氮气压缩机系统节能措施的研究与实施分析

陈林江

（成都艾尔普气体产品有限公司，四川 成都 611930）

随着“低碳环保”的概念普及，减少“碳排放”已经成为目前各工厂的重要指标，“节能降耗、提质争效”成为化工行业的新时尚。离心压缩机是空分装置的核心设备，也是装置中的主要耗能设备。某公司空分厂有2台15000m³/h的氮气压缩机，功率是1800kW。由于用户需求约为15000～18000m³/h之间，一台设备不能满足供气量，两台设备最低负荷供气量约为24000m³/h。为此不得不开较大的回流，从而导致了较大的能源浪费。因此，采取合理有效的措施、降低压缩机能耗，对装置节能增效有重大意义。本文从离心压缩机的工艺参数控制、机组结构优化和调节控制系统的改进三个方面介绍和探讨了离心压缩的主要节能技术，并结合公司生产实际提出了相应的改进意见。

1 研究背景

压缩机的不定时开关及较大的回流引起了公司的关注。通过计算，当2台压缩机均开最低负荷时，电流合计为260A。实际用于压缩的电流约为220A，由此至少造成了40A的浪费，年浪费电能约292万度电能，预计140万元，占装置年利润的5%。为此装置设备和工艺管理人员对目前的状态进行研究，决定对氮气压缩系统进行技改，即新增加一台氮气压缩机，既能满足用户15000～20000m³/h的流量要求，又能够大幅降低功率消耗，达到节能效果。

2 节能措施研究

2.1 选择合适的吸入压力

压缩机吸入压力的选取，对压缩机能耗有很大的影响，吸入压力越低，能耗越大，尤其是压缩机一段吸入压力，对压缩机能耗影响更大。适当提高压缩吸入压力，有利于降低压缩机能耗。目前，空分厂氮气压力较低，针对此问题，装置入口管道通过减少弯头，靠近氮气分离塔，努力减少进气管网阻力，在保证足够的处理气量的前提下，提高压缩机入口压力，以降低来气压力低对压缩机能效的不利影响。由原始微正压的温度，提升至120kPa，提高了入口压力，减少压缩做功。

2.2 控制压缩机各段气体入口温度

由压缩机循环过程分析得知：在多级压缩过程中，压缩机的级间冷却效果直接关系到其级间温度的控制，合理的控制压缩机各段气体的入口温度对压缩机的节能增效有着显著的作用。空分厂中设备冷却循环水为厂内自有循环水，有空间也有条件实现更加优质的循环水和较低的循环水温度。常规压缩机级间或机后冷却器多采用列管式换热器，存在换热效率低等故障。针对此问题，在新压缩机辅助设备设计过程中，将级间冷却器的换热面积扩大，设计级间温度循环水温差为2～5℃。

2.3 改进压缩机叶轮

三元流叶轮是在三维空间坐标中计算气体流动而进行设计的，大型压缩机使用的基本是三元流叶轮。目前旧叶轮采用三元流叶轮，压缩机出口设计压力为1MPa，实际输出压力调节到0.72MPa，且长期处于该调节压力区间。针对旧叶轮负荷较大的情况，也可以通过计算方法，计算出修改叶轮的尺寸，使压缩机输出压力为0.72～0.8MPa，从而能够提高叶轮效率2%～5%。由于石油化工行业很多企业的压缩机应用的都是10年甚至20年前的技术，都将相继进入改造期，从经济性角度看，这种改造意义很大，它大大提高了石油化工装置的生产能力及经济效益，降低产品单耗。就单机改造而言，其节能效果也是非常明显的。

2.4 改进调节控制系统

为预防发生喘振工况，离心压缩机都设有防喘振控制系统。众所周知，压缩机过大的回流量将会使机组的能耗增加。一般情况，国内外很多压缩机制造厂给空分厂配套使用的离心氮气压缩机组的回流量大多没有安装计量仪表，所以就无法将防喘振控制信号取为流量，通常取用的是压缩机电流信号。实际上，电流信号相比压缩机气体流量，采用气体流量控制更为精确。因此，将防喘振手动控制改为自动控制，并且研究应用更加先进准确的防喘振控制系统对压缩机回流量进行精确合理的控制，进而降低机组能耗是一种可行的办法。

当单台氮气压缩机运行时，其中K701A/B（原旧压缩机）流量约15000m3/h，对应电流为200A，即：每消耗1A电流对应流量为60m3/h；K701C流量约6000m3/h，对应电流为71A，即：每消耗1A电流对应流量为104m3/h。由以上数据可看出，新压缩机具有更高的效率。所以，在两台压缩机启动期间，必须存在回流时，应该在提高新设备的负荷到100%，适当降低原旧压缩机负荷作为调节配合，以节省电流。其配合如表1。

表1 目前工况下两机配合的流量方案

所有性能均满足技术协议（按照K701A/B负责调节，K701C负责满负荷）：

当需要20000流量时，两机组合计电流约为200+57A；同比246A增加13A；

当需要19000流量时，两机组合计电流约为175+57A；同比226A增加6A；

当需要18000流量时，两机组合计电流约为155+57A；同比209A增加3A；

当需要17000流量时，两机组合计电流约为138+57A；同比192.7A增加2.3A；

当需要16000流量时，两机组合计电流约为125+57A；同比182A增加0A（类似持平）。

由此可看出其优势。调节两机主副的主要方法为调节压缩机排气压力，若希望新机器做功多，可调节新机器出口压力略高于旧机器即可。压缩机流程图如图1。

图1 压缩机流程图

3 结论及认识

通过对离心压缩机节能技术的研究，优化机组运行模式，得出以下结论及认识。（1）应采用合理的方式降低压缩机的吸入压力和级间压降，控制压缩机各段气体入口温度。（2）三元流叶轮设计可有效地提高压缩机运行效率，降低机组能耗。（3）设置合理的防喘振信号取点，对氮气离心压缩机高效运行具体很高的经济效益。

4 综合效益

新增K701C氮气压缩机项目于2018年12月立项，2019年10月到货，2019年12月完成调试，随后交付生产投用。目前运行至今，机组运行状态平稳，节能效果显著。

设备参数：电机额定电流：72A；功率因数：0.88，额定功率：630kW；电压：6000V。

与技改以前工况比较，实际每年节约电约300万kW·h，每年节省电费150万元。投资回收期不到2年。

5 结语

企业要生存和发展，节约成本也是必不可少的一项重要任务。降本增效的核心是在设备稳定运行的前提下，减少不必要的能源浪费，提高设备效率。该项目的应用有效降低了产品电能消耗、提高了设备运行效率，从而提高了装置运行和设备管理水平，对提高公司的市场竞争力具有重要意义。