雷炳蓮，許忠義，陳美嶺

(1.青海鹽湖工業(yè)股份有限公司，青海 格爾木 816099；2.國家鹽湖資源綜合利用工程技術(shù)研究中心，青海 格爾木 816099；3.青海省鹽湖資源綜合利用重點實驗室，青海 格爾木 816099；4.青海匯信資產(chǎn)管理有限責任公司，青海 格爾木 816099)

氨冷凍是合成氨生產(chǎn)工藝中最重要的工藝之一，也是使用最廣泛的工藝之一。青海鹽湖100萬t鉀肥綜合利用項目合成氨裝置，在運行中出現(xiàn)了冷氨泵電流瞬間超高的現(xiàn)象，導致泵停止運行。氨冷器和氨分離器液位長期處于忽高忽低狀態(tài)，導致氨壓機頻繁跳車、液氨閃蒸槽安全閥頻繁起跳，直接影響了整套裝置的穩(wěn)定運行。文章主要分析了導致壓縮機頻繁跳車的原因及解決問題的方案，為整套裝置的連續(xù)穩(wěn)定運行提供了技術(shù)保障。

2 項目背景

青海鹽湖100萬t鉀肥綜合利用項目于2005年開始建設，2010年建成試生產(chǎn)，項目落地于我國最大的鉀鎂鹽湖——察爾汗鹽湖。察爾汗鹽湖是整個柴達木盆地中最低洼的地帶，是我國最大的可溶性鉀鎂鹽礦床?？偯娣e為5 856 km2，海拔為2 680 m，蒸發(fā)量為降水量的140多倍，日照時間長，輻射能量大，空氣含氧低，自然環(huán)境十分惡劣，有“地球上的月球”之稱。湖區(qū)內(nèi)各類鹽礦物總儲量超600億t，其中已探明的氯化鉀表內(nèi)儲量16.5億t，氯化鋰儲量8 246萬t，均占會國首位。并伴生有鋰、硼、溴、碘，銣、銫等元素，整個鹽湖潛在開發(fā)價值達12萬億元以上。鹽湖開發(fā)和綜合利用具有廣闊的發(fā)展前景，在國民經(jīng)濟中占有十分重要的地位。隨著國家西部大開發(fā)首批十大重點工程之一的青海鹽湖100萬t鉀肥項目于2008年建成投產(chǎn)，察爾汗鹽湖資源的開發(fā)進入了一個新階段，青海鹽湖工業(yè)集團已從單一的氯化鉀產(chǎn)品向氫氧化鈉、合成氨、尿素、PVC等石油天然氣鹽湖化工結(jié)合的下游產(chǎn)品發(fā)展。青海鹽湖100萬t鉀肥綜合利用項目主要包括12萬t/a氫氧化鉀、72萬t/a碳酸鉀、10萬t/a聚氯乙烯、19萬t/a合成氨、33萬t/a尿素及其配套工程。

年產(chǎn)19萬t合成氨裝置以天然氣部分氧化法生產(chǎn)乙炔產(chǎn)生的尾氣為原料，采用了低能耗、加壓催化轉(zhuǎn)化法生產(chǎn)合成氨。其主要工藝流程為：脫硫造氣、中低溫變換及甲烷化、脫碳工序、壓縮工序、氨合成和馳放氣回收、氨冷凍系統(tǒng)、液氨罐區(qū)。其中，氨冷凍是合成氨生產(chǎn)工藝中最重要的工藝之一，也是使用最廣泛的工藝之一，其作用是進一步降低氨合成塔出來的合成氣的溫度，將合成氣中的氨和氫氣、氮氣分離，主要由氨冷器、氨分離器、氨壓縮機、氨冷凝器、液氨貯槽和冷氨泵組成。該裝置在投產(chǎn)運行過程中，出現(xiàn)了冷氨泵電流瞬間超高，泵停止運行，氨冷器和氨分離器液位長期處于忽高忽低狀態(tài)，導致氨壓機頻繁跳車、液氨閃蒸槽安全閥頻繁起跳?，F(xiàn)場技術(shù)人員根據(jù)實際運行情況，從工藝、設備、操作等方面對該問題進行了全面分析，制定了解決方案，并逐步實施后取得了良好效果。

