梁志敏
（中海石油天野化工有限责任公司，内蒙古 呼和浩特010070）
［摘 要］中海石油天野化工有限责任公司300 kt/a合成氨装置于1996年投产，经过2次改造后，合成氨装置运行稳定且能耗大大降低。2020年6月16日，天野化工氨合成系统工况异常，表现为氨合成塔催化剂床层温度持续下降、合成气压缩机出口压力逐渐上涨、合成气压缩机段间压差持续上涨等。为此，列出异常参数，并将所有可能的因素全部列出，逐一排除，最终确认是系统内惰性气（主要是氦气）含量高（源于原料天然气中氦气含量高）所致。找到症结所在后，通过适当开循环回路弛放气调节阀排放系统内的氦气，持续约6个月，原料天然气中氦气含量下降至正常范围后，氨合成系统工况恢复正常。并总结本次氨合成系统工况异常的经验教训，提出合成氨装置下一步优化技改规划。
［关键词］合成氨装置；氨合成系统；工况异常；原因排查；惰性气含量高；氦气；调整处理；经验总结
［中图分类号］TQ113.26+6 ［文献标志码］B ［文章编号］1004-9932（2022）05-0035-05
0 引 言
中海石油天野化工有限责任公司（简称天野化工）300 kt/a合成氨装置（配套520 kt/a尿素装置）气化系统原设计采用Shell渣油气化，原料气净化采用鲁奇两步法低温甲醇洗脱硫脱碳工艺，在脱硫脱碳之间设有CO变换系统，脱碳后的工艺气经Linde液氮洗工艺脱除其中的CO、CH4等杂质气体后，配适量的N2送氨合成系统，H2与N2通过载有氨合成催化剂的凯洛格卧式合成塔合成氨。300 kt/a合成氨装置于1996年投产，2005年8月实施了原料路线改造——气化原料由渣油改为天然气，2005年10月改造完成后投产；2016年7月，合成氨装置进行了流程改造，将原流程中的炭黑洗涤单元及脱硫单元增设旁路作为备用流程，改造后，合成氨装置运行稳定且能耗大大降低。以下就2020年6月中旬开始的氨合成系统工况异常及其处理等作一介绍。
1 氨合成系统工艺流程简介
天野化工氨合成系统工艺流程如图1。经净化的H2/N2（摩尔比）=3∶1的合成气进入合成气压缩机（GB601），经压缩后与来自氨合成系统的循环气汇合后进入氨合成塔，在高温高压及氨合成催化剂的作用下生成气氨；氨合成塔出来的气氨经工艺蒸汽过热器（EA605）和合成废热锅炉（EC604）回收热量并副产4.15 MPa（A）蒸汽，接着依次经合成塔进出口换热器（EA601）、循环水水冷器（EA603）进一步冷却至38 ℃后，进入组合氨冷器（EC601）冷凝，绝大多数氨被冷凝下来，然后进入氨分离器（FA601）进行气液分离，分离出的循环气经EC601换热后返回合成气压缩机入口，产品液氨则去氨贮罐和尿素装置。氨合成系统中，EA603后有3″放空管线，使用现场两道手动阀控制；循环气至合成气压缩机入口管线上有2″放空管线，使用循环回路弛放气调节阀（FC604）控制，排惰性气时使用。
天野化工合成氨装置无在线分析检测仪，日常生产中，主要依据出液氮洗系统工艺气N2含量（AA55206）、合成气压缩机二段与三段的压差（PDA604）、氮洗塔入口工艺气温度（T55205）等工艺运行数据与操作经验以及每班2次的化验分析数据［分析化验取样点分别为合成气压缩机出口管线上的S601和合成塔出口管线上的S602］作为参考进行调整。
2 合成氨装置异常工况描述
2020年6月16日，天野化工氨合成塔各催化剂床层温度持续下降，合成气压缩机（GB601）出口压力由正常时的约10.45 MPa逐渐上涨至10.95 MPa并出现高报警，GB601段间（二段与三段，下同）压差也相对较高——由正常时的约0.69 MPa上涨至约0.78 MPa，GB601入口压力由正常时的约4.35 MPa逐渐上涨；同时，合成气压缩机出口管线上的S601和合成塔出口管线上的S602两处分析数据显示合成气中的（N2+Ar）含量高［天野化工分析化验条件做不了纯氮气含量的分析，只能以（N2+Ar）含量的形式呈现分析结果］，遂减N2量，以调整氨合成系统H2/N2，调整后工况无好转且有所恶化；为防止催化剂床层温度持续下降致氨合成反应不好而引发事故，逐渐关冷激线流量调节阀（HC603）——阀位由正常时的30%关至11%，以调整催化剂床层温度，系统调节余量逐渐减小；关小HC603后，合成循环气量逐渐增大，合成气压缩机入口压力、出口流量、段间压差等指标异常升高，为维持氨合成系统的压力，合成气压缩机转速由正常时的11 670 r/min提升至 11 890 r/min。考虑到合成氨装置的节能与环保，一直以来在非必要情况下氨合成系统是不开或少开惰性气排放阀（FC604），但当时考虑到系统工况在持续恶化，采取了将FC604开启50%的操作，持续8 h后系统工况有所好转。氨合成系统异常工况与正常工况的主要工艺数据对比见表1。
3 异常工况可能造成的危害或影响
2020年6月16日出现的氨合成系统工况异常，如果不及时调整或已调整至极限，可能造成以下危害或影响：① 氨合成塔催化剂床层温度持续下降，工况将进一步恶化，一旦氨合成塔垮温，氨合成系统将被迫停车退气；② 合成回路循环气量增大，合成气压缩机转速升高，合成气压缩机功耗增加，同时系统压力升高，向系统输送介质的各动设备出口压力增高而能耗增加；③ 氨合成反应不好，前系统压力升高，影响气化炉的安全运行，且频繁调整系统压力易导致工况波动，影响合成氨装置的安全运行；④ 如果系统工况进一步恶化，合成气压缩机转速再也没有了调节余地、合成塔冷激线已全部关闭、氨合成塔催化剂床层温度再无调节余地时，将造成合成气压缩机入口压力过高，合成气压缩机入口放空阀开启，合成气损失，导致氨产量下降、系统消耗增高；⑤ 当合成气压缩机入口放空阀开启后，合成气压缩机入口流量低、出口压力高，易造成合成气压缩机喘振，处理不当将会导致系统停车甚至设备损坏。
4 原因排查与分析
更多内容详见《中氮肥》2022年第5期