摘 要：介绍燃气轮机及空气压缩机自投产运行以来存在的问题，各个时间段通过技术改造取得较好效果，确保燃气轮机及空气压缩机安全稳定长周期运行，满足装置生产需求。
关键词： 燃气轮机压缩机控制系统；燃气轮机压缩机；燃气压缩机
某化肥厂一期合成氨装置的设计能力为 300 kt／ a，燃气轮机和空气压缩机是合成装置最为核心的设备，燃气轮机乏气进入废热锅炉产生高压蒸汽，压缩后的空气进二段转化炉作为工艺空气和送仪表空气管网使用。一期合成氨装置自 1996 年投产已运行 24 a，由于排气氮氧化物超标，根据治理需求，于 2020 年 6 月大修进行燃气轮机整体更换改造，现将燃气轮机及空气压缩机 20 年以来的技术改造进行总结。
1 燃气轮机及压缩机入口增设空冷系统
1.1 改造原因
从 1996 年建厂投产以来，燃气轮机功率受外界环境温度的影响极大，加之海南全年大部分时间都是处于高温状态，机组表现为长期功率不足，白天和晚上系统加减负荷频繁。为提高机组运行稳定性，经设计得出必须将机组入口工艺空气和燃烧空气由长期性的 35 ℃降至约 15 ℃，其燃气轮机和压缩机的功率即满足工艺要求。
1.2 改造方案
空气冷却系统的冷量来源于冷冻系统，通过间接换热的方式，从冷冻系统引来的冷氨先冷却25%的乙二醇溶液， 再利用乙二醇溶液冷却空气，机组入口工艺空气和燃烧空气经过过滤后的温度为 35 ℃，经过空气冷却器换热将其冷却到 15 ℃左右，送往压缩机和燃气轮机，换热后出空气冷却器的乙二醇溶液温度为 11 ℃，经冷媒循环槽、冷媒输送泵送至冷媒氨冷器， 被冷冻系统来的液氨冷却至 1 ℃。工艺流程如图 1 所示。
1.3 改造后效果
改造后空气压缩机入口温度从 35 ℃降到 15℃，提高空气压缩机能力，确保系统在设计压力下运行，不受高温气候影响，机组运行更加稳定。
2 油系统增加一组油冷器
2.1 改造原因
空气压缩机组油冷器为双联型换热器，正常生产时采取一开一备投用方式。使用时发现在经过油冷器冷却降温后总油管油温偏高，油温高会引起油氧化，使其安定性变差，同时大量油气经过放空管排放至大气，造成资源浪费和环境污染。
2.2 改造方案
将油系统原油冷器与新增换热器进行串联，加大换热面积，同时将原有的管线继续保留，在新换热器进、出口管线及原换热器出口管线上，分别增加一个用作隔离切断的截止阀，如换热器进行串联后影响机组油系统相关运行指标时（主要考虑改造后油压的变化），可立即切断新增换热器进、出口管线，改走原换热器管线，确保机组运行安全。油冷器改造流程如图 2 所示。
2.3 改造后效果
改造后润滑油大压降满足机组运行， 串联新换热器后可将油温由 60 ℃降至 45 ℃，减少了机组油箱油气放空量， 将每月补 4 桶 32# 防锈油，降低至每月 1 桶。
3 XINRAN Ⅱ 控制系统改为XR5038 控制系统
3.1 改造原因
燃气轮机控制系统为 XINRAN Ⅱ，由于部分电子元件发生老化， 部分卡件和芯片经多年的运行后，进入故障高发期。整套系统在用卡件和备用卡件较多，需长期备有大量卡件，备件费用较高，控制系统设计复杂，维修难度大。加上 XINRANⅡ 控制系统 2000 年后产商已经停止生产此备件，存在备件缺失风险。
3.2 改造方案
燃气轮机控制系统于 2008 年大修期间进 行全盘改造，XR5038 控制系统由上海信然公司研发。采用分散控制，从输入端子到输出端子，所有的控制功能都是在独立的硬件体系中完成。此次改造保留了原控制系统的所有功能，对其不足之处进行改进，将调速、防喘振、负荷三者协调控制，使用三重冗余容错控制系统可以识别和补偿控制系统元件的故障，并且 XR5038 系统允许在线更换部分故障元件，不中断过程控制。提供 HMI 监控画面，结合现场操作人员习惯提供一个良好的人机界面，实现实时监控和直观、方便的操作。
3.3 改造后效果
XR5038 控制系统改造后，运行稳定，燃气轮机转速控制稳定，速度波动较小，排气温度在 480 ℃左右。提高了机组的自控和操作水平。
