摘   要：介紹燃氣輪機及空氣壓縮機自投產(chǎn)運行以來存在的問題，各個時間段通過技術(shù)改造取得較好效果，確保燃氣輪機及空氣壓縮機安全穩(wěn)定長周期運行，滿足裝置生產(chǎn)需求。

關(guān)鍵詞： 燃氣輪機壓縮機控制系統(tǒng)；燃氣輪機壓縮機；燃氣壓縮機

某化肥廠一期合成氨裝置的設(shè)計能力為 300 kt／ a，燃氣輪機和空氣壓縮機是合成裝置最為核心的設(shè)備，燃氣輪機乏氣進入廢熱鍋爐產(chǎn)生高壓蒸汽，壓縮后的空氣進二段轉(zhuǎn)化爐作為工藝空氣和送儀表空氣管網(wǎng)使用。一期合成氨裝置自 1996 年投產(chǎn)已運行 24 a，由于排氣氮氧化物超標，根據(jù)治理需求，于 2020 年 6 月大修進行燃氣輪機整體更換改造，現(xiàn)將燃氣輪機及空氣壓縮機 20 年以來的技術(shù)改造進行總結(jié)。

1  燃氣輪機及壓縮機入口增設(shè)空冷系統(tǒng)

1.1 改造原因

從 1996 年建廠投產(chǎn)以來，燃氣輪機功率受外界環(huán)境溫度的影響極大，加之海南全年大部分時間都是處于高溫狀態(tài)，機組表現(xiàn)為長期功率不足，白天和晚上系統(tǒng)加減負荷頻繁。為提高機組運行穩(wěn)定性，經(jīng)設(shè)計得出必須將機組入口工藝空氣和燃燒空氣由長期性的 35 ℃降至約 15 ℃，其燃氣輪機和壓縮機的功率即滿足工藝要求。

1.2 改造方案

空氣冷卻系統(tǒng)的冷量來源于冷凍系統(tǒng)，通過間接換熱的方式，從冷凍系統(tǒng)引來的冷氨先冷卻25%的乙二醇溶液， 再利用乙二醇溶液冷卻空氣，機組入口工藝空氣和燃燒空氣經(jīng)過過濾后的溫度為 35 ℃，經(jīng)過空氣冷卻器換熱將其冷卻到 15 ℃左右，送往壓縮機和燃氣輪機，換熱后出空氣冷卻器的乙二醇溶液溫度為 11 ℃，經(jīng)冷媒循環(huán)槽、冷媒輸送泵送至冷媒氨冷器， 被冷凍系統(tǒng)來的液氨冷卻至 1 ℃。工藝流程如圖 1 所示。

1.3 改造后效果

改造后空氣壓縮機入口溫度從 35 ℃降到 15℃，提高空氣壓縮機能力，確保系統(tǒng)在設(shè)計壓力下運行，不受高溫氣候影響，機組運行更加穩(wěn)定。

2  油系統(tǒng)增加一組油冷器

2.1 改造原因

空氣壓縮機組油冷器為雙聯(lián)型換熱器，正常生產(chǎn)時采取一開一備投用方式。使用時發(fā)現(xiàn)在經(jīng)過油冷器冷卻降溫后總油管油溫偏高，油溫高會引起油氧化，使其安定性變差，同時大量油氣經(jīng)過放空管排放至大氣，造成資源浪費和環(huán)境污染。

2.2 改造方案

將油系統(tǒng)原油冷器與新增換熱器進行串聯(lián)，加大換熱面積，同時將原有的管線繼續(xù)保留，在新?lián)Q熱器進、出口管線及原換熱器出口管線上，分別增加一個用作隔離切斷的截止閥，如換熱器進行串聯(lián)后影響機組油系統(tǒng)相關(guān)運行指標時（主要考慮改造后油壓的變化），可立即切斷新增換熱器進、出口管線，改走原換熱器管線，確保機組運行安全。油冷器改造流程如圖 2 所示。

