王鹏，王永鹏，何强红
（甘肃丰盛环保科技股份有限公司，甘肃 永昌737200）
［摘 要］甘肃丰盛环保科技股份有限公司200 kt/a合成氨装置（焦炉气生产线+半水煤气生产线）实际生产中长期存在焦炉气与半水煤气供应严重不足的问题，致使2台净化气压缩机（4M50-21/15.8-220型四级对称平衡型往复式压缩机，当前4台净化气压缩机两开两备）全年负荷率维持在43.0%～64.5%，装置综合电耗较设计值高出28%。为此，开展低负荷场景下压缩机本体节能改造技术研究，确定了“减量—降速—减缸行程（活塞行程削减+缸径不变）”的耦合技改路线，并于2025年5—7月与沈阳金博气体压缩机制造有限公司合作完成了1台现役净化气压缩机的节能技改。改造后，净化气压缩机容积流量下调25%（机组额定流量由24 000 m3/h降至18 000 m3/h）、轴功率下调35.3%（机组轴功率由3 245 kW降至2 100 kW，匹配2 300 kW电机），经济效益与环保效益显著。此举首次验证了“活塞行程削减+电机功率适配”本体改造路线应用于（原设计排气压力）31.30 MPa（A）等级往复式压缩机组的可行性，也验证了低负荷场景下高压多级往复式压缩机节能采用“源头减量”本体改造技术比传统的“变频+回流”调节技术更具技术经济优势。
［关键词］合成氨装置；低负荷场景；净化气压缩机；节能改造；活塞行程削减+电机功率适配；技改方案；总体评价
［中图分类号］TQ113.25+1.3 ［文献标志码］B ［文章编号］1004-9932（2026）04-0026-05
0 引 言
合成氨是我国农业与化工产业的基础性原材料，合成氨行业稳定生产与绿色转型对国家经济安全及“双碳”目标实现意义重大[1]。但当前合成氨行业面临严峻的产能结构性过剩问题，西北、华北部分企业受原料供应不稳定、市场需求波动等影响，开工率长期低于50%。低负荷运行严重影响合成氨装置运行的高效性与经济性，尤其是大型压缩机组在此工况下运行效率大幅下降，其电耗占比会由设计工况的55%攀升至70%以上，既增加企业生产成本，又成为行业碳排放居高不下的“出血点”，制约行业的可持续发展。
在压缩机组的节能降耗实践中，传统手段以变频调节结合回流或旁通控制为主，但对于合成氨装置核心动设备如高压多级往复式压缩机，该方法存在明显局限——这类压缩机循环功耗大（部分出口气回流至压缩机入口循环压缩）、级间参数匹配复杂，此举会导致轴系扭振风险增加，还会产生额外的约35 dB（A）高频噪声，且变频调节节能率不足8%，难以满足系统高效、低耗、安全、环保运行需求。在“双碳”战略与下游产品（如尿素）市场持续低迷的双重压力下，合成氨装置长期低负荷运行已成为业内的共性难题，探索压缩机组“源头减量、本体降耗”的新型节能技术路径，成为合成氨装置低负荷场景下节能降耗的迫切需求。
甘肃丰盛环保科技股份有限公司（简称甘肃丰盛）200 kt/a合成氨装置于2013年7月投产，原设计以焦炉气为原料，设计原料焦炉气量为41 500 m3/h（标态，下同），由于上游焦化装置焦炉气供应量过低，焦炉气实际供应量时常不到20 000 m3/h，合成氨装置投产以来负荷长期维持在30%～50%；2019年9月，金昌兰石气化技术有限公司日投煤千吨级流化床加压气化炉投产，设计供应甘肃丰盛半水煤气41 000 m3/h，焦炉气生产线+半水煤气生产线在焦炉气和半水煤气供应充足的情况下可使甘肃丰盛合成氨装置达到200 kt/a的设计产能[2]。