大型甲醇合成装置压缩机透平空冷器冬季操作经验与总结

第50卷第4期2020年12月
杭州化工
HANGZHOU CHEMICAL INDUSTRY
Vol.50No.4
Dec.2020大型甲醇合成装置压缩机透平空冷器
冬季操作经验与总结
李万林
（陕煤集团榆林化学有限责任公司，陕西榆林719000）
摘要：甲醇合成技术主要有高压法、中压法和低压法，典型的甲醇合成工艺主要有卡萨利（Casale）工艺、鲁奇（Lurgi）工艺、戴维（DAVY）工艺、托普索（Topsoe）工艺以及华东理工大学甲醇合成工艺。

该文以某180万t/a煤制甲醇大型装置压缩机透平空冷器为例，重点介绍了大型DAVY甲醇合成装置透平空冷器冬季操作经验，旨在为后续大型甲醇合成装置透平空冷器冬季操作和运行维护提供一些理论借鉴。

关键词:甲醇合成技术；DAVY工艺;煤制甲醇装置;透平空冷器;操作经验;总结
doi:10.13752/j.issn.1007-2217.2020.04.008
近十年来，随着煤化工行业的鼎盛发展,越来越多的大型甲醇合成装置建成投产，甲醇合成技术目前己十分成熟，呈现一幅繁荣勃勃的局面。

甲醇合成技术主要有高压法、中压法和低压法，由于低压法较高压法有较多的优势，在能耗、单塔产量、设备投资和利润等方面具有明显的优势，因此，近年来国内外新建装置大多采用低压甲醇合成技术。

典型的低压甲醇合成工艺主要有戴维DAVY）工艺、卡萨利Casale）工艺、鲁奇Lurgi）工艺、托普索Topsoe）工艺以及国内的华东理工大学甲醇合成工艺。

本文以某180万t/a煤制甲醇装置为例，重点介绍了大型DAVY甲醇合成装置压缩机透平空冷器冬季面临的操作难点以及经过实际运行总结的经验和操作注意事项，旨在为后续新建大型甲醇合成装置透平空冷器冬季长周期安全稳定运行提供一些理论参考。

1DAVY甲醇合成装置技术
1.1DAVY甲醇合成工艺
本文为例的180万t/a大型甲醇合成装置采用DAVY甲醇合成工艺,DAVY甲醇合成工艺采用的是2个结构相同的径向流蒸汽上升式合成反应器串并联耦合，该反应器与Lurgi管壳式反应器一样，但是不同的是DAVY甲醇合成工艺塔内管程走锅炉水，壳程装填铜基催化剂，原料气从中心管进入,从中心管向四周装填催化剂床层呈辐射流动，同等生产能力合成塔直径比Lurgi管壳式塔小、气体沿径向流动且阻力较小。

目前主要的问题是合成塔内部结构较复杂，制造难度大，加工制造要求高，投资成本大，而且,催化剂装填分层进行，操作空间狭小，装填时间较长。

此外，如果换热管束发生泄漏，检修将极其困难。

同时DAVY甲醇合成工艺，结构对合成气杂质要求高,所以，在甲醇合成反应器前需设置反应器保护床脱氯和脱硫［1-2］。

DAVY甲醇合成工艺近年来在国内主要生产装置有:神华包头煤化工有限公司180万t/a甲醇生产装置、蒲城清洁能源化工有限责任公司180万t/a甲醇生产装置、中煤陕西榆林能源化工有限公司180万t/a甲醇生产装置、陕西延长中煤榆林能源化工有限公司180万t/a甲醇生产装置、神华新疆化工有限公司180万t/a甲醇生产装置以及宁夏宝丰能源集团股份有限公司焦炭气化制60万t/a烯烃项目的220万t/a甲醇合成装置［3-4］。