2.3 改造后效果

改造后潤滑油大壓降滿足機組運行， 串聯(lián)新?lián)Q熱器后可將油溫由 60 ℃降至 45 ℃，減少了機組油箱油氣放空量， 將每月補 4 桶 32# 防銹油，降低至每月 1 桶。

3  XINRAN Ⅱ 控制系統(tǒng)改為XR5038 控制系統(tǒng)

3.1 改造原因

燃氣輪機控制系統(tǒng)為 XINRAN Ⅱ，由于部分電子元件發(fā)生老化， 部分卡件和芯片經(jīng)多年的運行后，進入故障高發(fā)期。整套系統(tǒng)在用卡件和備用卡件較多，需長期備有大量卡件，備件費用較高，控制系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜，維修難度大。加上 XINRANⅡ 控制系統(tǒng) 2000 年后產(chǎn)商已經(jīng)停止生產(chǎn)此備件，存在備件缺失風(fēng)險。

3.2 改造方案

燃氣輪機控制系統(tǒng)于 2008 年大修期間進 行全盤改造，XR5038 控制系統(tǒng)由上海信然公司研發(fā)。采用分散控制，從輸入端子到輸出端子，所有的控制功能都是在獨立的硬件體系中完成。此次改造保留了原控制系統(tǒng)的所有功能，對其不足之處進行改進，將調(diào)速、防喘振、負荷三者協(xié)調(diào)控制，使用三重冗余容錯控制系統(tǒng)可以識別和補償控制系統(tǒng)元件的故障，并且 XR5038 系統(tǒng)允許在線更換部分故障元件，不中斷過程控制。提供 HMI 監(jiān)控畫面，結(jié)合現(xiàn)場操作人員習(xí)慣提供一個良好的人機界面，實現(xiàn)實時監(jiān)控和直觀、方便的操作。

3.3 改造后效果

XR5038 控制系統(tǒng)改造后，運行穩(wěn)定，燃氣輪機轉(zhuǎn)速控制穩(wěn)定，速度波動較小，排氣溫度在 480 ℃左右。提高了機組的自控和操作水平。

4  壓縮機一段入口增加純氧混合裝置

4.1 改造原因

合成氨裝置原料氣更換為貧氣的升級改造需要在空氣壓縮機入口加入純氧， 確保適當(dāng)氫氮比的同時提高二段轉(zhuǎn)化爐出口溫度， 空氣壓縮機和附屬管道為碳鋼材質(zhì)。用純氧作為生產(chǎn)原料，安全生產(chǎn)風(fēng)險極高，采用常規(guī)混合方法將純氧混入壓縮機入口難以使氧氣和空氣快速混合均勻，增加了設(shè)備運行風(fēng)險。為避免發(fā)生不安全現(xiàn)象，設(shè)計一種新型的氧氣混合裝置。

4.2 改造方案

新型的氧氣混合裝置剖面如圖 3 所示。

機身順氣流方向半圓筒上開孔 300 個。設(shè)計孔徑 15 mm，奇數(shù)層和偶數(shù)層各 12 個開孔，確保氧氣和空氣平穩(wěn)快速均勻的混合，以及氧氣有充足的流通面積避免產(chǎn)生氣流擾動。

4.3 改造后效果

純氧從混合裝置噴出后平穩(wěn)匯入主氣流，氧氣和空氣在進入壓縮機之前快速均勻混合，不在碳鋼材質(zhì)壓縮機和管道局部產(chǎn)生富氧環(huán)境，避免裝置在局部富氧環(huán)境中出現(xiàn)油脂自燃、高速的鐵銹、焊渣等顆粒與管道發(fā)生摩擦和沖擊碰撞，引起燃燒并導(dǎo)致管道起火、 機組碳鋼部件腐蝕加劇等不安全現(xiàn)象，確保生產(chǎn)裝置安全穩(wěn)定運行。

