CO2壓縮機(jī)低壓缸改造總結(jié)

孫清濤，孫 巖，李 勇，許慎勇

（兗礦新疆煤化工有限公司，新疆烏魯木齊 830011）

1 CO2壓縮系統(tǒng)簡(jiǎn)述

兗礦新疆煤化工有限公司520kt／aCO2汽提法尿素裝置于2013年投產(chǎn)，其壓縮系統(tǒng)的CO2壓縮機(jī)型號(hào)為 2MCL607+2BCL356／A，配以NK40／45／20單缸冷凝式汽輪機(jī)。該離心式壓縮機(jī)按二缸四段設(shè)計(jì) （壓縮機(jī)一、二段為低壓缸，三、四段為高壓缸），設(shè)有段間冷卻器、缸間冷卻器；為調(diào)節(jié)生產(chǎn)負(fù)荷，CO2壓縮機(jī)設(shè)有二回一、四回三閥和一段入口放空總閥，四段出口管線上裝有放空閥，以便于調(diào)節(jié)系統(tǒng)氣量及異常時(shí)應(yīng)急用。

CO2壓縮系統(tǒng)流程：凈化系統(tǒng)來(lái)的CO2氣體，純度≥98.5% （體積分?jǐn)?shù)，干基），壓力約0.22MPa（A），經(jīng)CO2壓縮機(jī)一段入口分離器分離掉其中少量的水分和油污后進(jìn)入CO2壓縮機(jī)一段、二段壓縮；出低壓缸的CO2氣體壓力約2.6MPa、溫度193.7℃，經(jīng)二段冷卻器冷卻后送至脫硫脫氫系統(tǒng)，脫硫脫氫后進(jìn)入中壓CO2冷卻器用循環(huán)水冷卻，CO2氣體溫度降至40℃左右；之后CO2氣體進(jìn)入CO2壓縮機(jī)高壓缸，經(jīng)三段、四段壓縮后壓力達(dá)到14.6MPa，然后送至尿素裝置高壓系統(tǒng)。

2 存在的問(wèn)題

CO2壓縮機(jī)原始設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 CO2壓縮機(jī)原始設(shè)計(jì)參數(shù)

由于設(shè)計(jì)期間溝通不到位，CO2壓縮機(jī)入口設(shè)計(jì)壓力為0.039MPa，而實(shí)際凈化系統(tǒng)輸送至壓縮機(jī)入口前 CO2氣的壓力為0.22MPa（A），導(dǎo)致壓縮機(jī)入口通道截面積小于實(shí)際需求值。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，為滿足原設(shè)計(jì)一段入口壓力為0.039MPa的要求，CO2原料氣在壓縮機(jī)入口通過(guò)減壓 （凈化系統(tǒng)還有CO2放空）后送入機(jī)組，由此增大了低壓缸的壓縮比，導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行期間防喘振回流量大、驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)蒸汽消耗高，且容易造成機(jī)組運(yùn)行不穩(wěn)定，進(jìn)而導(dǎo)致尿素裝置最高負(fù)荷僅達(dá)設(shè)計(jì)負(fù)荷的90%。為此，必須對(duì)CO2壓縮機(jī)低壓缸進(jìn)行改造。

3 改造情況

2017年7月，公司組織系統(tǒng)大修，更換了壓縮機(jī)低壓缸轉(zhuǎn)子，低壓缸轉(zhuǎn)子由7級(jí)葉輪改造為6級(jí)葉輪 （公司要求新轉(zhuǎn)子和原轉(zhuǎn)子具有互換性，將原轉(zhuǎn)子作為備件），如此一來(lái)，壓縮機(jī)入口壓力可提升至0.124MPa，低壓缸一段壓縮比可由4.46降為2.77，由此可降低汽輪機(jī)3.8MPa蒸汽耗量，同時(shí)增加CO2壓縮機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性；并對(duì)其輔機(jī)進(jìn)行了檢查。具體改造內(nèi)容如下。

（1）更換壓縮機(jī)支撐軸承。對(duì)應(yīng)軸承最小間隙下，轉(zhuǎn)子Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)穩(wěn)定性均不能通過(guò)，可以通過(guò)調(diào)整軸徑、跨距以及軸承等相關(guān)參數(shù)予以解決。

（2）在不改變CO2壓縮機(jī)低壓缸結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，摘除低壓缸首級(jí)葉輪；重新設(shè)計(jì)制造一、二級(jí)級(jí)間隔板，通過(guò)增加導(dǎo)流套改變首級(jí)葉輪至二級(jí)入口流道；調(diào)整級(jí)間密封及平衡盤密封；補(bǔ)制新隔套等。

改造前后CO2壓縮機(jī)技術(shù)參數(shù)的對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 改造前后CO2壓縮機(jī)技術(shù)參數(shù)的對(duì)比

