杨学智（中国石油宁夏石化公司）
宁夏石化公司国产大型化肥装置是中国石油在国内首套采用自主技术建设的工业化生产装置，工艺技术全部实现国产化，各项工艺技术指标均达到了国际先进水平，拥有自主知识产权，设计年产合成氨45×104t、尿素80×104t。其中合成氨采用蒸汽转化工艺技术，尿素采用CO2汽提工艺技术。天然气压缩机、空气压缩机、氨压机、合成气压缩机、CO2压缩机等五台机组全部由国内厂家制造，机组全部采用12.0 MPa和5.0 MPa过热蒸汽作为动力源。主要设备国产化率达到95%以上，总体工艺流程和设备结构进行了集成、优化和创新，具有能耗低、操作简单、安全等特点。是具有国际先进水平的大型氮肥装置。近年来，通过工艺管理和员工培训、工艺优化等手段，减少了非计划停车次数，通过优化一段炉运行、降低水碳比、投用炼厂干气等措施，保持工况优化运行，保证装置安全稳定长周期运行，确保了装置综合能耗维持最低，氨产量尿素产量达到了较高的水平。
1.1 合成氨装置特点
合成氨装置以天然气为原料，转化部分采用一、二段蒸汽转化工艺，变换部分采用高温变换和低温变换工艺，脱碳采用MDEA脱碳技术，氨合成部分采用三床轴径向复合床间接换热式合成塔，氨合成压力15.5 MPa，冷冻系统为两级氨冷，并设有5 000 m3氨储罐和氢回收装置。
1.2 尿素装置特点
80×104t/a尿素生产装置，依托CO2汽提工艺技术，采用了尿素高效浸没式冷凝，三级真空浓缩新方法。尿素生产工艺主要包括：CO2压缩和脱氢、液氨升压、高压合成与汽提回收、低压分解回收与真空预浓缩、蒸发与造粒、工艺冷凝液处理等工序。
1.3 装置中技术特点
1）工艺国产化。45×104t合成氨、80×104t尿素装置中技术创新工艺国产化。宁夏石化45/80×104t项目作为成果转化平台，是中国石油第一套自主开发的大氮肥成套工艺技术建设的具有国际先进水平的大型化肥装置，也是国产化的DCS分析技术建立的合成氨、尿素装置三组模型，进行工艺管线和设备布局的整体优化，总体工艺流程和设备结构进行了集成、优化和创新，合成氨综合能耗等主要技术指标达到了国际先进水平，并获得了自主知识产权数十项。
2）设备国产化。在装置建设中，集成国内行业领先的设备制造商，采取自主设计，国内制造的方式，先后完成了一段转化炉、氨合成塔内件、尿素高压设备、尿素高压氨泵、合成气压缩机、工艺空气压缩机、氨气压缩机、天然气压缩机、CO2压缩机等多项重大设备的专项研究。关键设备国产化率达到95%以上，投资成本仅为国外的80%。不仅为国家节约了大量的外汇投资，更在设备自主研发制造上取得了新的突破。
3）控制系统国产化。宁夏石化公司三化肥装置全流程使用了国内最新推出的MACS-K大型分布式控制系统，该系统采用了全冗余，多重隔离等可靠技术，吸收了安全系统的设计理念。改进、完善、组态软件的友好性和易用性，降低了入门难度，提高了用户组态的效率，提升了用户的体验感。
2.1 技术创新
在合成氨装置中采用较高的转化压力。虽然低压有利于转化反应的进行，但提高压力可以节省压缩功、减少设备投资、有利于工艺余热的利用[1-3]。该装置一段转化出口压力设计为4.05 MPa。
另外装置中还采用比较温和的一段转化方案。考虑国内制造厂的制造水平，为了使一段转化炉炉管的操作条件不太苛刻，该工艺在二段转化炉加入了20%的过量空气，使一部分一段转化炉的负荷转移到二段转化炉中。一段转化出口温度为803℃，CH4残留量为14.23 mol%（干基）。延长了一段转化炉管的使用寿命。
同时综合考虑一段转化炉对流段能量的回收利用，提高原料气预热温度，将一段转化炉的混合进料和工艺空气预热到尽可能高的温度，分别为560℃和500℃。增加一段炉对流段各组能量回收盘管之间的温度调节措施，设计充分考虑了一段转化炉对流段的能量回收利用和盘管材料的选择，有效保证了装置安、稳、长、满、优运行。
2.2 技术应用
1）合成塔的应用：1 500 t/d“三床轴径向复合床间接换热式高效节能型氨合成塔为立式反应器，有高压外壳和内件两部分构成。典型操作压力为11～15 MPa，合成气进气温度一般在185～230℃，具有较高的氨净值，塔出口氨浓度可达到18.88%。