5  壓縮機入口增設(shè)空氣隔離板

5.1 改造原因

以天然氣為原料的合成氨裝置采用離心式壓縮機為二段轉(zhuǎn)化爐提供工藝空氣，由于原料氣源替代，原料天然氣組分出現(xiàn)較大變化，工藝空氣改用富氧空氣（氧含量 26%）。但是傳統(tǒng)空氣壓縮機采用梳齒密封方式， 且軸承箱與缸體本體無縫連接，軸承箱的油氣會串入壓縮機缸體，從而導(dǎo)致壓縮機出現(xiàn)各段間入口管道有油垢積累和軸端氣封底部有潤滑油積存等問題。若純氧和空氣混合不均勻，油氣、油垢和潤滑油與富氧空氣接觸，存在自燃和爆炸風(fēng)險，成為設(shè)備運行的重大安全隱患。

5.2 改造方案

為確保機組運行安全，設(shè)計空氣壓縮機隔離氣裝置，在壓縮機軸承油封處引入隔離氣，作用于軸端密封與軸承油封之間，杜絕富氧空氣與油氣接觸。設(shè)計隔離氣供氣裝置，提供穩(wěn)定壓力的隔離氣，利用設(shè)備原有的工藝孔，引隔離氣進入軸端密封外側(cè)軸承油封梳齒密封中部，通過軸端密封腔室頂部放空口排放，密封壓力大于軸承箱油氣壓力。空氣隔離氣擋板改造如圖4 所示。

圖4  空氣隔離氣擋板改造

1，3，4，5，8，9，10，12，14，17，19，21，23—閘 閥 ；6，7—過濾器；2，15，16—壓力表；11—自力式調(diào)節(jié)閥；13—限流孔板；18，20，22，24—止逆閥

隔離氣總管過來的隔離氣經(jīng)截止閥后，被過濾器過濾，自力式調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)壓力和流量，從帶止逆閥的隔離氣各支管進入壓縮機各軸端密封腔室。自力式調(diào)節(jié)閥設(shè)計旁路，便于閥門在線維修，旁路設(shè)置孔板確保始終有一定流量。

5.3 改造后效果

隔離氣裝置投入使用后，油氣被隔離，避免了壓縮機因油氣沉積在葉輪上所造成的功率下降，能節(jié)約燃料天然氣。因工藝需要，必須在空氣壓縮機入口加入純氧，空氣氧含量由 21%增加到26.1%（富氧空氣）。如不實施隔離氣改造，油氣會混入富氧空氣中產(chǎn)生自燃甚至爆炸，從而造成停車和設(shè)備損壞等事故。

6  燃氣輪機燃料氣增加供氣管線

6.1 改造原因

某化肥廠一期有三條天然氣供應(yīng)管線 ，2016 年技術(shù)改造后，燃料氣供應(yīng)有崖城氣管線和脫碳氣管線。氣經(jīng)預(yù)脫碳裝置脫碳后含凝析油、胺液和水，氣基本不含雜質(zhì)和水分，熱值與脫碳后的東方氣只有微小差別，因此，氣更適合燃氣輪機使用。燃氣輪機在運行中由于崖城氣供氣存在不確定因素，可能影響裝置正常生產(chǎn)，需要用氣或脫碳氣短時間內(nèi)替代。經(jīng)咨詢?nèi)細廨啓C廠家，在不注汽情況下，燃氣輪機無需改動能短期使用氣和脫碳氣作為崖 13-1 的替代氣源，計劃可行。

6.2 改造方案

燃氣輪機燃料氣供氣壓力調(diào)節(jié)前有兩條供氣管線，一條為崖城氣，一條為天然氣壓縮機高壓缸段入口供氣管線，用盲板隔離，如圖5 所示。

改造后流程增加氣到崖城氣管線，設(shè)雙閥和導(dǎo)淋，增加閥門，盲板變換位置。如圖 6 所示。

6.3 改造后效果

改造后，實現(xiàn)燃氣輪機氣的相互快速切換，能避免因氣中斷或減少而造成的停車，確保裝置穩(wěn)定運行。滿足不同工況時的生產(chǎn)需要，解決裝置老化折舊中產(chǎn)生的問題，為未來的更新改造提供經(jīng)驗。