低温甲醇洗系统循环气压缩机节能改造小结

刘加洪，黄宪辉

(贵州开阳化工有限公司，贵州 开阳 550306)

0 引 言

贵州开阳化工有限公司(简称开阳化工)500 kt/a合成氨装置于2013年1月建成投产，其主要生产工艺为4 MPa干煤粉加压气化(2台科林炉，两开无备)、中温耐硫变换、大连理工低温甲醇洗(七塔流程)、杭州中泰液氮洗、瑞士卡萨利15 MPa低压氨合成工艺；其中，低温甲醇洗系统设置有2台往复式循环气压缩机(一开一备)，用于回收富甲醇闪蒸后循环气中的H2，回收的H2经提压后并入低温甲醇洗系统入口变换气中用于生产合成氨。由于循环气压缩机设计余量大，实际生产中长期以来循环气压缩机回流阀开度大，部分气体回流循环压缩，造成电能浪费，且在单台气化炉运行时，因富甲醇闪蒸量小，循环气压缩机不具备开车条件，循环气只能排放至火炬燃烧，造成浪费。2022年4月，开阳化工对1台循环气压缩机实施了节能改造，并实现了循环气压缩机的低负荷运行，收到了较好的效果。以下对有关情况作一总结。

1 循环气压缩机概况

工艺流程：从甲醇洗涤塔(T3001)底出来的富H2S甲醇液减压后进入1#闪蒸分离罐(V3002)，闪蒸出溶解在甲醇液中的H2和CO2(含少量CH3OH、N2、H2S、CH4、CO)，与2#闪蒸分离罐(V3003)出来的H2和CO2(含少量CH3OH、N2、H2S、CH4、CO)以及液氮洗系统返回的H2合并后进入循环气压缩机，循环气压缩机入口气中H2含量41.93%、CO2含量51.77%，提压后并入低温甲醇洗系统入口变换气中予以回收利用。

设备参数：循环气压缩机为卧式往复式压缩机，为两级两气缸结构(一级1个气缸、二级1个气缸)，采用旁路调节方式调节流量，由电机拖动，配套电机功率为630 kW；设计额定排气量8 700 m3/h(标态，下同)、最大排气量10 005 m3/h、最小排气量5 220 m3/h；吸气压力0.9 MPa、排气压力3.6 MPa，吸气温度-29.38 ℃、排气温度40 ℃。

2 循环气压缩机运行情况

开阳化工循环气压缩机于2013年1月投运，在其10 a来的运行中，由于设计额定排气量偏大(系统满负荷运行时实际排气量平均为5 000 m3/h，设计额定排气量为实际排气量的174%)，系统满负荷运行时，其回流阀长期保持25%以上的开度，部分气体循环压缩，循环气压缩机效率低；而在系统半负荷(单台气化炉)运行时，因排气量小(单台气化炉运行时其实际排气量约为3 300 m3/h)，循环气压缩机难以满足启动条件，此部分循环气只能排放至火炬燃烧，不仅造成能源浪费、生产成本增加，而且CO2排放增加不利于环境保护。

2021年循环气压缩机运行时间及耗电量统计情况表明，全年系统满负荷运行316 d，在此期间，循环气压缩机排气量为4 300～5 000 m3/h，电能消耗达379.2×104kW·h，折合日耗电12 000 kW·h、小时耗电500 kW·h；全年系统半负荷运行17 d，循环气压缩机不满足启动条件，约3 300 m3/h循环气只能放空至火炬燃烧，17 d共浪费循环气134.6×104m3，循环气中H2约占41.93%，折合浪费H256.44×104m3，生产吨氨耗H2以1 977 m3(理论值)计，2021年系统半负荷运行时因循环气压缩机不满足启动条件共少产液氨约285.5 t。