氨合成塔内部有三个催化剂床层，均装有铁系催化剂。一层装催化剂15.5 m3、二层装催化剂29.2 m3、三层装催化剂48.2 m3。合成气在第一床层为轴向流动，汽提分布均匀，并可减少有害物质对催化剂的影响，能充分有效利用催化剂。由于第二层和第三层催化剂装填量大，为减少气体阻力，所以采取了轴径向流动，全塔阻力压降小，循环压缩机功耗低。合成塔内部设有两台换热器，通过间接换热控制第二、三床的床层入口温度，合成塔的氨净值高。合成气出第三催化剂床层后不经过就出合成塔，可副产高压饱和蒸汽或中压过热蒸汽，提高了高温热能的利用率。
合成塔高压外壳属高温、高压设备，内部工艺气氢含量高，合成塔采用多层包扎与大型锻件相结合的制造工艺，即筒体采用耐高温、抗氢腐蚀的铬钼钢内筒，外包扎多层高强度钢板，上下球形封头与筒节间采用大型锻件连接。大盖密封采用可拆的双锥密封结构，便于操作、检修。采用寰球氨合成塔自主技术优化氨合成塔结构。氨合成塔采用寰球专利技术三床轴径向复合床间接换热式高效节能型氨合成塔。降低了专利费及基础设计费，并降低了设备制造成本，可实现设备制造自主化。该合成塔的优点是：
一是生产能力大、全塔压降小、采用内部换热氨净值高、可副产高压饱和蒸汽。
二是优化了合成气压缩机配置。压缩机的压缩段和循环段串联配置在一起，出循环机的压力就是入塔压力，因此合成塔置于整个合成回路的最高压力点上，有利于提高氨净值及降低压缩功耗。
三是优化了氨合成回路。氨合成回路余热回收采用合成气在塔内反应结束后不经换热，直接出塔进入废热锅炉和锅炉给水预热器，副产12.5 MPa、328℃的饱和蒸汽。经一段转化炉对流段盘管过热后，可用于驱动蒸汽透平，提高余热回收利用等级。同时优化氨冷冻分离温度等级，综合平衡氨压缩机和合成气压缩机之间的压缩功，选择适宜的合成压力优化氨合成回路。
2）其它新技术的应用：在装置的建设中大量使用同类装置相似的新技术，一段炉采用国产HP50薄壁管，新型低NOx炉顶烧嘴；
二段炉采用20%过量空气，降低了一段炉负荷，增加了热量利用。二段炉使用新型空气混合器，天然气压缩机、空气压缩机、CO2压缩机、合成气压缩机、氨气压缩机全部采用干气密封形式，简化了压缩机操作，避免了介质污染隐患；
一段炉引风电动机采用变频技术，有利于炉膛负压控制，确保一段炉稳定操作[4-5]。
宁夏石化45/80项目通过采用新技术、新设备、新工艺和新材料的集中应用，优化了工艺流程，综合利用了工艺过程产生的余热，合理优化了整个装置蒸汽平衡和蒸汽管网等级，大型转动设备采用高效机组，提高了能量利用效率，达到了吨氨能耗较先进的水平。尿素装置的能耗水平也控制较低水平。合成氨装置能耗水平见表1，尿素装置消耗水平见表2。
表1 合成氨装置能耗水平Tab.1 Energy consumption level of ammonia device
表2 尿素装置消耗水平Tab.2 Energy consumption level of urea device
2021年装置能耗见表3，从2021年3月16日开车至11月13日停车，装置负荷一直维持在100%以上运行，合成、尿素两套装置运行稳定，开工锅炉稳定运行，均超出设计能力，完全满足生产需要。
表3 2021年装置能耗Tab.3 Energy consumption of device in 2021
4.1 存在问题
从表3可以看出影响能耗高的原因主要是天然气、蒸汽、脱盐水、电耗等超过了设计值。
按照以上物料消耗的分析，装置存在以下问题：
1）天然气消耗高于设计值，主要原因是非计划开停车所造成的，一段转化炉燃烧空气过剩系数偏高，一段转化炉热效率低，天然气消耗增大。另外系统压力偏低、转化炉水碳比控制较高，反应余热利用不够，废锅汽包产气量低，也是天然气消耗增加的因素。
2）蒸汽消耗过高，由于CO2压缩机低压缸问题，防喘振系统不稳定，防喘振阀始终有开度，造成压缩机的运行效果差，使CO2压缩机的用汽量及尿素装置的用汽量都有所增加。
3）脱盐水消耗较高，主要是合成和尿素装置冷凝液回收系统，冷凝液电导超标，加至蒸汽管网的优化不好，中压蒸汽、低压蒸汽放空较多，导致蒸汽冷凝液回收进不到脱盐水系统。
4）装置电耗高，主要是合成和锅炉部分用蒸汽透平带动的机泵，透平运行不稳，一直采用电动机带动运行，增加了电耗。
4.2 优化措施
