壳程的组合式氨冷器来代替几台设备，缩短了工艺流程，节约了设备布置占地，降低了系统阻力，又提高了换热效率，节省了投资成本。为国内研究更加简洁、高效的工艺流程提供参考方向。

2氨压机的工作原理

2.1蒸汽轮机简介

氨压缩机是一台由高压蒸汽轮机驱动的离心式压缩机，蒸汽轮机为背压式，背压式汽轮机的排气压力高，蒸汽的焓降较小，与排气压力低的凝汽式汽轮机相比，发出同样的功率，所需蒸汽量较大，因而背压式汽轮机每单位功率所需的蒸汽量大于凝汽式汽轮机。但是背压式汽轮机排气所含的热量绝大部分被热用户所利用，不存在冷源损失的问题，所以从燃料的热利用系数来看，背压式汽轮机装置的热效率较凝汽式汽轮机为高。在联合压缩厂房中，一般背压式和凝汽式压缩机联合使用，由凝汽式汽轮机承担电负荷的变动，以满足外界对电负荷的需要。

2.2压缩过程原理

本项目所用氨压缩机为双缸单轴卧式多级离心压缩机，维修方便，机械损失小。压缩级数与压力比有关系，压缩机压力比与段数的关系见表1。

表1　压缩机压力比与段数的关系[2]

在实际设计过程中对排气有限制的气体，可先选定排气温度，再根据近气、排气温度算出压力比，最后确定段数。

2.2.1理想压缩过程

当气体进入压缩机时，理想的过程包括以下两种。

(1)可逆绝热压缩，即等熵过程。由理想气体状态方程：

pV=nRT

(1)

计算出初始温度T1，压缩完之后的温度：

T2=(p2/p1)(γ-1)/γ×T1

(2)

式中，γ为绝热指数，(Cv，m+R)/CV,m,；单原子理想气体Cv，m=1.5R，双原子理想气体Cv，m=2.5R，多原子理想气体Cv，m=3R

而压缩过程所做的功：

W=ΔU=RΔT/(1-γ)

(3)

(2)恒压降温过程。压缩之后的气体温度压力均升高，需要经过段间冷却器，将温度降低，从而降低后续设备管道的材质要求，此时：

(4)

W=-PΔV=-nRΔT

(5)

2.2.2实际压缩过程

实际过程更接近于多变压缩[2]。

排气温度T2由式：

Tdj=Tsjεj(mj-1)/mj

(6)

其中：Tsj为离心式压缩机j段的进气温度，K；εj为j段的压力比，εj=pjd/pjs；mj—j段的压缩指数，可按(7)式计算。

段的多变指数：

(7)

其中，kj为 j段的平均绝热指数；ηpj为j段的多变效率，可由工艺手册[2]查阅。

之后就可以计算压缩机的能量头：

hp=mZRT1[(Pd/Ps)(m-1)/m-1]/(m-1)

(8)

hp为多变能量头；Z为压缩因子；R为气体常数。

压缩机的原理很重要，管道布置人员在充分理解工艺流程、设备结构及压缩机原理的基础上，才能够做到融会贯通地布置管道，设计合理，因果清楚。

3氨压机的布置

离心透平压缩机的布置通常包括厂房及辅助生活设施的布置。由于该氨压机与组合式氨冷器联合使用，且为背压式，抽出氨冷器分段外壳中的气体与压缩机段间压缩后的高温气体混合降温冷却，因此附属设备减少很多，没有表冷器及凝结水泵，且仅在三段压缩与四段压缩之间设有段间冷却器。

3.1厂房设计

通常在大型合成氨项目中会设置联合压缩厂房，其中有氨压机、合成气压缩机、CO2压缩机等，设计主要包括厂房平面布置、立面布置等方面。其中平面布置关系到厂房跨柱的间距、敞闭形式等，立面布置涉及到楼层高度、屋顶高度、操作平台及辅助管廊。压缩机厂房的平面布置应以满足工艺生产流程为依据，充分考虑总体平面布局、竖向设计、公用设施配置之间的关系和次序。

