大型合成氨裝置空氣壓縮機(jī)控制方案總結(jié)

楊德林，許明洪，彭衛(wèi)東

（青海鹽湖工業(yè)股份有限公司化工分公司，青海格爾木 816000）

大型合成氨裝置空氣壓縮機(jī)控制方案總結(jié)

楊德林，許明洪，彭衛(wèi)東

（青海鹽湖工業(yè)股份有限公司化工分公司，青海格爾木 816000）

從大型合成氨裝置空氣壓縮機(jī)試車階段實(shí)際經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，介紹機(jī)組所運(yùn)用的負(fù)荷控制系統(tǒng)，防喘振控制系統(tǒng)等控制方案的特點(diǎn)，給國(guó)內(nèi)大型機(jī)組的試車運(yùn)行提供借鑒。

負(fù)荷控制；防喘振控制；壓縮機(jī)

青海鹽湖工業(yè)股份有限公司化工分公司化肥廠合成氨一期裝置需要21km3／h左右的空氣，空氣壓縮機(jī)將空氣壓縮到3．65MPa后通過(guò)空氣加熱爐加熱到520℃，進(jìn)入二段轉(zhuǎn)化爐進(jìn)行造氣反應(yīng)。另外，尿素裝置為防止設(shè)備和管道腐蝕，要求原料CO2中氧氣含量不低于0．5%（體積濃度），所以還要從空壓機(jī)的三段出口抽出1 172m3／h的空氣去CO2壓縮機(jī)。

裝置使用的空氣壓縮機(jī)是德國(guó)Atlas制造的一臺(tái)離心式壓縮機(jī)，共五段六級(jí)。其壓縮工藝流程如圖1所示。我廠合成氨裝置從2009年3月開始空氣壓縮機(jī)試運(yùn)行，到2010年1月正式投入使用，歷時(shí)10個(gè)月。現(xiàn)就壓縮機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)修改變更，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)試運(yùn)行后做出的控制方案總結(jié)如下。

1 空氣壓縮機(jī)負(fù)荷控制系統(tǒng)

大部分離心式壓縮機(jī)的控制方式基本與離心泵的控制方案相似，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，我合成氨裝置空氣壓縮機(jī)采用了改變?nèi)肟趯?dǎo)葉加6級(jí)出口放空的方法實(shí)現(xiàn)負(fù)荷控制。這種控制方案既減小了由出口放空帶來(lái)的能耗損失，又解決了調(diào)節(jié)氣量的控制負(fù)荷問(wèn)題，對(duì)壓縮機(jī)的負(fù)荷控制非常實(shí)用。如圖2所示，需要調(diào)節(jié)負(fù)荷的時(shí)候首先調(diào)節(jié)出口放空閥FV04205來(lái)配比負(fù)荷所需要的空氣量。為了降低能耗，減少損失，在6級(jí)出口放空閥調(diào)節(jié)過(guò)程中通過(guò)手動(dòng)改變1級(jí)進(jìn)口導(dǎo)葉HIC04201的開度來(lái)配合氣量大小，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的控制。在旁路放空時(shí)，氣體經(jīng)過(guò)多級(jí)壓縮后，因壓縮比很大出口壓力已很高，此時(shí)不宜從末端出口與入口直接旁路，因?yàn)檫@樣做，能量消耗太大，閥座在高壓差下磨損也很快，故宜采用分段放空。

2 防喘振控制系統(tǒng)

離心式壓縮機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)負(fù)荷下降到一定數(shù)值時(shí)，排送氣體會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈的振蕩，機(jī)身也隨之發(fā)生劇烈振動(dòng)，這種現(xiàn)象稱之為喘振。

而喘振產(chǎn)生的原因要從離心式壓縮的過(guò)程特性上去找。離心式壓縮機(jī)的壓縮比（壓縮機(jī)出口壓力p2與入口壓力p1之比，p2／p1）與進(jìn)口氣體體積流量Q之間的關(guān)系曲線如圖3所示。在不同轉(zhuǎn)速n下，各駝峰點(diǎn)連線的軌跡近似于一條拋物線，這條線就是所謂的喘振邊界線，如圖中虛線所示。由圖3可以看出，在某一轉(zhuǎn)速下當(dāng)流量減小到駝峰值以下時(shí)就會(huì)發(fā)生喘振。

圖1 合成氨裝置空氣壓縮機(jī)工藝流程圖

圖2 負(fù)荷控制方案

圖3 離心式壓縮機(jī)特性曲線

為安全起見，在這條線的右側(cè)考慮有一定余地再作一條拋物線，稱之為安全線，如圖4所示，讓壓縮機(jī)工作在安全線右側(cè)就可避免喘振的發(fā)生。

圖4 離心式壓縮機(jī)的安全線

除上述介紹流量變小造成離心壓縮機(jī)喘振外，被壓縮氣體的吸入狀態(tài)，如分子量、溫度、壓力等的變化，也是造成壓縮機(jī)喘振的原因，它們的影響如圖5所示。

