氨合成气压缩机组氮气循环开车方案设计及优化

张 磊 李永华 孙洪玉 张晓晖

(1. 大连理工大学化工机械学院；2. 锦西天然气化工有限责任公司)

离心式压缩机已广泛应用于合成氨项目中，根据合成氨生产工艺，离心式压缩机一般包括合成气压缩机、氨压缩机和与合成氨配套的尿素用二氧化碳压缩机[1]。某化工厂的氨合成气压缩机组为多级离心式压缩机，它以合成气(74.81%的H2、24.94%的N2、0.25%的Ar)为工质进行设计，分两缸四段十六级，第一、二段属于低压缸，第三、四段属于高压缸。以往，氨合成装置每次冷态开车时，合成回路需要用合成气预热，达到催化剂起活温度，此时所有工艺气放空，时间长达16h，延长了装置开车时间，也造成了合成气的大量浪费，合成装置停车时也存在着同样的问题。

目前，针对离心式压缩机变工况相似换算方面，文献[2～4]介绍了相似理论在离心式压缩机中的应用，基于试验数据浅析了保持进/出口比容比不变和保持马赫数相同两种性能换算方法。文献[5]研究了不同气体绝热指数不同对压缩机性能的影响。但是，将相似理论运用到工程实际中制定技改方案的介绍甚少。

笔者为缩短开车时间、减少氨合成气的浪费，提出合成热回路氮气循环升/降温技改项目，并通过相似理论模化设计和程序模拟优化分析，制定了氨合成气压缩机组氮循环开车方案。

1 相似分析及关键技术参数确定

氨合成装置开车改用氮气循环升温仍采用原工艺流程和设备。升温期间，氮气在合成回路中循环利用，由氨合成气压缩机组提供动力。保证氨合成气压缩机组在氮气循环下稳定运行的升温操作方案是该项目能否实施的关键。

1.1相似分析

氨合成气压缩机组采用氮气循环开车，属于同台压缩机变工况性能换算。为了尝试采用离心压缩机的模化设计法，首先应对两种工况进行相似分析，将合成气压缩过程作为模型机，氮气压缩过程作为相似机，分析两机相似的条件[6](在以下的分析计算中，模型机的所有参数均加“′”表示，相似机参数则不加)：

a. 几何相似。由于是同台压缩机变工况性能换算，几何相似自动满足。

b. 运动相似。一般而言，只要满足叶轮入口的速度三角形对应相似就可以满足运动相似的要求，因为两个压缩过程是同台压缩机，且叶轮入口角度不变，故认为两机运动相似。

d. 热力相似。两个离心压缩过程的热力相似条件为绝热指数相等，依据热力学计算[4]，k=1.400，k′=1.408，所以近似认为两个压缩过程热力相似。

从以上分析可知，欲采用模化设计法计算氨合成气压缩机组在氮气循环时的工艺参数，必须是基于特征马赫数相等的相似换算。

1.2基于特征马赫数相等的压缩机工作转速

查看工厂的操作规程，合成气循环时压缩机的工作转速为11 245r/min，如前述，氮气压缩过程与合成气压缩过程若要满足动力相似条件，则有n==58%n′，所以，氮气循环的工作转速：

n==58%·n′=58%×11245=6522r/min

对于挠性轴，为防止共振，必须满足：

n>1.4n1=1.4×4600=6440r/min

其中，n1是合成气压缩机组第一临界转速，氮气循环时合成气压缩机的工作转速n=6522r/min，满足防止共振的要求。

2 氮气循环时合成气压缩机工艺参数的确定

查看工厂的操作规程，合成气循环时压缩机各段的状态参数见表1。

表1 合成气循环时压缩机各段的状态参数

2.1合成气压缩机入口流量确定

依据相似理论，氮气循环时压缩机的入口流量为：

=2820m3/h

2.2合成气压缩机入口压力确定

采用氮气对合成热回路进行循环升温，压缩机四段的增压主要用来克服合成热回路的阻力，合成热回路约经过15台次设备，设每台设备压力降约为0.02MPa。为防止喘振的产生，第四段压缩机进出口压差应不小于0.30MPa，即：