其中，焦炉气生产线简易工艺流程为焦炉气→气柜→电捕焦器→罗茨风机→焦炉气冷却清洗塔→焦炉气脱硫塔→焦炉气压缩机→滤油器→预脱硫槽→初预热器→铁钼加氢脱硫槽→锰矿石脱硫槽→蒸焦预热炉→转化炉→转化中变炉→氧化锌精脱硫槽→低变炉→热钾碱脱碳→甲烷化炉→净化气压缩机→氨合成塔；半水煤气生产线简易工艺流程为半水煤气→气柜→电捕焦器→罗茨风机→半水煤气冷却清洗塔→半水煤气脱硫塔→半水煤气压缩机→锰矿石脱硫槽→氧化锌精脱硫槽→低变保护剂槽→半水煤气变换炉（半水煤气生产线变换气与焦炉气生产线转化气汇合，即半水煤气生产线变换气于此并入焦炉气生产线）→转化中变炉。
由于甘肃丰盛200 kt/a合成氨装置长期存在焦炉气与半水煤气两大核心气源供应严重不足的问题，致使2台净化气压缩机（4台净化气压缩机当前两开两备）全年负荷率（2台净化气压缩机整体打气量）维持在43.0%～64.5%，装置综合电耗较设计值高出28%，是业内低负荷场景下大型离心/往复式压缩机组“大马拉小车”造成合成氨装置综合电耗居高不下并直接吞噬企业边际利润的典型缩影。为此，以甘肃丰盛合成氨装置现役1台往复式4M50-21/15.8-220型四级对称平衡型净化气压缩机（简称4M50型压缩机）为样板，开展低负荷场景下压缩机本体节能改造技术研究，通过试验测试与理论分析验证改造方案之技术可行性及其经济效益，并总结可复制经验，旨在破解合成氨装置低负荷场景下的节能降耗难题，为推动企业节能降碳转型提供关键数据支撑与科学决策依据。以下对有关情况作一介绍。
1 往复式压缩机节能路线及本体改造技术难点
1.1 往复式压缩机节能技术路线对比分析
往复式压缩机节能技术主要有变频调节、无级气量调节、机械改造等方式，其适用条件与节能效果各不相同。变频调节技术通过改变电机频率调节转速以控制压缩机打气量，调节平稳且能精准匹配气量，但仅适用于一级进气压力稳定、排气压力＜10 MPa的中低压机组[3]，用于高压多级机组时，会打破级间压比平衡，导致末级排气温度升高30～50 ℃、设备损耗加剧，且节能率一般不足8%，难以满足高压场景需求。无级气量调节技术（HydroCOM/Step-Control）依靠液压机构控制进气阀关闭时间调节进气量[4-5]，调节范围0～100%，应用于负荷波动大的场景，可避免能源浪费，理论节能率15%～20%，不过其初期投资高（单位功率投资约1.2万元），且对介质敏感，气体含尘超5 mg/m3或含黏性物质时易致机构卡涩、阀密封失效，需增设高成本预处理单元，其在化工、焦化装置等复杂工况下应用受限。机械改造技术方面，活塞行程削减+缸径变更技术通过机械加工缩小活塞行程与气缸内径，降低往复式压缩机理论容积流量以适配低负荷，理想节能率20%～40%，改造后压缩机运行稳定，但实施难度大，需重新开展全系统热力学与动力学计算，目前成功案例少，仅少数小型低压机组试用，尚无成熟规范与体系。
1.2 往复式压缩机本体改造技术难点
高压多级往复式压缩机在低负荷场景下的本体改造属机械改造技术，存在两方面的技术难点：一是高压级部件在气体作用力下易发生非线性变形，传统设计方法难以准确预测，改造后易出现密封失效、磨损加剧等问题；二是活塞行程改变会影响曲柄连杆机构惯性力，可能引发轴系扭振，目前缺乏相关定量研究。以4M50型压缩机为研究对象，需针对上述问题进行分析与探讨，结合试验进行改造，为技术改造提供依据。
2 技改背景与问题诊断
更多内容详见《中氮肥》2026年第4期