1.2甲醇合成装置压缩机及透平
本文为例的180万t/a大型甲醇合成装置采用的合成气/循环气压缩机是美国某公司生产的D18R4B 型背靠背式压缩机,径向为圆筒形，采取4级压缩，合成段3级,循环段1级，合成段与循环段同轴，中间用隔板隔开。

压缩机透平是国内某公司生产的型号为
收稿日期：2020-10-18
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杭州化工第50卷
NK50/56/25型汽轮机，驱动蒸汽为4.1 MPa >420益的 过热蒸汽,汽轮机本体由前汽缸和排汽缸组成，二者 通过垂直中分面相连接,整个汽缸为水平中分结构，
上、下缸用法兰面和螺钉连接，满负荷设计耗气量在 84 t 左右，压缩机与透平采用叠片式联轴器联接。

该
联合压缩机组担负着将净化装置送来的合成气提压
后送至1号和2号甲醇合成塔产岀粗甲醇的重任，是
甲醇合成装置的核心大型动设备。

1.3甲醇合成装置压缩机透平空冷器
本文为例的DAVY 甲醇合成装置透平空冷器由
国内某公司制造生产，重608 t,由6台风机组成，采 用2x3布置形式,其中顺流风机4台、逆流风机2台，
1号、3号、4号和6号风机为顺流风机,2号和5号风
机为逆流风机，顺流管束管长10 132 mm,逆流管束
管长9 632 mm ,散热总面积为154 353 m 2,翅片材质
为铝合金，采用变频式电机，可根据冬、夏不同工况
进行风机转动速率的调节。

空冷器的作用是直接用
外界自然空气来冷凝汽轮机的排气，其工艺流程为汽
轮机排气通过粗大的排气乏气管道送至室外的空冷 器散热管束内,轴流冷却风机使空气横掠过散热管 束外表面，通过空气与蒸气间进行热交换，将排气冷
凝成水，凝结水回到热井后再经透平凝液泵加压后外 送至全厂凝结水系统，透平空冷器CCS 压缩机控
制系统）画面和DCS 分布式控制系统）画面配置见
图 1 和图 2 所示， 透平空冷器 CCS 和 DCS 组态关键
监控指标参数见表 1 和表 2。

图1透平空冷器CCS 画面
图2 透平空冷器DCS
画面
第4期李万林:大型甲醇合成装置压缩机透平空冷器冬季操作经验与总结31・
表1透平空冷器CCS关键监控指标参数
空冷风机配置乏气温度凝结水温度1凝结水温度2凝结水温度3凝结水温度4不凝气温度1不凝气温度2二次跳转TI0602TI0603TI0604TI0606TI0607TI0605TI0608
表2透平空冷器DCS关键监控指标参数
乏气温度凝结水温度1凝结水温度2凝结水温度3凝结水温度4不凝气温度1不凝气温度2
TI0602TI0603TI0604TI0606TI0607TI0605TI0608
2透平空冷器运行实际情况介绍
2.1透平空冷器冬季面临问题
经过分析总结近3年装置实际运行情况，该套空冷器严寒冬季运行过程中，有较大的冻凝风险，因为该套装置地处西北，冬季气温最低至-30益以下,环境温度低外加小区域气候频繁降雪影响，导致冻凝风险进一步加大。

主要有操作理念差异、运行工况复杂以及上下游装置协调不畅等实际问题，与此同时，也在不断总结经验，完善冬季透平空冷器专项操作方案以及对透平空冷器进行技改增加PID
比例积分微分）调整和远程温度场显示。

2.1.1操作理念不同
地处恶劣的外界环境下，透平空冷器操作理念统一显得尤为重要，所有岗位人员的操作理念都是建立在自身经验总结的基础上，难免有些偏差，操作理念的差异导致空冷在各种情况之间循环往复。

理论上2号和5号逆流风机列管是其他4台风机冷却后的热量才去的2号和5号风机，所以2号和5号风机列管的热量是最少的，原则是确保2号和5号风机尽量停下来，实际生产操作过程中CCS画面见图3所示,CCS中关键指标见表3所示。