p4出-p4入≥0.30MPa

经过工艺参数计算，氨合成气压缩机组在氮气循环时的进口压力应大于0.50MPa。

2.3氨合成气压缩机组其他工艺参数确定

根据离心式压缩机模化设计法，计算氨合成气压缩机组在氮气循环时的其他工艺参数，计算结果见表2。

表2 氮气循环时压缩机各段的状态参数

注：段间冷却器的压降取0.02MPa；除第一段外，其余各段进口温度同合成气循环。

2.4氮气循环时合成气压缩机组功率核算

根据模化设计法：

式中hpol——氮气循环的多变过程功；

htot——氮气循环的总功；

Ntot——氮气循环的功率。

由计算结果可知，合成回路中氮气循环时压缩机做功和功率远小于合成气循环，满足功率要求。

3 模拟计算及优化分析

3.1模拟计算

通过化工计算软件对氨合成气压缩机组各工况进行模拟计算。图1是模拟的氨合成气压缩机组工艺流程图。

图1 氨合成气压缩机组工艺流程

表3给出了厂家提供的设计参数值和合成气循环下压缩机设计工况的模拟计算值。

表3 合成气循环时设计参数和模拟计算值对比

通过对比可以看出厂家提供的设计参数和模拟计算值十分吻合，说明模拟计算结果可信。

笔者运用化工计算软件对氮气循环下的氨合成气压缩机组进行模拟计算，表4给出了氮气循环时氨合成气压缩机组相似换算值和模拟计算值。由表4看出，氮气循环工况下的相似换算值和模拟值之间的偏差不超过2%。

表4 氮气循环计算值和模拟值对比

3.2氮气循环下方案优化

利用化工计算软件模拟不同转速、不同流量工况下氨合成气压缩机组各段状态参数，并进行方案比较与优化：

a. 将方案一流量减少20%，转速不变，称为方案二。模拟计算结果为，由于压缩比增大，各段温升大于方案一，氨合成气压缩机组存在超温的可能性。

b. 将方案一流量增加20%，转速不变，称为方案三。模拟计算结果为，各段温升比方案一减小，但四段出口与入口的压力差Δp4=p4出-p4入=3.442-3.247=0.195MPa<0.300MPa。不能满足克服氨合成热回路阻力的要求。

c. 改变转速为6 848r/min，相当于合成气循环时压缩机组的最高转数速11 807r/min，进口流量与方案一相同，称为方案四。模拟计算结果为，由于压缩比增大，各段温升大于方案一，氨合成气压缩机组存在超温的可能性。

综合比较氮气循环时氨合成气压缩机组的各运行方案，方案一为适宜方案，工艺控制参数见表5。

表5 氮气循环时氨合成气压缩机组的工艺控制参数

4 工程验证

合成氨装置采用氮气循环，氨合成气压缩机组按照方案一给定的工艺控制参数开车运行，机组运行稳定，振动、位移和机组各段轴瓦温度都在正常范围内。极大地缩短了开车时间，大量减少了合成气的浪费，节约成本。

5 结束语

氨合成装置的传统开停车过程会消耗大量的原料气并且耗费较长的时间。针对这一问题，笔者利用相似理论模化设计和程序模拟优化分析对某工厂氨合成装置开停车方案进行了技术改造。通过相似理论模化设计，分析了利用氨合成气压缩机组在氮气循环开车运行时的关键技术参数，在此基础上编制了氮气循环升温的操作方案。利用程序模拟，分析了各个方案的可行性，并选出了最优方案，实际的开车过程验证了所选方案的可行性和经济性，可以为类似的开停车过程提供方案指导，具有借鉴意义。

[1] 魏焕景，唐鸿，马如芬.浅谈大型合成氨项目中离心式压缩机联合厂房的布置[J].化肥设计，2013，51(1)：17～20.

[2] 卿德藩.多级离心式压缩机在不完全相似工况下性能换算及应用[J].现代机械，2002，(2)：33～34.

[3] 朱昌允，秦国良，吴让利.基于试验的离心压缩机两种相似换算的比较[J].风机技术，2011，24(1)：24～27．

[4] 孔宪方，湖滨，张铁柱.相似理论在离心式压缩机变工况中的应用[J].机械工程师，1997，(3)：38～39.

[5] Roberts S K，Sjolander S A.Effect of the Specific Heat Ratioon the Aerodynamic Performance of Turbomachinery[J]. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power，2005，127(4)：773～ 780.

[6] 刘志军，喻健良，李志义.过程机械[M].北京：化学工业出版社，2008：39～41.