3 改造方案

3.1 循环气压缩机流量调节方法对比

往复式压缩机常用的流量调节方式主要有旁路调节、部分行程压开进气阀调节、转速调节和余隙调节：① 旁路调节，是使压缩机出口多余气体经旁路调节阀返回压缩机入口，该法操作简单，但调节范围相对较小，回流的气体重复压缩，不仅增加电机功耗，还需消耗大量的循环冷却水来降低回流气体的温度(开阳化工循环气压缩机采用此种调节方法)；② 部分行程压开进气阀调节，利用进气阀的特殊结构，在一个特定时间点将气缸内压缩前的多余气体返回至压缩机入口，从而实现流量调节，该法气体阻力损失大、系统复杂、控制精度高、操作繁琐，气阀维修更换频繁，运行维护费用高；③ 转速调节，通过改变压缩机的转速来调节排气量，一般适用于内燃机或汽轮机驱动的压缩机组，电机驱动的压缩机组一般采用变频技术调节，但大功率高压变频器价格昂贵，目前很少采用，此外，转速调节极易造成机组润滑不充分、部件磨损加剧、振动增大等；④ 余隙调节，是在压缩机气缸上除固定余隙容积外另外在气缸盖处设一定的空隙，调节时接入气缸工作腔，使余隙增大，容积系数减小，排气量降低，此法的优点是改造简单，仅更换缸盖，不改变压缩机主体结构及控制系统，采用气动驱动，不用设置液压油站，不需要三相动力电源，可最大限度减少现场电缆和管线敷设，改造成本低，流量调节范围广，可实现高达40级的自动调节，缺点是需手动调节。

综上所述，开阳化工低温甲醇洗系统循环气压缩机最小排气量(单台气化炉运行时实际排气量平均仅约3 300 m3/h)为设计额定排气量的37.9%左右，气量调节范围为30%～70%，余隙无级调节方式可满足生产所需，且只需在轴侧气阀处压阀罩增加30%的固定余隙以降低气量，改造最为简单，改造费用低。

3.2 余隙调节原理

余隙调节原理为，往复式压缩机气缸内余隙容积的大小与排气量成反比(相同压力、温度条件下，余隙容积越大，排气量越小，电机轴功率越小；余隙容积越小，排气量越大，电机轴功率越大)，通过控制仪表空气电磁阀的通断控制执行机构内部若干气囊的开启和关闭，改变余隙容积的大小，从而调节排气量。简言之，通过调节余隙容积的大小可以达到调节往复式压缩机打气量和减少电机功耗的目的。

4 改造步骤

余隙调节系统主要由执行机构、PLC控制柜、管路系统、电缆系统和DCS组成；其中，执行机构主要由标准气缸部件、高强度连接件、缸体和法兰等组成，PLC控制柜由接线箱、电磁阀和气路管件等集成一体。余隙调节系统主要技术参数：调节范围35%～75%，气量调节精度≤2.0%；DCS控制；液压系统电磁阀及用电元件控制电压24 VDC，控制气源为仪表空气，气动元件工作压力为0.6 MPa。

循环气压缩机增设余隙调节系统之改造步骤：① 按照操作规程对循环气压缩机进行置换、吹扫等工作，以满足现场安全施工要求，避免因工艺介质溢出而发生爆炸、中毒、窒息等人身伤害事故；② 拆除循环气压缩机缸盖及缸盖螺柱；③ 清理循环气压缩机与执行机构配合面，安装密封垫片或胶圈；④ 安装螺柱和执行机构，按照各级执行机构图纸接口方位确定执行机构的安装方位，确保执行机构安装水平、对中后，缓慢装入气缸，螺柱须用扭力扳手依次上、下、左、右对称分3次以上安装紧固力矩进行紧固；⑤ 以方便操作、就近执行机构和方便检维修为原则，据现场实际情况安装现场PLC控制柜；⑥ 管线安装及清洗，所选用不锈钢无缝管内壁须光洁、无腐蚀、无氧化皮、无夹皮等缺陷，管线接头处应光滑平整(不应有毛刺)，所有管路在焊接后须酸洗、中和、吹干，然后进行二次安装，并将原缸盖上、下冷却水管线连接到执行机构上、下冷却水管接口；⑦ DCS及执行机构调试，电磁换向阀分别进行空载换向，确认电气动作是否正确、灵活且符合动作顺序要求；⑧ 调节信号接入DCS，增加DCS操作画面，实现远程调节功能。

