CO2压缩机低压缸改造总结

孙清涛，孙 岩，李 勇，许慎勇

（兖矿新疆煤化工有限公司，新疆乌鲁木齐 830011）

1 CO2压缩系统简述

兖矿新疆煤化工有限公司520kt／aCO2汽提法尿素装置于2013年投产，其压缩系统的CO2压缩机型号为 2MCL607+2BCL356／A，配以NK40／45／20单缸冷凝式汽轮机。该离心式压缩机按二缸四段设计 （压缩机一、二段为低压缸，三、四段为高压缸），设有段间冷却器、缸间冷却器；为调节生产负荷，CO2压缩机设有二回一、四回三阀和一段入口放空总阀，四段出口管线上装有放空阀，以便于调节系统气量及异常时应急用。

CO2压缩系统流程：净化系统来的CO2气体，纯度≥98.5% （体积分数，干基），压力约0.22MPa（A），经CO2压缩机一段入口分离器分离掉其中少量的水分和油污后进入CO2压缩机一段、二段压缩；出低压缸的CO2气体压力约2.6MPa、温度193.7℃，经二段冷却器冷却后送至脱硫脱氢系统，脱硫脱氢后进入中压CO2冷却器用循环水冷却，CO2气体温度降至40℃左右；之后CO2气体进入CO2压缩机高压缸，经三段、四段压缩后压力达到14.6MPa，然后送至尿素装置高压系统。

2 存在的问题

CO2压缩机原始设计参数见表1。

表1 CO2压缩机原始设计参数

由于设计期间沟通不到位，CO2压缩机入口设计压力为0.039MPa，而实际净化系统输送至压缩机入口前 CO2气的压力为0.22MPa（A），导致压缩机入口通道截面积小于实际需求值。实际生产过程中，为满足原设计一段入口压力为0.039MPa的要求，CO2原料气在压缩机入口通过减压 （净化系统还有CO2放空）后送入机组，由此增大了低压缸的压缩比，导致机组运行期间防喘振回流量大、驱动汽轮机蒸汽消耗高，且容易造成机组运行不稳定，进而导致尿素装置最高负荷仅达设计负荷的90%。为此，必须对CO2压缩机低压缸进行改造。

3 改造情况

2017年7月，公司组织系统大修，更换了压缩机低压缸转子，低压缸转子由7级叶轮改造为6级叶轮 （公司要求新转子和原转子具有互换性，将原转子作为备件），如此一来，压缩机入口压力可提升至0.124MPa，低压缸一段压缩比可由4.46降为2.77，由此可降低汽轮机3.8MPa蒸汽耗量，同时增加CO2压缩机运行的稳定性；并对其辅机进行了检查。具体改造内容如下。

（1）更换压缩机支撑轴承。对应轴承最小间隙下，转子Ⅰ级、Ⅱ级稳定性均不能通过，可以通过调整轴径、跨距以及轴承等相关参数予以解决。

（2）在不改变CO2压缩机低压缸结构的基础上，摘除低压缸首级叶轮；重新设计制造一、二级级间隔板，通过增加导流套改变首级叶轮至二级入口流道；调整级间密封及平衡盘密封；补制新隔套等。

改造前后CO2压缩机技术参数的对比见表2。

表2 改造前后CO2压缩机技术参数的对比

4 运行情况及整改措施

4.1 运行情况

上述改造完成后，2017年9月21日19：08，CO2压缩机冲转后并入生产系统运行；9月21日20：33，尿素合成系统升压，CO2压缩机转入正常运行；9月22日17：49，CO2原料气流量达29500m3／h（最大值为 31000m3／h），系统运行平稳，CO2压缩机组汽轮机蒸汽耗量36.59t／h，汽轮机调节气阀开度89%左右。但低压缸改造后运行中低压缸振值 （VIA81004）时常会突然跳增至13μm（低压缸振值一般为3.9μm），CO2压缩机管道发出异常振动声；而且操作调整过程中发现，当CO2压缩机入口气量低于临界值25000m3／h时，振动频次较少；CO2压缩机入口气量超过25000m3／h时，振动频繁且管道振动异响刺耳，此时被迫开二回一回路和四回三回路进行调节，汽轮机轮室压力高，其调节阀开度没有了调节余量。

经分析，CO2压缩机管道振动和异响的原因是二回一的气体与一段入口的气体发生了共振。为消除这种共振，必须改变入口气量，使之偏离共振区。

4.2 整改措施

2017年10月，公司利用系统短停检修机会，自行设计并增设了CO2压缩机一回一调节回路 （DN200），配置调节阀及切断阀，并在一段出口发生振动的管道上增设了放空调节阀，以改变管道的固有频率，避免共振。

增设一回一回路及一段出口放空调节阀后，CO2压缩机开车阶段运行平稳，未出现管道振动及异响情况。按原有的操作习惯，二回一回路、四回三回路调节阀开度均保持在5%～10%，一回一回路调节阀开度基本维持在6%～9%；在负荷较高的情况下，一回一回路调节阀开度基本维持在2%左右，此时低压缸振值 （VIA81004）基本在5μm以下，CO2压缩机运行趋于稳定。

考虑到二回一回路、四回三回路调节阀保持一定的开度，理论上有一定的能量损失，进行优化操作，即采取逐步关闭二回一回路、四回三回路调节阀以及开大一回一回路调节阀的方式，逐渐将二回一回路、四回三回路调节阀调为零开度，一回一回路调节阀开度增至70%左右，汽轮机调节阀开度降低4%，汽轮机轮室压力降至3MPa左右，取得了较好的效果。

整改前后 （增设一回一调节回路及一段出口放空阀前后）CO2压缩机主要运行数据的对比

见表3。

表3 整改前后CO2压缩机主要运行数据的对比

4.3 整改效果

（1）整改后，CO2压缩机组汽轮机运行稳定，汽轮机轮室压力降低，其调节阀开度有20%左右的调节余量，蒸汽消耗大幅降低；机组各振值降低，运行平稳。

（2）改造后，CO2进入CO2汽提塔的温度由141℃降至125℃左右；CO2气量波动幅度减小，尿素高压系统物料配比趋于稳定，提高了尿素高压系统的运行效率，高压甲铵冷凝器气液相温度、高压洗涤器出气及下液温度、合成塔出液温度等均能控制在最优状态；成品尿素缩二脲含量降至1.0%以下，产品质量有所提高；尿素产量增加，日产突破1800t，吨尿素氨耗维持在579kg左右 （设计值585kg）。

5 结束语

CO2压缩机低压缸转子及相关部件改造完成并且增设一回一调节回路及一段出口放空阀后，CO2压缩机低压缸一段压缩比由4.46降至2.77，汽轮机蒸汽消耗量减少约8.5m3／h，按蒸汽成本58元／t计算，每年可节省蒸汽费用394.4万元；同时，CO2压缩机出口气量超过31000 m3／h，减少了CO2气体的排放，机组运行稳定，尿素日产屡创新高，日产突破1800t（设计日产1734t），年可增产尿素70kt以上。总之，本次改造节能减排、提产增收效果明显，达到了预期的目的。