而确定压缩机厂房的围护形式(敞开或半敞开、封闭厂房)时，既要考虑建设项目所在地的环境条件(北方冬季寒冷，春秋季节风沙多等)，又要考虑压缩机的安装建设、压缩介质理化特性(火灾危险类别、毒性分级等)、生产操作运行和检修等要求，尤其是火灾危险性类别；联合厂房中除了介质NH3(气体火灾危险性为乙类)，还有合成气，合成气是混合气体，其中的氢气为甲类，因此需计算合成气的整体爆炸极限[3]，以便确定合成气的危险类别。根据有关标准中的划分原则，确定厂房类别，可燃气体压缩机宜布置在敞开或半敞开式厂房内[4]，本项目所在地为南部地区，环境适宜，风沙较少，因此选用半敞开式厂房围护结构。

压缩机厂房根据压缩机形式可设计为单层或多层结构，往复式压缩机一般为单层厂房，这种厂房结构简单，投资低。但离心式压缩机则多设计为二层厂房结构，这是根据工艺要求、厂家图纸等确定的。

3.1.1厂房的平面布置

厂房平面布置情况见图2。根据图2的布置信息，我们需要考虑以下几个方面。

图2　厂房布置1— 低压段密封气升压机；2—高压段密封气升压机；3—低压干气密封；4—高压干气密封；5—现场仪表箱；6—蒸汽透平；7—压缩机本体；8—段间冷却器；9—高位油箱；10—地面冷凝器；11—吊装区域

(1)楼面荷载应根据压缩机的检修要求或设备安装要求为依据，并在二楼楼面留有供大修用的吊装孔。

(2)采用钢筋混凝土框架体系，压缩机基础与厂房基础应有一定的净距，以保证两者的基础承台完全脱开。

(3)压缩机进口管道口径较大，且需要流出3D的直管段，透平进出口蒸汽管道应力要求严格，对设备及厂房布置都有影响。有些需要厂家设计的管道，应提前跟厂家沟通管道走向，让其根据设计院的要求修改，以免和厂房梁柱发生冲突。

(4)厂房的柱距和跨度尽量向建筑标准模数靠拢，以减少结构专业的设计量，图例中的压缩机厂房柱距均采用9.0 m，跨度18.0 m(外立面跨度 18.8 m)。

3.1.2厂房的立面布置

厂房立面布置情况见图3。压缩机厂房的立面布置主要考虑设备吊装及进出所需空间[5]，具体步骤如下。

图3　厂房立面布置1—厂家提供的吊钩高度要求(最低高于透平5 200 mm)；2—10 t电动双梁桥式起重机；3—轨顶高度17.5 m；4—高位油箱；5—楼层标高8.0 m；6—围护底端11.0 m；7—装置内管廊层EL6.0 m；8—装置内管廊层EL8.8m；9 -装置内管廊层EL 12.0 m；10—段间冷却器；11—地面冷凝器

(1)确定压缩机操作面(即楼层)的标高。通常操作平台的标高与压缩机基础的标高一致，可简化设计，降低成本，也可以高于基础，方便配管和检修。本设计的操作平台选择与压缩机底板定标高一致。

(2)建筑围护的底标高。通常以操作人员站在主操作平台上能观察到厂房外的情况为宜，该压缩机的建筑围护底标高高出平台3 000 mm。

(3)根据厂家图纸上提供的吊钩最低高度要求确定吊钩的高度，综合考虑施工安装误差留出足够的余量，一般不小于1 000 mm。向结构专业提出规顶标高要求。

(4)根据厂家提供的最大检修件重量选择合适的吊车，该压缩机的最大检修重量是6.8 t，且厂家要求考虑20%的吊装余量，因此选择100 t的桥式吊车。

3.2辅助生活设施

在生产、生活辅助间的设计过程中，应充分考虑人员安全、劳动保护和操作便利等因素的影响，鉴于大多数工艺介质的火灾和爆炸危险性对人身安全的潜在威胁、压缩机运行噪音对操作人员身心健康的严重影响，尽量不在压缩机厂房内布置生产和生活辅助间。