图3冬季某天透平空冷器CCS画面
表3冬季某天透平空冷器CCS关键指标
乏气温度/益凝结水温度1/益凝结水温度2/益凝结水温度3/益凝结水温度4/益不凝气温度1/益不凝气温度2/益
62.761.761.261.461.360.259.0
2.1.2运行工况复杂
在该装置实际生产过程中发现，抛开操作习惯的差异，有时操作人员清楚只要能把风机停下来，就可以用于2号和5号风机的停运、反转回暖调整，但是，为了确保维持透平真空度，1号、3号、4号和6号风机转速降不下来，所以难以实现理想中的借助停运1号、3号、4号和6号风机让热量移至2号和5号风机用于化冻温度场不好的区域。

究其原因，主要是因为：为了避免2台合成塔入口在线氢气分析仪表指标跌破78%,导致班组运行平稳率受到影响，所以系统压力控制的偏高，而为了配合气化装置和净化装置维持入口压力，导致汽轮机的转速上升，直接带来的后果是汽轮机动力蒸汽耗量大于85t,当动力蒸汽大于85t时造成的直接后果
・32・杭州化工第 50 卷
是热量过多，1号、3号、4号和6号风机靠自然冷却 和零转速冷量不够,当风机投入PID 后，1号、3号、
4号和6号风机转速将会涨起来，乏气在1号、3
号、4号和6号风机冷却的越多，导致到2号和5号
号风机列管的热量就越少，更加加剧了 2号和5号风
机列管的温度场显示不好。

图4和图5为该透平空 冷器夏季和冬季运行CCS 画面对比图，表4和表5 为该透平空冷器夏季和冬季运行CCS 关键指标。

图4 透平空冷器夏季运行CCS 画面
图5透平空冷器冬季运行CCS 画面表4透平空冷器夏季运行CCS 关键指标
乏气温度/益
凝结水温度1/益
凝结水温度2/益
凝结水温度3/益
凝结水温度4/益
不凝气温度1/益
不凝气温度2/益
62.7
60.8
60.5
61.0
61.3
49.4
55.5
表5透平空冷器冬季运行CCS 关键指标
乏气温度/益
凝结水温度1/益
凝结水温度2/益
凝结水温度3/益
凝结水温度4/益
不凝气温度1/益
不凝气温度2/益
74.3
73.1
72.7
73.4
73.5
72.1
72.8
第4期李万林:大型甲醇合成装置压缩机透平空冷器冬季操作经验与总结33・
2.1.3协调配合欠佳
和上游净化装置的协调配合上默契欠佳，氢碳比调整不及时或者把握不准，该降的时候降的太多，该提的时候又提的过多。

如果再加上气化装置气体组分波动净化装置调整不及时，这样就更加加剧了系统的波动，直接后果是汽轮机转速变化太大，导致去空冷器的乏气量变化也大，扰乱了透平空冷器的调整节奏，导致空冷器的情况变得愈加复杂，岀现轻微冻堵时，只能通过提高真空度利用高真空进行化冻。

图6为该透平空冷器冬季运行时发生轻微冻堵时的CCS画面图，表6为该透平空冷器冬季运行时发生轻微冻堵时的CCS关键指标。

图6透平空冷器冬季运行发生轻微冻堵时的CCS画面
表6透平空冷器冬季运行发生轻微冻堵时的CCS关键指标显示乏气温度/益凝结水温度1/益凝结水温度2/益凝结水温度3/益凝结水温度4/益不凝气温度1/益不凝气温度2/益
80.679.479.379.379.779.079.2
2.2冬季透平空冷器操作对策
2.2.1统一操作理念
笔者认为,统一岗位人员的操作理念，避免操
作方向不一致导致空冷在各种情况之间循环往复，
与此同时，联系咨询空冷厂家技术专家，督导厂家
给予关于冬季透平空冷器的操作建议和技术指导。

