合成氨装置离心压缩机改造经验-行业资讯

    二十世纪七十年代我国引进了十多套日产千吨的合成氨装置，近年来我公司承担了其中数套装置的增产节能技改项目。占地不变，定员不增，投资较少，用一个月大修期完成了压缩机的技术改造，日产合成氨达到1500吨，收到了明显的经济效益。本文以其中某装置为例，介绍工艺空气压缩机和合成气压缩机的改造经验。
1. 工艺空气压缩机改造方案
1.1 原引进机组情况
    73年引进的该压缩机为两缸四段压缩，型号为5CK57+7CK31，低压缸共5级分两段，高压缸共7级分两段，低压缸和高压缸间设齿轮增速箱。机组设三个段间冷却器和一套油系统（与105J/JT氨压缩机组公用）。正常工况时，第四段排气量为 48 419 kg/h，一段进气压力为0.091MPa.A，四段排气压力为3.42MPa.A，轴功率 7437 kW。机组由DELAVAL公司制造。
    驱动机为中压背压式汽轮机，型号为KJWV-DF，叶轮共8级，进汽压力为3.77MPa.A，温度321℃，冷凝压力114mmHg.A。正常工况时，耗汽量为37.4 T/h，汽耗率5.03kg/kW.h。汽轮机的额定功率为 9765kW。
1.2 已改造情况
    95年节能增产技改时，由国内制造厂对压缩机高、低压缸的内件进行了更新。原13级叶轮仅第一、第二级为三元流叶轮，此次改造已全部更换为三元流叶轮，并改造了隔板、气封等内件。四段出口气量达到57 320kg/h（湿基）。改造后满足了氨日产1150吨的要求，整机多变效率提高了5个百分点，轴功率 8117 kW。汽轮机及其它的辅机未改动。改造后，压缩机组的实际性能达到美国KBR公司可研报告的数据：轴功率8400kW，汽轮机的汽耗5.2kg/kW.h，中压蒸气4.04 MPa.A、363℃用汽量为43.68T/h。
1.3 改造方案
     本次技改按美国KBR公司流程，四段排气量要求达到73 760 kg/h（湿基），排气压力3.672 MPa.A，进口空气温度35℃，相对湿度75%。为使改造后的工艺空气压缩机有足够的富裕量，相对湿度按82%，空气流量富裕量按10~15%考虑。
      本机组改造有两个方案。一是改造现有机组，二是并联一台电机驱动离心压缩机。表1从一次性投资、运行费、改造工作量和风险性四方面对两方案作了对比。方案的报价分别取自相关公司的初步报价，备件费系估计价。
多轴式离心压缩机比常规的单轴式离心压缩机效率高、价格低的原因是：
各级叶轮可在最佳转速下运转，同时叶轮直径和转速能最佳匹配，因此保证了各级叶轮的高效率。而单轴式压缩机则只有一种或两种转速。
    每级叶轮悬臂安装，轴向进气，流动状态比单轴式压缩机均匀，提高了级效率。
每级叶轮压比高。工艺空气压缩机的总压比为37.8，多轴式压缩机仅用6个叶轮，单轴式压缩机要12个叶轮，因此造价降低。
1．4关于并联多轴式离心压缩机的进一步说明
（1）离心压缩机气量调节最经济的方法是改变转速，其次是可调入口导叶、进气节流、排气节流、打回流（经济性递减）。由于本次改造中并联的压缩机是用电动机驱动，大功率电机用变频器调转速投资太高，用液力偶合器费用也高，还有功率损失。因此，通常是电动的压缩机全气量运行，负荷调节仅由汽轮机驱动的机组承担。如汽动式压缩机的气量减少得太多，接近压缩机喘振线时，则采用调节另一台电动式压缩机的入口导叶来实现。多轴式压缩机的优点是每级叶轮前部便于安装可调进口导叶，在保证恒定的出口压力下，稳定运行范围扩大，而功率损失很小。
（2）近十年来，多轴式离心压缩机才在我国开始大量使用。但这是一种成熟可靠的老机型。1947年德国的DEMAG公司研制成功世界第一台多轴式四级离心压缩机，1948年取得了专利权。1968年专利到期，世界上主要的离心压缩机厂竞相开始制造。八十年代初，沈阳鼓风机厂引进了日立公司DH系列多轴式四级离心压缩机制造技术，目前已经生产近200台。但用于合成氨装置的工艺空气压缩机总压比高，需采用多轴式六级离心压缩机，目前我国还不能制造。现在我国已在数套合成氨装置上采用了多轴式离心压缩机，已有十年成功的工业运行经验。可以认为，选用此机型是可靠的。
