氨冰機(jī)節(jié)能優(yōu)化研究

尹俊杰,馬如芬

(航天長征化學(xué)工程股份有限公司蘭州分公司,甘肅 蘭州 730010)

設(shè)置氨冰機(jī)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(jī)具有制冷能力大、占地小、運(yùn)行成本低、連續(xù)運(yùn)行時間長等優(yōu)點，在大型煤制合成氨裝置中得到廣泛應(yīng)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(jī)進(jìn)行壓縮后，在冷凝器內(nèi)用循環(huán)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(jìn)行循環(huán)使用。

1 氨冰機(jī)工藝流程

典型氨冰機(jī)工藝流程見圖1，氨冰機(jī)是由離心式壓縮機(jī)和汽輪機(jī)等組成，開車時將液氨補(bǔ)充進(jìn)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(jīng)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(jìn)入氨冰機(jī)后,經(jīng)過三級壓縮和段間換熱，氣氨壓力為1.70MPa(g)、溫度為116.9℃，經(jīng)四段出口冷卻器冷卻到50℃，再進(jìn)入冷凝器進(jìn)一步冷卻至40℃，此時氣氨已冷凝為液氨，液氨進(jìn)入液氨緩沖罐進(jìn)行下一個循環(huán)。離心式壓縮機(jī)組由全凝式蒸汽透平機(jī)驅(qū)動，從外管網(wǎng)來的中壓蒸汽(3.82MPa(g)、400℃)進(jìn)入汽輪機(jī)，蒸汽做功后進(jìn)入凝汽器冷凝，蒸汽冷凝水通過凝結(jié)水泵加壓后送至外管網(wǎng)。

圖1 典型氨冰機(jī)工藝流程

2 節(jié)能優(yōu)化方案

本文以某合成氨裝置氨冰機(jī)為研究對象，通過改變氨冰機(jī)操作條件，分析探討氨冰機(jī)節(jié)能優(yōu)化的可行性。

在該裝置氨冰機(jī)系統(tǒng)中，氨冷凝器和蒸汽凝汽器是循環(huán)水用量最大的兩臺設(shè)備，目前,這兩臺換熱器的循環(huán)水都是來自循環(huán)水總管，并聯(lián)操作，換熱后再匯入總管，這兩臺設(shè)備的規(guī)格參數(shù)見表1。

表1 氨冷凝器和蒸汽凝汽器設(shè)備參數(shù)

根據(jù)以上參數(shù)，對目前氨冰機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化，提出3個優(yōu)化方案并分別進(jìn)行討論分析。

2.1 方案一

假設(shè)氨冰機(jī)出口氣氨壓力(1.7MPa(g))不變，循環(huán)水進(jìn)水溫度(33℃)不變，僅將循環(huán)水由并聯(lián)改為串聯(lián)操作，即來自總管的循環(huán)水先經(jīng)氨冷凝器換熱，再經(jīng)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(lián)和串聯(lián)工況進(jìn)行計算對比，其結(jié)果見表2。

表2 方案一中氨冷凝器和蒸汽凝汽器串、并聯(lián)計算結(jié)果比較

圖2 氨冰機(jī)循環(huán)水串聯(lián)操作流程

經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)，該方案的優(yōu)點如下：循環(huán)冷卻水改為串聯(lián)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(shù)平均溫差Δtm增大引起的；而凝汽器基本不變。經(jīng)HTRI軟件進(jìn)一步計算，若氨冷凝器保持相同富裕系數(shù)，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(huán)冷卻水管徑變大(氨冷凝器循環(huán)水由3根DN600改為3根DN900，凝汽器循環(huán)水由2根DN600改為2根DN900)，相應(yīng)10個蝶閥也由DN600變?yōu)镈N900，且循環(huán)水側(cè)阻力增大明顯。因此，方案一中氨冷凝器和蒸汽凝汽器循環(huán)冷卻水串聯(lián)操作方案不經(jīng)濟(jì)。

2.2 方案二

假設(shè)氨冰機(jī)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(huán)水進(jìn)水溫度(33℃)不變，對氨冷凝器和蒸汽凝汽器并聯(lián)和串聯(lián)工況進(jìn)行計算對比，其結(jié)果見表3。

表3 方案二中氨冷凝器和蒸汽凝汽器串、并聯(lián)計算結(jié)果比較

經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)，該方案優(yōu)點如下：氨冰機(jī)出口壓力更改后，氨冰機(jī)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(lián)增加設(shè)備臺數(shù)，但這會導(dǎo)致循環(huán)水側(cè)阻力過大，必要時還需增加循環(huán)水增壓泵。因此，方案二減低了壓縮機(jī)出口壓力，氨冷凝器和蒸汽凝汽器循環(huán)冷卻水并聯(lián)、串聯(lián)的操作均不可行。

2.3 方案三

假設(shè)氨冰機(jī)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(huán)水入口溫度為30℃(北方地區(qū))，對氨冷凝器和蒸汽凝汽器并聯(lián)和串聯(lián)工況進(jìn)行計算對比，其結(jié)果見表4。

表4 方案三中氨冷凝器和蒸汽凝汽器串、并聯(lián)計算結(jié)果比較

經(jīng)比較發(fā)現(xiàn),改變循環(huán)水入口溫度至30℃后，循環(huán)水并聯(lián)操作,冷凝器的換熱面積不夠，凝汽器沒有問題；循環(huán)水串聯(lián)操作冷凝器的換熱面積可滿足要求，因此，方案三中循環(huán)水串聯(lián)操作是可行的。

循環(huán)水串聯(lián)操作后，循環(huán)冷卻水管徑變大(氨冷凝器循環(huán)水由3根DN600改為3根DN900，凝汽器循環(huán)水由2根DN600改為2根DN900)，相應(yīng)10個蝶閥也由DN600變?yōu)镈N900，且循環(huán)水側(cè)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(huán)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(shè)備規(guī)格優(yōu)化的方式消除。

方案三中，氨冰機(jī)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(jié)省蒸汽4.32萬t，年操作費(fèi)用可節(jié)省500萬元以上。

綜合比較發(fā)現(xiàn)，方案三可行且節(jié)能效果顯著。

2.4 設(shè)備優(yōu)化

方案三中，在循環(huán)水串聯(lián)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(shù)偏小、阻力偏大,凝汽器阻力降增加明顯。因此，在北方地區(qū)新建煤制合成氨裝置，剛開始設(shè)計時應(yīng)該優(yōu)化換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)，使其換熱面積和阻力滿足要求，結(jié)合本工程實例，對氨冷凝器和凝汽器進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果見表5。

表5 氨冷凝器和凝汽器結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果

3 結(jié)語

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

(2)在北方地區(qū)，循環(huán)水入口溫度≤30℃時(夏季最熱天氣也要滿足)，氨冰機(jī)出口壓力可由1.7MPa(g)降低至1.4MPa(g)，此時氨冰機(jī)循環(huán)水串聯(lián)操作是合理的。氨冰機(jī)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(jié)省蒸汽4.32萬t，年操作費(fèi)用可節(jié)省500萬元以上，節(jié)能效果顯著。相比并聯(lián)，串聯(lián)后循環(huán)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(huán)水進(jìn)出管口，成本增加投資約30萬元，因此，2個月可收回投資。