还有实地调研其他类似装置的冬季操作经验以及2
号和5号风机是正转还是反转，反转回暖能不能往
上提转速，操作方法应当以理论基础为遵循和支
撑，尽量让风机停下来，抛开外界自然环境的影响，
只要人为不给太多的冷量，那么空冷器的冻凝都在
可控和可调整范围内，而且还可根据环境温度情况
进行遮挡阻风升降帆布。

该套装置透平空冷器遮挡
阻风帆布情况见图7、图8和图9o
2.2.2特殊工况特殊对待
关于2台合成塔入口氢气运行平稳率在线分析指标可以适当下调，下调后的合成塔入口氢气对于后系统氢回收单元和蒸汽过热炉单元可以接受，不会带来太大的不利影响，特殊时期特殊对待，冬
图7透平空冷器一系列东侧遮挡帆布情况
季重点是安全生产，避免发生冻凝事故，维持高限勉强也是可以控制和操作的，但是操作空间和裕度太小，为了避免跌破指标，往往会降碳，而导
致的直
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杭州化工第50卷
图8透平空冷器二系列东侧遮挡帆布情况
图9透平空冷器一、二系列中间侧遮挡帆布情况
接后果就是为了维持入口压力而不得不关闭喘振，
如果喘振有开度，提高汽轮机转速，进而造成动力蒸
汽耗量上升，空冷器热量发生变化，稍微几吨蒸汽的
变化,空冷器就是一个不小的波动，而且造成的直接
后果就是1号、3号、4号和6号风机无法停下来。

2.2.3建议参考经验值
在冬季初期零下十几摄氏度的环境温度下，汽 轮机动力蒸汽耗量维持在75〜80 t 之间较佳、汽轮 机转速在5 900〜6 100 r/min 范围内较佳，该汽轮
机转速范围下，合成塔床层温度也在合适的温度范
围内，并且副产次中压蒸气的量也会同步上升几吨
至十几吨，因为汽轮机转速过高，意味着空速过大，
热量都被工艺气体带走，导致副产蒸气量降低，而
且汽轮机转速太高对于空冷器的操作相当不利，当 然只是针对这个环境温度不是很低的情况，后续还
根据气温进一步下降情况加以调整帆布遮挡情况 和汽轮机耗汽量参考指标，为后续装置冬季运行积
累经验。

2.3操作经验总结
只要所有岗位人员操作理念一致，工况波动在
一个小范围内，现场加强巡检力度，及时反馈给中
控，中控操作人员结合温度场显示情况，把控好冷、
热量的动态平衡，空冷器防冻是有章可循的。

具体
操作经验为首先提碳，前提是合成系统内1号和2
号合成塔入口氢气含量大于79%,而且系统压力接
近平稳的运行状态下，然后实现降汽轮机转速、开 防喘振阀至5%〜10%,用于应对氢碳比不合适时，
入口压力的控制，给入口压力调整留有裕度，只要
不是太大的氢碳比失调，经过实践证明，效果良好，
空冷器温度场情况稳中向好，再然后实现降1号、3
号、4号和6号风机转速，最后能够停下其中之一， 并且根据实际情况有针对性地进行化冻调整，反转 回暖2号和5号，轮番停运1号、3号、4号和6号
风机其中的1台，如果情况好的时候，甚至可以停
运其中2台，但是这样操作的弊端是需要频繁联系
净化装置调整氢气、一氧化碳和二氧化碳，而且需
要合成岗位的人员精确把握好氢气、一氧化碳和二 氧化碳的调整幅度，或者通过少量多次地进行有序
调整。

此种调整工况下，系统压力在6.85〜7.10
MPa 之间，2台合成塔入口氢气含量在78%〜79%
之间，真空稳定，波动不大，状态稳妥受控，并且1
号、3 号、4 号和 6 号风机转速也不高，甚至为 0 转， 可以实现停运风机，温度场情况也是在可调整范围
内。