4氨压机的配管研究

4.1氨压机进出口管道设计

氨压机进出口管道设计见图4。压缩机4个进出口管道口径大，管道附件及仪表较多，因此占的空间较大。如图4所示，该压缩机进出口均向下，进口管道上设有T形过滤器，且厂家为了保持进口流体的平稳，要求进口异径管后设置3D的直管段，因此需要借助压缩机基础搭设平台以便过滤器抽芯及查看检修仪表。出口管道上均设有文丘里流量计、温度计等，流量计有一定直管段的要求，温度计需要观测，此时尽量靠楼层敷设，并增加管道柔性以方便操作。

图4　氨压机进出口管道设计1—氨压机一段进口管道； 2—氨压机二段进口管道；3—氨压机三段进口管道；4—氨压机四段进口管道

4.2汽轮机进出口蒸汽管道的布置

蒸汽透平的检修和维护比较频繁，且旋转速度快、温度高、受力敏感，需要充分考虑其柔性。因此，透平进出口蒸汽管道是难点所在。管道布置要满足机组管口位移和力矩的要求，达到压缩机管口无应力对中布置的要求。在综合考虑应力分析和脉动研究的基础上，靠近压缩机进出口处优先设置不均匀间距的减振支架(支架基础单独埋设)，严格约束管道振动。

4.3防止压缩机反转的管道措施

根据现场的经验，仅仅按照KBR专利要求，现场压缩机容易出现反转，易造成干气密封和轴瓦损坏，因此需要在高压缸及低压缸的出口管线上设置止回阀，且停车时，尽可能提高一段压力，使四段之间的压力差降到最小。

5结语

(1)通过介绍氨压机与组合式氨冷器联合使用的原理流程、管道特点及优越性，为国内工艺技术的简洁化、高效化开发提供了参考方向。

(2)详细阐述了氨压机的汽轮机及压缩原理，建议首先深入了解理论原理，在此基础上，更有助于作出合理的设计成品。

(3)结合标准规范及设计经验，深入浅出地举例分析了压缩厂房、压缩机重要配管及现场易发状况等方面，为氨压机的设计提供了探讨及交流。

参考文献：

[1] 陈睿谦，武丽娜，彭杰，李雁.低温储罐BOG气化量计算分析[J].化肥设计，2015,51(2)：8-11.

[2] 汪镇安.化工工艺设计手册[M].北京：化学工业出版社，2003.

[3] 武丽娜，陈睿谦，徐莹，张喜春.确定混合燃气爆炸极限的重要意义及计算方法[J].化肥设计，2014, 52(2)：18-21.

[4] GB50160-2008，石油化工企业设计防火规范[S].

[5] 刘跃吉.离心式蒸汽透平压缩机的布置及配管研究[J].石油化工设计，2012，29(1)：52-54.

A Study on Process Application and Piping Arrangement of Ammonia Compressor

WANG Dan

(EastChinaEngineeringScience&TechnologyCo.,Ltd.，HefeiAnhui230024China)

Abstract：This paper introduces the process to combine ammonia compressor and unitized ammonia chiller, pipeline characteristics and superiority.The working principles of ammonia compressor are also expounded.Meanwhile, some examples are given to analyze compressor plant, important piping and site prone situations.The simple and efficient development direction of domestic technology was put forward.For designers, advices to make reasonable design product are provided.

Keywords：ammonia compressor; unitized ammonia chiller; principle; plant; arrangement; piping

收稿日期：2015-09-02

中图分类号：TQ 051.21

文献标识码：A

文章编号：1004-8901(2016)02-0032-04

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2016.02.009 10.3969/j.issn.1004-8901.2016.02.009

作者简介：王丹(1986年-)，女，安徽淮北人，2012年毕业于华东理工大学化学工艺专业，硕士，现主要从事设备布置与管道设计工作。