5 节能效果

开阳化工2台循环气压缩机一开一备，2022年4月对循环气压缩机备机进行改造(先行技改1台循环气压缩机，视其运行情况再确定是否择机对另一台循环气压缩机进行技改)，增设余隙调节系统，投运后，循环气压缩机运行稳定，机组振值较改造前变小，完全可以满足不同负荷条件下的稳定运行。2台气化炉运行时改造前(2022年3月)与改造后(2022年5月)循环气压缩机运行数据的对比见表1。可以看到，改造后低温甲醇洗系统循环气压缩机回流阀开度由25%以上关至0%，由于没有回流气体，循环气压缩机入口气温度降低28 ℃以上，出口气温度下降20 ℃左右，提高了循环气压缩机的效率与运行的安全性，日耗电量减少约4 000 kW·h。另外，单台气化炉运行时循环气压缩机也可启动正常运行，且回流阀能够完全关闭，达到了回收H2和节约电能的目的。

表1 改造前后循环气压缩机运行数据的对比

6 效益分析

循环气压缩机增设余隙调节系统，其改造费用约50万元。按全年合成氨装置运行330 d，气化炉双炉运行300 d、因气化炉检修等单炉运行30 d计，改造效益分析如下。

(1)气化炉双炉运行时的节电效益。气化炉双炉运行时，日节电约4 000 kW·h，电价以0.53元/(kW·h)计，全年节电效益为4000×300×0.53÷10000=63.6万元。

(2)气化炉单炉运行时回收H2产生的效益。气化炉单炉运行时，循环气量为3 100～3 400 m3/h，以3 300 m3/h计，循环气中H2含量约41.93%，全年气化炉单炉运行时可回收H2量3300×24×30×41.93%=996 256.8 m3，回收的H2可增产液氨996256.8÷1977=503.9 t，2022年1—5月液氨平均市场价格为4 958.4元/t，则回收H2增产液氨的销售收入为503.9×4958.4÷10000=249.85万元；气化炉单炉运行时，循环气压缩机日耗电约7 600 kW·h，电价以0.53元/(kW·h)计，电费为7600×30×0.53÷10000=12.08万元。扣除循环气压缩机消耗的电费，全年气化炉单炉运行时回收H2产生的效益为249.85-12.08=237.77万元(改造前，气化炉单炉运行时循环气压缩机不具备启动条件，这部分循环气直接排放至火炬燃烧；改造后，这部分循环气得到回收，只需消耗循环气压缩机的电能，回收气体生产的液氨不需要除去生产成本或增加的生产成本可忽略不计，只需除去电费即可)。

7 结束语

开阳化工针对合成氨装置低温甲醇洗系统循环气压缩机电耗高以及低负荷下不能启动运行的问题进行深入分析，通过对比往复式压缩机流量调节方法，对循环气压缩机进行了增设余隙调节系统的改造，实现了循环气压缩机出口气的“零回流”，降低了电耗，且循环气压缩机低负荷下(气化炉单炉运行时)也能启动运行，增产了合成氨，减排了CO2，助力了合成氨装置的优质运行，经济效益和社会效益明显，本项节能改造非常成功。现阶段日常生产中运行已技改的循环气压缩机，未技改的循环气压缩机作为备机(计划2024年对其进行同样的技改)。实践表明，余隙无级调节技术具有高安全性、高可靠性、高性价比的优点，技改投资少、实施易、效果好，可实现往复式压缩机的节能降耗。