4 運(yùn)行情況及整改措施

4.1 運(yùn)行情況

上述改造完成后，2017年9月21日19：08，CO2壓縮機(jī)沖轉(zhuǎn)后并入生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行；9月21日20：33，尿素合成系統(tǒng)升壓，CO2壓縮機(jī)轉(zhuǎn)入正常運(yùn)行；9月22日17：49，CO2原料氣流量達(dá)29500m3／h（最大值為 31000m3／h），系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，CO2壓縮機(jī)組汽輪機(jī)蒸汽耗量36.59t／h，汽輪機(jī)調(diào)節(jié)氣閥開(kāi)度89%左右。但低壓缸改造后運(yùn)行中低壓缸振值 （VIA81004）時(shí)常會(huì)突然跳增至13μm（低壓缸振值一般為3.9μm），CO2壓縮機(jī)管道發(fā)出異常振動(dòng)聲；而且操作調(diào)整過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)CO2壓縮機(jī)入口氣量低于臨界值25000m3／h時(shí)，振動(dòng)頻次較少；CO2壓縮機(jī)入口氣量超過(guò)25000m3／h時(shí)，振動(dòng)頻繁且管道振動(dòng)異響刺耳，此時(shí)被迫開(kāi)二回一回路和四回三回路進(jìn)行調(diào)節(jié)，汽輪機(jī)輪室壓力高，其調(diào)節(jié)閥開(kāi)度沒(méi)有了調(diào)節(jié)余量。

經(jīng)分析，CO2壓縮機(jī)管道振動(dòng)和異響的原因是二回一的氣體與一段入口的氣體發(fā)生了共振。為消除這種共振，必須改變?nèi)肟跉饬?，使之偏離共振區(qū)。

4.2 整改措施

2017年10月，公司利用系統(tǒng)短停檢修機(jī)會(huì)，自行設(shè)計(jì)并增設(shè)了CO2壓縮機(jī)一回一調(diào)節(jié)回路 （DN200），配置調(diào)節(jié)閥及切斷閥，并在一段出口發(fā)生振動(dòng)的管道上增設(shè)了放空調(diào)節(jié)閥，以改變管道的固有頻率，避免共振。

增設(shè)一回一回路及一段出口放空調(diào)節(jié)閥后，CO2壓縮機(jī)開(kāi)車階段運(yùn)行平穩(wěn)，未出現(xiàn)管道振動(dòng)及異響情況。按原有的操作習(xí)慣，二回一回路、四回三回路調(diào)節(jié)閥開(kāi)度均保持在5%～10%，一回一回路調(diào)節(jié)閥開(kāi)度基本維持在6%～9%；在負(fù)荷較高的情況下，一回一回路調(diào)節(jié)閥開(kāi)度基本維持在2%左右，此時(shí)低壓缸振值 （VIA81004）基本在5μm以下，CO2壓縮機(jī)運(yùn)行趨于穩(wěn)定。

考慮到二回一回路、四回三回路調(diào)節(jié)閥保持一定的開(kāi)度，理論上有一定的能量損失，進(jìn)行優(yōu)化操作，即采取逐步關(guān)閉二回一回路、四回三回路調(diào)節(jié)閥以及開(kāi)大一回一回路調(diào)節(jié)閥的方式，逐漸將二回一回路、四回三回路調(diào)節(jié)閥調(diào)為零開(kāi)度，一回一回路調(diào)節(jié)閥開(kāi)度增至70%左右，汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度降低4%，汽輪機(jī)輪室壓力降至3MPa左右，取得了較好的效果。

整改前后 （增設(shè)一回一調(diào)節(jié)回路及一段出口放空閥前后）CO2壓縮機(jī)主要運(yùn)行數(shù)據(jù)的對(duì)比

見(jiàn)表3。

表3 整改前后CO2壓縮機(jī)主要運(yùn)行數(shù)據(jù)的對(duì)比

4.3 整改效果

（1）整改后，CO2壓縮機(jī)組汽輪機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，汽輪機(jī)輪室壓力降低，其調(diào)節(jié)閥開(kāi)度有20%左右的調(diào)節(jié)余量，蒸汽消耗大幅降低；機(jī)組各振值降低，運(yùn)行平穩(wěn)。

（2）改造后，CO2進(jìn)入CO2汽提塔的溫度由141℃降至125℃左右；CO2氣量波動(dòng)幅度減小，尿素高壓系統(tǒng)物料配比趨于穩(wěn)定，提高了尿素高壓系統(tǒng)的運(yùn)行效率，高壓甲銨冷凝器氣液相溫度、高壓洗滌器出氣及下液溫度、合成塔出液溫度等均能控制在最優(yōu)狀態(tài)；成品尿素縮二脲含量降至1.0%以下，產(chǎn)品質(zhì)量有所提高；尿素產(chǎn)量增加，日產(chǎn)突破1800t，噸尿素氨耗維持在579kg左右 （設(shè)計(jì)值585kg）。

5 結(jié)束語(yǔ)

CO2壓縮機(jī)低壓缸轉(zhuǎn)子及相關(guān)部件改造完成并且增設(shè)一回一調(diào)節(jié)回路及一段出口放空閥后，CO2壓縮機(jī)低壓缸一段壓縮比由4.46降至2.77，汽輪機(jī)蒸汽消耗量減少約8.5m3／h，按蒸汽成本58元／t計(jì)算，每年可節(jié)省蒸汽費(fèi)用394.4萬(wàn)元；同時(shí)，CO2壓縮機(jī)出口氣量超過(guò)31000 m3／h，減少了CO2氣體的排放，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，尿素日產(chǎn)屢創(chuàng)新高，日產(chǎn)突破1800t（設(shè)計(jì)日產(chǎn)1734t），年可增產(chǎn)尿素70kt以上。總之，本次改造節(jié)能減排、提產(chǎn)增收效果明顯，達(dá)到了預(yù)期的目的。