圖5（a）表明，當(dāng)被輸送氣體分子量增大時(shí)，往往會(huì)引起喘振。所以離心式壓縮機(jī)使用時(shí)，規(guī)定了按工藝要求的參數(shù)指標(biāo)。除氣體分子量變化對(duì)喘振影響外，氣體入口溫度變化也會(huì)影響壓縮機(jī)的喘振，圖5（b）表明，隨著氣體入口溫度下降，壓縮機(jī)易進(jìn)入喘振區(qū)。

一般在正常情況下，壓縮機(jī)的喘振是因?yàn)樨?fù)荷的減小，使被輸送氣體的流量小于該工況下特性曲線喘振點(diǎn)流量QB所致。因此，只能在必要時(shí)采用部分回流或者放空的辦法，使之既適應(yīng)工藝低負(fù)荷生產(chǎn)的要求，又滿足流量大于最小極限值（既喘振點(diǎn)流量QB）的需要。當(dāng)然，只采用部分氣體循環(huán)返回或者放空防喘振的做法，從能量消耗的角度看是不經(jīng)濟(jì)的，所以，在減小負(fù)荷的時(shí)候，配合入口導(dǎo)葉來(lái)解決能耗大的問(wèn)題。

圖5 壓縮氣體對(duì)壓縮機(jī)性能的影響

因此，我合成氨裝置防喘振控制方案，就是在最高固定轉(zhuǎn)速下使壓縮機(jī)的流量始終保持大于最大轉(zhuǎn)速下喘振點(diǎn)的流量值。即采用固定極限流量防喘振，如圖6所示。這樣，壓縮機(jī)就不會(huì)產(chǎn)生喘振。其控制系統(tǒng)如圖7所示，如果測(cè)量值大于QB，則旁路調(diào)節(jié)閥完全關(guān)閉；如果測(cè)量值小于QB，則將旁路調(diào)節(jié)閥打開，使一部分氣體放空，直到壓縮機(jī)流量達(dá)到QB為止，以達(dá)到防喘振的目的。

這種方案的優(yōu)點(diǎn)是控制簡(jiǎn)單，使用儀表少，系統(tǒng)可靠性高，所以大部分壓縮機(jī)采用這種控制方案。其缺點(diǎn)是在轉(zhuǎn)速降低、壓縮機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，極限流量的裕量顯得過(guò)大而造成能量浪費(fèi)大，無(wú)疑會(huì)增加運(yùn)行費(fèi)用。如果壓縮機(jī)負(fù)荷經(jīng)常在大于QB的狀態(tài)下操作，那么采用此種方案是適宜的，因?yàn)檫@種系統(tǒng)簡(jiǎn)單。

圖6 固定極限流量防喘振特性曲線

圖7 防喘振控制方案

若壓縮機(jī)入口壓力和溫度波動(dòng)較大，那么發(fā)生喘振的極限流量QB也將發(fā)生變化。這種情況下就要對(duì)出口流量進(jìn)行溫壓補(bǔ)償。

3 壓縮機(jī)油路系統(tǒng)及真空冷凝系統(tǒng)的控制

3．1 壓縮機(jī)油系統(tǒng)

合成氨裝置的空氣壓縮機(jī)組供油系統(tǒng)為集中油站，主要提供壓縮機(jī)潤(rùn)滑用油，汽輪機(jī)潤(rùn)滑用油，汽輪機(jī)調(diào)節(jié)用油。須通過(guò)油過(guò)濾器過(guò)濾，過(guò)濾精度要求為小于10μm。潤(rùn)滑油45（＋3～－2）℃；調(diào)節(jié)控制用油43～60℃。油系統(tǒng)配有4臺(tái)油加熱器，每臺(tái)功率為3．75kW。油溫若低則應(yīng)加熱至合格為止。

油系統(tǒng)共有兩臺(tái)油泵，即主、輔油泵。主油泵由大齒輪驅(qū)動(dòng)；輔油泵由電機(jī)驅(qū)動(dòng)。壓縮機(jī)正常運(yùn)行期間使用主油泵，主油泵有故障時(shí)，以及壓縮機(jī)啟動(dòng)和停車時(shí)使用輔油泵，主輔油泵做到自動(dòng)切換。油系統(tǒng)的控制中對(duì)輔油泵進(jìn)行了自動(dòng)控制，條件如下。

（1）油箱液位不低并且在轉(zhuǎn)速低報(bào)警的時(shí)候，如果按下聯(lián)鎖畫面中“啟動(dòng)”按鈕，輔油泵將啟動(dòng)。

（2）壓縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下只要轉(zhuǎn)速低于低報(bào)警值，輔油泵將啟動(dòng)。