（3）多轴式离心压缩机制造厂多，能形成竞争局面，与独家制造厂承担旧机组改造相比，价格可大幅下降。对多轴式六级离心压缩机可供选择的制造厂有：DEMAG、GHH、Atlas-Copco、神户制钢等。
2. 合成气压缩机改造方案
2.1 原引进机组情况
原引进的压缩机由两缸直联而成，低压缸型号为2BC9，共有9级叶轮；高压缸型号为2BF9-8，前7级叶轮为后段，和第8级叶轮为循环段。压缩机由DRESSER-CLARK 公司制造。驱动汽轮机由DELAVAL公司制造，由高压背压式汽轮机和中压冷凝式汽轮机串联而成，前者为2   级，后者为6级。
正常工况下的总轴功率为15110 kW。高压背压式汽轮机进汽压力9.8 MPa.G，440℃，进汽量246.7T/h，排汽压力3.82 MPa.G；中压冷凝式汽轮机进汽压力3.75 MPa.G，321℃，进汽量13.4T/h，冷凝压力0.0135 MPa.A。
2.2 已改造情况
88年6月节能技改时，在103-J压缩机入口增设了氨冷器1115-C，降低了压缩机进气温度，达到节能增产的效果。1989年5月，因循环量减少，对压缩机循环段叶轮进行了改造。95年5月，将高压汽轮机103/JAT的转子由二级改为三级，每级焓降减小，提高了汽轮机的效率，并满足了合成氨增产15%的要求。
2.3 改造方案
本次技改，按KBR公司的工艺方案，合成回路的循环气量减小至273.8T/h，合成回路的压降由原来的1.54 MPa降到1.1 MPa，使循环段的功率减少。一段补充气质量流量与1000MT/D氨能力相比增加50%，但入口气体先经过1115-C氨冷器降温，使进压缩机的气体温度从原设计的37.8℃降为9℃，在相同质量流量、相同压比、相同效率的条件下，轴功率可节省9.3%。因一段进气的体积流量比原设计条件增加约36.1%，压缩机不改转子，仅提高转速已不能胜任，因此本压缩机低压缸和高压缸的转子、隔板、联轴器将更换新的。由于新转子可用高效率的三元流叶轮，加上入口气经氨冷降温和循环气量减少，循环段压升的降低等三项节能措施，氨产量从日产千吨增至日产1.5千吨后，合成气压缩机正常工况时的轴功率仅从原15 110 kW增至16 513 kW，仅增加9.3%。
目前，103JAT高压汽轮机的额定功率为14 036 kW，103-JBT中压汽轮机的额定功率为5595 kW，总额定功率为19 631 kW，已达到正常工况压缩功率的1.19倍。蒸汽条件与原设计变化又不大，因此这两台汽轮机完全不需改造。
压缩机的改造有两种途径。一是由原制造厂承担内件转子、隔板等部件的改造，因原制造厂保留有该压缩机的全套零部件加工的原始记录，可保证新加工的内件与现有缸体的正确配合，避免现场组装时的再加工，缩短组装时间，确保在一个月大修停车期间完成压缩机的改造。不过，由独家制造厂承担改造任务，费用居高不下，我方处于被动地位，为此，可以引入竞争机制。合适的竞争者可选三菱重工，理由如下：
七十年代引进的美型合成氨装置的合成气压缩机由美国DRESSER—CLARK公司制造；而日型合成氨装置的合成气压缩机是由日本三菱重工（MHI）公司制造，两家公司均采用美国CLARK公司的技术。后来DRESSER-CLARK公司与Ingersoll—Rand公司合并，更名为DRESSER—RAND。八十年代三菱重工（MHI）与DRESSER—RAND各出资50%，组建合资公司MD-R公司。因此三菱重工至少可以完全按美型合成气压缩机的安装尺寸制造节能型合成气压缩机的低压缸和高压缸。由此可见，由两家制造厂来竞争合成气压缩机的改造对我们十分有利。
3.结束语
该项目去年底投产，工艺空气压缩机和合成气压缩机运行正常，装置改造已达到预期的目的，经济效益十分显著。工艺空气压缩机的改造采用并联电动多轴式离心压缩机的方式，改造工作量少、风险小、投资省，是最经济合理的方案，目前已在数套日产千吨合成氨装置的增产节能技改项目中采纳。至于合成气压缩机的改造，是由原制造厂承担内件的改造，还是由几家制造厂投标更换新的高低压缸，还有待实践检验。

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