1）优化蒸汽管网，降低装置蒸汽消耗。在装置运行上进行关闭蒸汽管网的所有放空阀门，根据蒸汽管网的运行情况，在确保蒸汽管网压力稳定的条件下，利用开工锅炉负荷进行微调平衡管网，逐渐关闭各压力等级蒸汽管网的放空阀门。利用蒸汽管网高压蒸汽到中压蒸汽减压阀合成气压缩机，调整高压蒸汽管网压力，确保高压蒸汽放空阀门处于关闭状态。根据低压管网运行情况，利用低压管网减压阀调整低压管网压力，使低压蒸汽放空阀门关闭。利用次中压管网减压阀门调整次中压管网压力，确保次中压管网放空阀门关闭。确保中压蒸汽用户用汽量稳定、高压蒸汽压力稳定的情况下，进行开工锅炉负荷的微调，再利用加压阀调整，关闭中压蒸汽放空阀[6-7]。
2）优化一、二段转化炉运行，降低吨氨天然气消耗。天然气消耗是合成氨生产消耗主要指标，一段转化炉的天然气燃料消耗占合成氨能耗的70%。优化调整转化工况，降低吨氨天然气消耗在降成本装置安全运行等方面起着举足轻重的作用。提高装置系统压力，提高工艺余热的利用，天然气蒸汽转化反应是一个体积增大、吸热反应，低压有利于转化反应的进行，但提高压力有利于工艺余热的利用。2022年制约生产的瓶颈设备更新改造后，为装置系统压力的提高创造了有利的条件，利用提高合成气压缩机入口压力的方式来提高转化压力，同时分别提高原料气压缩机、空气压缩机的转速来提高出口压力稳定装置负荷，提高转化工段汽包产汽量，降低开工锅炉运行负荷，达到降低天然气消耗的目的。转化炉水碳比的高低也影响着燃料天然气的消耗，优化水碳比的调整，降低天然气消耗，根据转化工况的运行情况制定水碳比优化调整统筹，逐渐将水碳比从3.5调整到3.1，降低一段炉烧嘴燃料天然气量消耗[8-10]。
合成装置二段炉是大型化肥装置利用反应余热的关键设备，作用就是空气和工艺气中的氢气进行燃烧反应，产生的热量工二段转化炉进行CH4蒸汽转化反应，在二段转化炉加入过量空气，利用空气来提高触媒床层温度，使二段炉出口CH4小于0.55%。通过控制一段炉出口温度在770～785℃，出口CH4大于10%，降低一段炉热负荷，将一部分一段转化炉的负荷转移到二段转化炉中，降低吨氨天然气燃料消耗，实现一段转化炉的温和操作。
在生产运行中，当合成系统内的氮气超标时，合成系统循环气量增大，岗位人员就通过氢回收膜系统的旁路阀门增加弛放一部分弛放气到一段转化炉燃料气系统，调整合成回路的氢氮比，使合成系统的反应达到最佳状态，这样氢回收放出的弛放气可以替代燃料天然气，也是降低天然气消耗措施。
3）优化压缩机运行，降低蒸汽消耗。CO2压缩机是抽汽凝汽式压缩机，可以通过增加抽汽和减少冷凝液的用量来调整压缩机的功耗，工况好的情况下，增加抽汽，减少冷凝，有利于节能。同时压缩机制造厂商，积极对压缩机低压缸装置进行节能型转子的更换，解决了低压缸能力不匹配的问题。重新进行了压缩机防喘振曲线的标定，运行参数优化，其运行性能曲线处在合理状态。对压缩机低压缸入口管线进行了柔性支撑，防止了产生共振造成防喘振系统不稳定，机组防喘振阀门关闭，使得压缩机的运行最经济。CO2压缩机的用汽量及尿素装置的用汽量降低，达到节能降耗的目的。
4）优化启停泵，减少节电。在优化蒸汽管网后，利用部分中压蒸汽，积极将锅炉给水泵蒸汽透平泵开起来，停止电泵为备用，另外将一段炉引风机、冷氨泵等大型电动机改为变频控制，既增加了运行的控制稳定，也节省了装置用电。
5）有效操作和回收，降低脱盐水消耗。降低脱盐水消耗，主要是在加强工艺冷凝液、蒸汽冷凝液电导指标的监控，对合成工艺冷凝液汽提塔的稳定操作，对汽提蒸汽的流量进行了要求，使汽提塔工艺冷凝液中的氨和醇类杂物充分汽提掉，是工艺冷凝液电导指标达到脱盐水的要求，可以回收利用。
另外加强中压蒸汽、低压蒸汽冷凝液的回收，利用部分闲置设备完善原有的蒸汽冷凝液回收系统，通过有效冷凝分离，将现场大量的蒸汽冷凝液回收，效果比较好，通过这些措施基本解决了脱盐水消耗高的问题。
通过各种节能措施，国产大型化肥装置的综合能耗水平，部分指标达到了设计指标，部分指标逐渐向设计指标靠近。
国产大型化肥装置是中国石油寰球工程公司，按照国际先进水平设计的化肥装置，实现低成本，高负荷连续生产。通过装置的技术改造和对工况的指标的优化，加强设备的维护，班组员工的基础管理等措施，减少了非计划停车。2022年宁夏石化公司国产大型化肥装置综合能耗，比上年有较大幅度的降低，提高了能源利用率，实现装置安全、可靠、平稳运行。
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