1 合成氨工藝簡述

從合成氣壓縮機來的合成補充氣，通過補充氣氨冷器冷卻到7℃，氣體中的冷凝水在補充氣分離器中分離排出。分離水后的合成補充氣與來自1#氨分離器的合成循環(huán)氣匯合，在2#氨冷器中進一步冷卻到-6 ℃，進入2#氨分離器將冷凝的氨分離出來。分離氨后的合成氣經(jīng)過冷交換器回收冷量后去合成氣壓縮機的循環(huán)段，壓縮到約14.2 MPa回到合成工序。流程見圖1。

圖1 氨合成系統(tǒng)新鮮氣流程

壓縮機來的合成氣在進出塔換熱器中預熱后進入氨合成塔進行氨的合成反應。合成塔出口的高溫氣體先經(jīng)合成廢熱鍋爐回收熱量，產(chǎn)生2.5 MPa的中壓蒸汽，然后再進入合成鍋爐給水預熱器、進出塔換熱器回收熱量后，在合成水冷器中用循環(huán)冷卻水冷卻到38 ℃，然后經(jīng)冷交換器、1#氨冷器冷卻，部分氨被冷凝并在1#氨分離器中分離出來，1#氨分離器出口的合成氣有一部分作為弛放氣排離系統(tǒng)，剩余的大部分合成氣與補充氣一起進入2#氨冷器進一步冷卻到-6 ℃，在2#氨分離器中再次分離氨后循環(huán)使用。流程見圖2。

圖2 氨合成系統(tǒng)循環(huán)氣流程

1#氨分離器與2#氨分離器分離下來的液氨在液氨閃蒸槽中降壓閃蒸，除去大部分溶解的合成氣后，液氨分別進入補充氣氨冷器和1#氨冷器。2#氨冷器的液氨從1#氨冷器來。從補充氣氨冷器中抽出少量液氨到2#氨冷器、從2#氨冷器抽出少量液氨經(jīng)冷氨泵加壓后送到液氨貯槽的洗滌段，以使氨冷器中的微量水分不積累。為防止惰性氣體在系統(tǒng)中積累，補充新鮮氣之前，在系統(tǒng)中抽出少量合成氣作為弛放氣，以保持系統(tǒng)惰性氣體平衡[2]。流程見圖3。

圖3 氨合成系統(tǒng)液相流程

氨壓縮機為離心式壓縮機，由電機驅(qū)動。來自氨冷器殼側(cè)的氣氨進入氨壓縮機，壓縮至約。壓縮機出口的氣氨，經(jīng)氨冷凝器冷卻、冷凝為液氨，冷凝下來的液氨自流至液氨貯槽，然后經(jīng)熱氨產(chǎn)品泵送往尿素裝置，尿素裝置停車的時候液氨送往液氨貯罐。

2 運行過程中出現(xiàn)的問題及原因分析

合成氨裝置氨合成和馳放氣回收、氨冷凍在裝置運行負荷50%以上時一直運行平穩(wěn)，但是在裝置負荷降至30%時，就會出現(xiàn)如下情況：

(1)出現(xiàn)冷氨泵電流瞬間超高，泵停止運行，崗位人員對備用泵啟動，也是無法啟動，打開排氣閥進行排氣，啟泵，泵運行幾分鐘后，又停運。氨冷器、氨分離器無法保持正常的液位，氨冷器的氣相系統(tǒng)出現(xiàn)氣帶液的情況，導致氨壓縮機跳車[3]，致使合成氨裝置被迫停車處理，車間領(lǐng)導與會討論后將原有冷氨泵由立式泵更換為屏蔽泵，但是在后續(xù)的生產(chǎn)中冷氨泵在前系統(tǒng)低負荷運行時依然頻繁停運。