4 压缩机一段入口增加纯氧混合装置
4.1 改造原因
合成氨装置原料气更换为贫气的升级改造需要在空气压缩机入口加入纯氧， 确保适当氢氮比的同时提高二段转化炉出口温度， 空气压缩机和附属管道为碳钢材质。用纯氧作为生产原料，安全生产风险极高，采用常规混合方法将纯氧混入压缩机入口难以使氧气和空气快速混合均匀，增加了设备运行风险。为避免发生不安全现象，设计一种新型的氧气混合装置。
4.2 改造方案
新型的氧气混合装置剖面如图 3 所示。
机身顺气流方向半圆筒上开孔 300 个。设计孔径 15 mm，奇数层和偶数层各 12 个开孔，确保氧气和空气平稳快速均匀的混合，以及氧气有充足的流通面积避免产生气流扰动。
4.3 改造后效果
纯氧从混合装置喷出后平稳汇入主气流，氧气和空气在进入压缩机之前快速均匀混合，不在碳钢材质压缩机和管道局部产生富氧环境，避免装置在局部富氧环境中出现油脂自燃、高速的铁锈、焊渣等颗粒与管道发生摩擦和冲击碰撞，引起燃烧并导致管道起火、 机组碳钢部件腐蚀加剧等不安全现象，确保生产装置安全稳定运行。
5 压缩机入口增设空气隔离板
5.1 改造原因
以天然气为原料的合成氨装置采用离心式压缩机为二段转化炉提供工艺空气，由于原料气源替代，原料天然气组分出现较大变化，工艺空气改用富氧空气（氧含量 26%）。但是传统空气压缩机采用梳齿密封方式， 且轴承箱与缸体本体无缝连接，轴承箱的油气会串入压缩机缸体，从而导致压缩机出现各段间入口管道有油垢积累和轴端气封底部有润滑油积存等问题。若纯氧和空气混合不均匀，油气、油垢和润滑油与富氧空气接触，存在自燃和爆炸风险，成为设备运行的重大安全隐患。
5.2 改造方案
为确保机组运行安全，设计空气压缩机隔离气装置，在压缩机轴承油封处引入隔离气，作用于轴端密封与轴承油封之间，杜绝富氧空气与油气接触。设计隔离气供气装置，提供稳定压力的隔离气，利用设备原有的工艺孔，引隔离气进入轴端密封外侧轴承油封梳齿密封中部，通过轴端密封腔室顶部放空口排放，密封压力大于轴承箱油气压力。空气隔离气挡板改造如图4 所示。
图4 空气隔离气挡板改造
1，3，4，5，8，9，10，12，14，17，19，21，23—闸 阀 ；6，7—过滤器；2，15，16—压力表；11—自力式调节阀；13—限流孔板；18，20，22，24—止逆阀
隔离气总管过来的隔离气经截止阀后，被过滤器过滤，自力式调节阀调节压力和流量，从带止逆阀的隔离气各支管进入压缩机各轴端密封腔室。自力式调节阀设计旁路，便于阀门在线维修，旁路设置孔板确保始终有一定流量。
5.3 改造后效果
隔离气装置投入使用后，油气被隔离，避免了压缩机因油气沉积在叶轮上所造成的功率下降，能节约燃料天然气。因工艺需要，必须在空气压缩机入口加入纯氧，空气氧含量由 21%增加到26.1%（富氧空气）。如不实施隔离气改造，油气会混入富氧空气中产生自燃甚至爆炸，从而造成停车和设备损坏等事故。
6 燃气轮机燃料气增加供气管线
6.1 改造原因
某化肥厂一期有三条天然气供应管线 ，2016 年技术改造后，燃料气供应有崖城气管线和脱碳气管线。气经预脱碳装置脱碳后含凝析油、胺液和水，气基本不含杂质和水分，热值与脱碳后的东方气只有微小差别，因此，气更适合燃气轮机使用。燃气轮机在运行中由于崖城气供气存在不确定因素，可能影响装置正常生产，需要用气或脱碳气短时间内替代。经咨询燃气轮机厂家，在不注汽情况下，燃气轮机无需改动能短期使用气和脱碳气作为崖 13-1 的替代气源，计划可行。
6.2 改造方案
燃气轮机燃料气供气压力调节前有两条供气管线，一条为崖城气，一条为天然气压缩机高压缸段入口供气管线，用盲板隔离，如图5 所示。
改造后流程增加气到崖城气管线，设双阀和导淋，增加阀门，盲板变换位置。如图 6 所示。
6.3 改造后效果
改造后，实现燃气轮机气的相互快速切换，能避免因气中断或减少而造成的停车，确保装置稳定运行。满足不同工况时的生产需要，解决装置老化折旧中产生的问题，为未来的更新改造提供经验。
