甘肃刘化集团有限责任公司合成氨原料气原采用重油非催化部分氧化, 由于重油价格不断上涨, 公司出现严重亏损, 并导致停产半年之久。
2001 年, 公司抓住涩宁兰天然气管网建设的机遇, 对合成氨装置原料路线实施重油改天然气。由于资金不足, 时间紧迫等原因, 公司决定将库存闲置多年的2 台立式氧气压缩机改作天然气压缩机, 并对其可行性进行了分析计算。
1 氧压机主要技术参数和工艺指标
1.1 主要技术参数
型 号 2L Y2120ö5 15244
型 式 立式两级双作用无油润滑压缩机
生产量 7200 m
3/h
气量调节 各级气缸吸入阀自动调节, 调节
范围70%～ 100%
气缸直径 D 1= 385 mm , D 2= 240 mm
活塞行程S 240 mm
活塞杆直径d 80 mm
压缩机转速n 495 röm in
配用电动机 JSZ800212, 800 kW、6 kV 三
相异步电动机
压缩机传动 刚性联轴器
1.2 有关工艺指标
一级吸入压力p s1 0165M Pa
一级排出压力p d1 117～ 118M Pa
二级排出压力p d2 415M Pa
一级进气温度T s1 < 38 ℃
二级进气温度T s2 < 40 ℃
各级排气温度T d i < 150 ℃
2 排气量变化分析
氧气压缩机改送天然气, 由于输送介质性质不同, 会引起排气系数的变化, 从而导致压缩机排气量的变化。我们可通过定性分析确定排气量的变化趋势。
天然气组成为: CH4 97172%～ 99.9% , C2H6 0.06%～ 0.09% , C3H8 0.01%～ 0.07% , N 2 0.07%～ 2.18%。其中, 甲烷占97.7% 以上, 因此甲烷的物性数据完全可以代替天然气的混合物性数据。以下天然气和氧气的比较在相同条件下进行。
2.1 容积系数
天然气的绝热指数较氧气小, 绝热指数减小后, 在相同的气缸余隙容积下, 压缩机的容积系数
减小, 排气量会有所下降。
2.2 压力系数
天然气的重度较氧气小, 重度小的气体, 经过管道和气阀时, 压降较小, 气缸吸气终了压力较高, 即压力系数较大, 故排气量会略有增加。
2.3 温度系数
天然气的导热系数较氧气大, 吸气过程中受热更强烈。温度系数降低, 会导致排气量减小。
2.4 气密系数
天然气的分子量较氧气小, 具有较大渗透性,易泄漏。气密系数减小, 会导致排气量减小。
由以上比较可知, 氧气压缩机改送天然气, 除压力系数有所增加外, 其他系数全部减小。综合各方面因素, 排气系数减小, 在相同工艺条件下,排气量不会增加。
3 氧气压缩机改送天然气的热力核算
由于氧气与天然气的绝热指数K 值的差异,将会导致压缩后气体温升不同, 必须重新确定各级排气温度。又因恒压热容Cp 的差异, 会导致压缩后气体所具有的显热不同, 必须确定各级水冷器能够满足压缩天然气的要求。
3.1 计算各级排气温度T d i
查得天然气绝热指数K = 1.28, 又知压缩机入口天然气温度Ts1’< 30 ℃, 故一级排气温度T d1、二级排气温度Td2 分别为:
查得氧气绝热指数K = 1.40。同理可知压缩机输送氧气时一级排气温度为143 ℃, 二级排气
温度为142 ℃。
3.2 计算各级压缩气体获得的热量Qi
由排气量变化分析知道, 氧气压缩机改送天然气, 其他条件不变, 排气量只会降低不可能增大。以排气量不变分别计算天然气和氧气各级压缩时获得的热量, 通过热量大小的比较就可推断各级水冷器能否满足压缩天然气的要求。根据理想气体状态方程, 将压缩机生产量7200 m
3/h 换算为标准状态的气量, 计算得一级压缩天然气获得热量Q1= 9.17×10
5kJ/h , 一级压缩氧气获得热量9.63×10
5 kJ//h; 二级压缩天然气获得热量Q2= 8.54×10
5 kJ/h , 二级压缩氧气获得热量9.5×10
5 kJ/ h。由计算结果可知, 相同排气量下, 各级压缩天然气获得的热量均小于压缩氧气获得的热量。各级水冷器既然能满足压缩氧气的需要就完全能够满足压缩天然气的需求, 且各级水冷器换热面积有富裕。
4 计算轴功率N
压缩机输送的介质不同, 压缩机的轴功率将发生变化。通过计算压缩天然气的实际轴功率就可知道氧压机配用电动机能否满足需要, 同时为电气设计提供可靠依据。
4.1 确定各级气缸行程容积Vt
5 改进措施
在工程设计和安装过程中, 充分考虑天然气的特点, 广泛吸纳有效建议, 采取合理改进措施,确保氧气压缩机改送天然气后安全、平稳、长周期运行。
5.1 压缩机入口设置减压装置
天然气到达合成氨界区压力为0.90M Pa, 而压缩机入口压力要求为0.65M Pa, 我们通过在天然气总管设调节阀组来控制压力, 以满足压缩机入口压力要求。压缩机最终排出压力为4.5M Pa,> 4.3M Pa, 完全能够满足后工序气化炉需要。
5.2 二级水冷器设气体旁路
气化炉中天然气发生转化反应所需能量由部分天然气燃烧提供, 所以, 压缩后进气化炉的天然气不必冷却, 以降低天然气的消耗。故管路设计时, 二级水冷器设气体旁路, 放空气体和循环去压缩机入口的气体经二级水冷器冷却, 去后工序气化炉的天然气经二级水冷器旁路送出。
5.3 增设注油器
因氧气禁油, 原压缩机气缸和填料采用无油润滑。为避免活塞与气缸、填料与活塞杆的干摩擦, 降低摩擦产生的热量, 减小摩擦功率, 降低压缩机功率消耗, 增设高压注油器, 间断为气缸和填料注油。
5.4 增加阻流环泄漏排气孔
在填料函外侧增加阻流环泄漏排气孔, 该孔与压缩机一级入口连通, 使泄漏气体返回压缩机入口, 既回收了泄漏气体, 又避免了天然气外漏产生的不安全因素。
6 确定主要工艺指标
根据上述计算和改进措施, 考虑压缩机性能,确定了天然气压缩机运行的主要工艺指标。
一级吸入压力 0.55M Pa, ≥0.65M Pa 安全阀起跳
一级排出压力 117M Pa, ≥210M Pa 安全阀起跳
二级排出压力 412M Pa, ≥416M Pa 安全阀起跳
一级进气温度 < 30 ℃
二级进气温度 < 40 ℃
各级排气温度 < 110 ℃
润滑油温度 < 45 ℃
主轴承温度 < 65 ℃
电机轴承温度 < 65 ℃
电机定子温度 < 75 ℃
7 运行效果
2001 年底, 2 台立式压缩机按照设计要求同时安装投用, 天然气压缩机排气量超过设计额定值, 最高达到7500m
3/h。一方面是由于最终排气压力只有4.2 MPa, 最终排气压力降低了0.3MPa; 另一方面是由于吸入压力保持在0.55～0.60M Pa 之间, 使吸入压力略有提高, 这是排气量增大的主要原因。2 台天然气压缩机现已安全平稳运行近2 年多, 各项工艺指标均符合要求, 达到了安全、平稳、长周期运行的预期目标。