（3）壓縮機(jī)停機(jī)后輔油泵將繼續(xù)運(yùn)行，16h后才自動(dòng)停止。

（4）壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)，只要潤(rùn)滑油和控制油中有一項(xiàng)達(dá)到低報(bào)警，輔油泵將啟動(dòng)。

（5）因第（1）和第（4）條因素致輔油泵運(yùn)行時(shí)，根據(jù)實(shí)際需要可以按下聯(lián)鎖畫面中的“停止”按鈕，停止輔油泵。

3．2 壓縮機(jī)真空冷凝系統(tǒng)

真空冷凝系統(tǒng)在機(jī)組中執(zhí)行冷源任務(wù)，系將凝汽式汽輪機(jī)的排汽凝結(jié)成水，并帶走蒸汽凝結(jié)時(shí)放出的熱量，建立和維持汽輪機(jī)排汽口的真空，使進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽膨脹到盡可能低的有利壓力，增加蒸汽的可用焓降；并將凝結(jié)水重新送入鍋爐，作為鍋爐的給水，循環(huán)使用，從而提高整個(gè)裝置的熱經(jīng)濟(jì)性。結(jié)合實(shí)際及真空冷凝系統(tǒng)的任務(wù)，我裝置壓縮機(jī)組真空冷凝系統(tǒng)給出以下控制方案，如圖8所示。

圖8 真空冷凝系統(tǒng)控制方案

真空冷凝系統(tǒng)的控制主要通過(guò)控制出口閥LV6521和回流閥LV6520及冷凝水泵J0402A／B來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于主冷凝器的液位，配置一塊液位變送器和兩只液位開關(guān)LSH523和LSL525。我們將主冷凝器的液位給定值設(shè)為50%，控制如下。

（1）當(dāng)主冷凝器液位超過(guò)設(shè)定值SP時(shí)，調(diào)節(jié)閥LV6521開大，LV6520關(guān)小。

（2）當(dāng)主冷凝器液位低于設(shè)定值SP時(shí)，調(diào)節(jié)閥LV6521關(guān)小，LV6520開大。

（3）當(dāng)主冷凝器液位高報(bào)開關(guān)LSH523報(bào)警時(shí)（紅色），冷凝水泵備用泵自啟動(dòng)。

（4）當(dāng)主冷凝器液位低報(bào)開關(guān)LSL525報(bào)警時(shí)（紅色），冷凝水泵備用泵自停止。

4 抽氣系統(tǒng)

抽氣器的任務(wù)是將處于負(fù)壓的汽輪機(jī)凝汽器及管道的不嚴(yán)密處漏入凝汽器側(cè)的空氣不斷地抽出，以保持凝汽器的真空和良好的傳熱。

抽氣系統(tǒng)的控制主要由流量控制和壓力控制組成。在控制系統(tǒng)作用的時(shí)候，首先用流量控制中的流量設(shè)定百分比調(diào)節(jié)至使抽氣壓力稍大于外管壓力0．1～0．2MPa。流量百分比設(shè)定值一般在80左右。然后選擇壓力控制，設(shè)定值一般為3．9MPa。抽氣系統(tǒng)控制的難點(diǎn)主要在參數(shù)的設(shè)置上，它一定要配合系統(tǒng)管網(wǎng)的壓力。

綜上所述，我合成氨裝置空氣壓縮機(jī)的控制方案中空氣壓縮機(jī)防喘振控制，采用放空的方法防止空壓機(jī)的喘振；壓縮機(jī)的負(fù)荷采用手動(dòng)遙控入口導(dǎo)葉加出口放空的控制方案。在空氣壓縮機(jī)運(yùn)行過(guò)程中充分發(fā)揮了這些控制方案的優(yōu)勢(shì)，使壓縮機(jī)能夠平穩(wěn)、安全地運(yùn)行并且保證了送往合成氨裝置的工藝空氣合格穩(wěn)定，進(jìn)一步為合成氨裝置的連續(xù)、平穩(wěn)、安全生產(chǎn)提供了保障。結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，作出以上總結(jié)，希望能給國(guó)內(nèi)大型機(jī)組的試車運(yùn)行提供借鑒。

Summary for Air Compressor Control Scheme in Large－Scale Ammonia Plant

YANG De－lin，XU Ming－h(huán)ong，PENG Wei－dong

（The Chemical Branch Company of Qinghai Salt Lake Industry Co．，Ltd．，Golmud Qinghai 816000，China）

From the practical experience of large－scale ammonia plant air compressor unit during test stage，introduce the characteristics by the use of load control system，anti－surge control program．Provide a good reference to the large domestic unit for test runing．

load control；anti－surge control；compressor

TH452

B

1003－6490（2012）03－0044－04

2012－05－04

楊德林（1980－），男，青海樂(lè)都人，助理工程師，現(xiàn)為青海鹽湖工業(yè)股份有限公司化工分公司尿素一車間自控技術(shù)員。