表7为透平空冷器温度场检测系统显示指标， 图10为透平空冷器温度场检测系统显示情况。

表7透平空冷器温度场检测系统显示指标
列管编号
M1M2
M3M4M5M6西侧平均温度/益59.852.358.459.6
52.4
57.9东侧平均温度/益58.7
53.8
57.2
58.353.1
56.8
3结论
DAVY 工艺以及近年来在国内主要投产的大型甲醇生产装置生产厂。

然后，以某180万t/a 大型DAVY 本文重点介绍了常见的低压甲醇合成工艺
甲醇生产装置为例，系统阐述了 DAVY 甲醇合成
装
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图10透平空冷器温度场检测系统显示图
置透平空冷器冬季运行面临的问题、难点以及针对 相关问题提岀的具体措施和经验总结,为后续大型甲 醇合成装置,尤其是为西北地区严寒冬季条件下，透 平空冷器的安全稳定过冬提供了参考依据。

参考文献:
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邓刚荣.Lurgi 甲醇合成塔与Davy 甲醇合成塔的比较[J].化工设计通讯,2014,40 4):67-69.
硫酸钠制纯碱及小苏打实现工业化
硫酸和钠碱在化工冶金行业的大量使用，使工
业生产过程产生大量废硫酸钠，硫酸钠大量堆存， 难以实现资源化。

近日，中国科学院过程工程研究
所开发的硫酸钠短流程制备纯碱联产硫酸铵新技 术，应用在辽宁葫芦岛日处理700 m 3硫酸钠废水 示范线，实现连续稳定运行，使该企业纯碱及硫酸
铵实现自给自足，每吨纯碱成本较市场采购价低 400元左右，成本降低约22%。

硫酸钠制纯碱是缓解副产硫酸钠堆存压力的
有效途径，但由于能耗高、硫酸铵杂质含量高等问
题，未能实现工业应用。

科研人员进行过相关研究
工作，但未能取得进展。

以硫酸钠与碳酸氢铵进行 复分解反应制碳酸钠联产硫酸铵，是一种理想的方
法，但无法得到高纯度硫酸铵。

国外科研人员人员
曾采取2次冷冻-高温蒸氨的技术路线，可实现流 程的稳定，但能耗高，工业化难度大，经过扩试后
即停滞不前。

中国科学院过程工程研究所资源环境研究部 研究员郑诗礼课题组的副研究员张洋带领研究团
队克服硫酸钠制纯碱的技术难题，并实现了工业应
用。

研究人员基于复杂五元体系相平衡规律，建立
硫酸钠短流程制备纯碱联产硫酸铵新技术，全过程
无低温冷冻及高温蒸发过程，工艺流程升级为复分
解反应-碳铵循环-硫酸铵结晶-常温结晶4步,
电能及蒸汽等能源消耗较此前降低约20%。

2018年至2019年,该技术先后在辽宁葫芦岛 及四川攀枝花完成工业试验。

2020年9月，在辽宁
葫芦岛建成700 m 3/d 硫酸钠废水100 t 硫酸钠)示 范线，一次开车成功，且实现连续稳定运行。

项目
可年生产纯碱2.5万t 以小苏打计4万t ),硫酸 铵3万t,实现了钠和硫酸根的自循环，且纯碱纯
度大于97%,小苏打纯度大于98%；硫酸铵中N 含 量大于20.5%。

运用该技术后，将硫酸铵产值计入
成本，每吨纯碱的车间成本低于1400元，与氯化钠
制纯碱成本相当。

该技术解决了副产硫酸钠的利用难题，可应用
于矿产芒硝制纯碱过程，具有经济效益和应用前 景，推动了绿色化工及循环经济的发展。

过程工程研
究所拥有完全自主知识产权，己申请相关发明专利。