氨冰機節能優化研究

尹俊杰,馬如芬

(航天長征化學工程股份有限公司蘭州分公司,甘肅 蘭州 730010)

設置氨冰機的目的是為低溫甲醇洗、氨合成、空分單元提供冷量。離心式壓縮機具有制冷能力大、占地小、運行成本低、連續運行時間長等優點，在大型煤制合成氨裝置中得到廣泛應用。其基本原理是將來自低溫甲醇洗、氨合成、空分單元的氣氨送入氨冰機進行壓縮后，在冷凝器內用循環冷卻水將氣氨冷凝成液氨，再將液氨送往低溫甲醇洗、氨合成、空分單元制冷，進行循環使用。

1 氨冰機工藝流程

典型氨冰機工藝流程見圖1，氨冰機是由離心式壓縮機和汽輪機等組成，開車時將液氨補充進液氨緩沖罐，從液氨緩沖罐出來的液氨一部分送空分和氨合成單元;另一部分液氨經過冷器過冷至-5℃送往低溫甲醇洗單元。來自低溫甲醇洗單元返回的壓力為-0.035MPa(g)、溫度為-35℃的氣氨進入氨冰機后,經過三級壓縮和段間換熱，氣氨壓力為1.70MPa(g)、溫度為116.9℃，經四段出口冷卻器冷卻到50℃，再進入冷凝器進一步冷卻至40℃，此時氣氨已冷凝為液氨，液氨進入液氨緩沖罐進行下一個循環。離心式壓縮機組由全凝式蒸汽透平機驅動，從外管網來的中壓蒸汽(3.82MPa(g)、400℃)進入汽輪機，蒸汽做功后進入凝汽器冷凝，蒸汽冷凝水通過凝結水泵加壓后送至外管網。

圖1 典型氨冰機工藝流程

2 節能優化方案

本文以某合成氨裝置氨冰機為研究對象，通過改變氨冰機操作條件，分析探討氨冰機節能優化的可行性。

在該裝置氨冰機系統中，氨冷凝器和蒸汽凝汽器是循環水用量最大的兩臺設備，目前,這兩臺換熱器的循環水都是來自循環水總管，并聯操作，換熱后再匯入總管，這兩臺設備的規格參數見表1。

表1 氨冷凝器和蒸汽凝汽器設備參數

根據以上參數，對目前氨冰機系統進行節能優化，提出3個優化方案并分別進行討論分析。

2.1 方案一

假設氨冰機出口氣氨壓力(1.7MPa(g))不變，循環水進水溫度(33℃)不變，僅將循環水由并聯改為串聯操作，即來自總管的循環水先經氨冷凝器換熱，再經蒸汽凝汽器換熱后并入總管(流程見圖2)，對氨冷凝器和蒸汽凝汽器并聯和串聯工況進行計算對比，其結果見表2。

表2 方案一中氨冷凝器和蒸汽凝汽器串、并聯計算結果比較

圖2 氨冰機循環水串聯操作流程

經比較發現，該方案的優點如下：循環冷卻水改為串聯操作后，氨冷凝器換熱面積的富裕增加了一倍，主要是換熱器對數平均溫差Δtm增大引起的；而凝汽器基本不變。經HTRI軟件進一步計算，若氨冷凝器保持相同富裕系數，其換熱面積可減少25.5%(換熱管長度可從12m減至9m)。該方案也有缺點：循環冷卻水管徑變大(氨冷凝器循環水由3根DN600改為3根DN900，凝汽器循環水由2根DN600改為2根DN900)，相應10個蝶閥也由DN600變為DN900，且循環水側阻力增大明顯。因此，方案一中氨冷凝器和蒸汽凝汽器循環冷卻水串聯操作方案不經濟。

2.2 方案二

假設氨冰機出口氣氨壓力由1.7MPa(g)降為1.4MPa(g)，此時氨冷凝器出口溫度需降至37℃，循環水進水溫度(33℃)不變，對氨冷凝器和蒸汽凝汽器并聯和串聯工況進行計算對比，其結果見表3。

表3 方案二中氨冷凝器和蒸汽凝汽器串、并聯計算結果比較

經比較發現，該方案優點如下：氨冰機出口壓力更改后，氨冰機功率由9 281kW降至8 346kW，蒸汽(3.82MPa(g)、400℃)消耗由41.7t/h降至35.7t/h。該方案缺點為：氨冷凝器換熱面積明顯不夠；若滿足換熱面積的要求，氨冷凝器需串聯增加設備臺數，但這會導致循環水側阻力過大，必要時還需增加循環水增壓泵。因此，方案二減低了壓縮機出口壓力，氨冷凝器和蒸汽凝汽器循環冷卻水并聯、串聯的操作均不可行。

2.3 方案三

假設氨冰機出口氣氨壓力由1.7MPa(g)降為1.4MPa(g)，此時氨冷凝器出口溫度需降低至37℃，改變循環水入口溫度為30℃(北方地區)，對氨冷凝器和蒸汽凝汽器并聯和串聯工況進行計算對比，其結果見表4。

表4 方案三中氨冷凝器和蒸汽凝汽器串、并聯計算結果比較

經比較發現,改變循環水入口溫度至30℃后，循環水并聯操作,冷凝器的換熱面積不夠，凝汽器沒有問題；循環水串聯操作冷凝器的換熱面積可滿足要求，因此，方案三中循環水串聯操作是可行的。

循環水串聯操作后，循環冷卻水管徑變大(氨冷凝器循環水由3根DN600改為3根DN900，凝汽器循環水由2根DN600改為2根DN900)，相應10個蝶閥也由DN600變為DN900，且循環水側阻力增大明顯，帶來兩個不良后果：一是閥門和管道的投資有所增加，二是循環水的能耗增加。第一個的后果需一次增加投資約50萬元，第二個的后果可通過設備規格優化的方式消除。

方案三中，氨冰機功率由9 281kW降至8 346kW，蒸汽(3.82MPa(g)、400℃)消耗由41.7t/h降至35.7t/h，一年可節省蒸汽4.32萬t，年操作費用可節省500萬元以上。

綜合比較發現，方案三可行且節能效果顯著。

2.4 設備優化

方案三中，在循環水串聯工況下，盡管氨冷凝器能滿足工藝操作要求，但其換熱面積富裕系數偏小、阻力偏大,凝汽器阻力降增加明顯。因此，在北方地區新建煤制合成氨裝置，剛開始設計時應該優化換熱器結構參數，使其換熱面積和阻力滿足要求，結合本工程實例，對氨冷凝器和凝汽器進行結構優化，優化結果見表5。

表5 氨冷凝器和凝汽器結構優化結果

3 結語

(1)在南方地區，循環水入口溫度33℃時，氨冰機循環水并聯操作是合理的，且壓縮機出口壓力不宜低于1.7MPa(g)。

(2)在北方地區，循環水入口溫度≤30℃時(夏季最熱天氣也要滿足)，氨冰機出口壓力可由1.7MPa(g)降低至1.4MPa(g)，此時氨冰機循環水串聯操作是合理的。氨冰機軸功率可由9 281kW降至8 346kW，蒸汽(3.82MPa(g)、400℃)消耗由41.7t/h降至35.7t/h，一年可節省蒸汽4.32萬t，年操作費用可節省500萬元以上，節能效果顯著。相比并聯，串聯后循環水管道和閥門尺寸由DN600增大到DN900，需增加投資約50萬元；換熱器面積能滿足要求,可不用更換,僅需改造循環水進出管口，成本增加投資約30萬元，因此，2個月可收回投資。