(2)氨冷器和氨分離器液位長期處于忽高忽低狀態(tài)，導致氨壓機頻繁跳車、液氨閃蒸槽安全閥頻繁起跳。

(3)合成氨裝置設計裝置滿負荷時乙炔尾氣的進氣量為54 985 m3/h產(chǎn)氨23.75 t/h，裝置負荷降為30%時，氨產(chǎn)量僅為7 t/h。由于合成氨的原料是上游天然氣部分氧化法生產(chǎn)乙炔產(chǎn)生的尾氣，因此合成氨裝置負荷受乙炔裝置的影響較大，而乙炔裝置由于工藝的特殊性，長期頻繁處于低負荷狀態(tài)，使得乙炔裝置長時間處于低負荷運轉(zhuǎn)，因此氨冷凍系統(tǒng)的正常運行也受到限制；在低負荷情況下，一方面合成氣中產(chǎn)生的液氨減少，另一方面氣氨所帶的熱量降低，導致氨冷凍系統(tǒng)中液氨量下降，氨冷器、氨分離器無法保持正常的液位，氨冷器的氣相系統(tǒng)出現(xiàn)氣帶液的情況，液相系統(tǒng)出現(xiàn)液帶氣的情況，氨壓縮機作為壓縮氣體的設備一旦氣體帶液就會造車壓縮機葉輪的損壞，導致氨壓縮機頻繁跳車；冷氨泵作為輸送液體的設備，液體帶氣進入設備就會出現(xiàn)氣縛現(xiàn)象。

氨分離系統(tǒng)由氨冷器、氣液分離器、閥門、儀表、冷氨泵、氨壓縮機等組成。為了提高氨分離效果，氨分離器液位保持在40%～50%，壓力保持在0.18 MPa～0.24 MPa左右，分離器氣相返回氨壓機，液相通過節(jié)流閥直接進入冷氨泵。分離器液位和壓力的控制要在適宜的范圍內(nèi)，液位太高造成閃蒸空間不足，氣相無法完全分離，液位太低，在負荷波動時無法及時調(diào)整造成氣氨進入冷氨泵，無法實現(xiàn)分離作用。

3 解決方案

(1)在2#氨分離器和冷氨泵之間增設氣液分離器，在氨冷凝器與1#氨冷器和2#氨冷器之間增設防喘線以及采用信息采集控制系統(tǒng)遠程控制的方法，解決現(xiàn)有氨冷凍系統(tǒng)中，冷氨泵容易發(fā)生氣縛和氨壓縮機頻繁跳車的技術(shù)問題。在2#氨分離器和冷氨泵之間增設氣液分離器，通過對2#氨冷器的液氨做進一步的分離，減少液氨中的氣相組分，保證冷氨泵正常運行。

(2)在氨冷凝器與1#氨冷器、2#氨冷器之間分別增設防喘線，使氨冷凝器中的氣氨通過1#氨冷器和2#氨冷器后進入氨壓縮機，以防氨壓縮機發(fā)生喘振、避免氨壓縮機跳車；采用信息采集控制系統(tǒng)遠程控制氨冷凍系統(tǒng)中閥門開度，確保氨冷凍系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

(3)采用PLC控制的液氨氣液分離罐的液位，液氨氣液分離罐的液位和壓力通過DCS遠程直接控制，根據(jù)液氨氣液分離罐的液位控制進冷氨泵的液氨量，保證了冷氨泵的正常運行。改造后合成氨工藝流程見圖4。

圖4 改造后合成氨工藝流程

4 結(jié)語

通過增加氣液分離器和改變壓縮機防喘閥的位置，氨冷凍系統(tǒng)在裝置低負荷情況下，運行正常，各氨冷器液位正常，氨冷器、氨分離器的壓力和液位、冷氨泵的電流均在指標范圍內(nèi)。采取上述措施后，合成氨裝置已運行多年，整個氨冷凍系統(tǒng)在裝置低負荷情況下運行正常，沒有出現(xiàn)過因冷氨泵頻繁停機導致合成氨裝置停車；且加強監(jiān)控后，氨冷凍系統(tǒng)的電能消耗量也大幅度降低，表明采取的措施及改造取得了良好的效果，為裝置長周期、穩(wěn)定運行提供了保障。通過以上的一系列措施和方案，雖然基本上解決了氨壓縮機頻繁跳車的問題，但此問題仍需探究，以期進一步實現(xiàn)整套裝置的連續(xù)穩(wěn)定運行。