CSTS二氧化碳压缩机工艺仿真.docx
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CSTS二氧化碳压缩机工艺仿真
CO2压缩机单元
仿真培训系统软件说明书
北京东方仿真软件技术有限公司
2009年1月
第一章装置概况--------------------------------------------------------------------3
第一节单元简介------------------------------------------------------------------------------------3
1.离心式压缩机工作原理----------------------------------------------------------------------------3
2.离心式压缩机的喘振现象及防止措施-----------------------------------------------------------3
3.离心式压缩机的临界转速--------------------------------------------------------------------------4
4.离心式压缩机的结构--------------------------------------------------------------------------------4
5.汽轮机的工作原理-----------------------------------------------------------------------------------5
第二节工艺流程简述-------------------------------------------------------------------------------5
1.CO2流程说明--------------------------------------------------------------------------5
2.蒸汽流程说明-----------------------------------------------------------------------------------------6
第三节工艺仿真范围-------------------------------------------------------------------------------6
第二章主要设备列表-------------------------------------------------------------------7
第三章正常操作工艺指标-------------------------------------------------------------8
第四章工艺报警及联锁系统----------------------------------------------------------9
1.工艺报警及联锁说明--------------------------------------------------------------------------------9
2.工艺报警及联锁触发值---------------------------------------------------------------------------10
第五章工艺操作规程-----------------------------------------------------------------11
第一节冷态开车-------------------------------------------------------------------------------------11
第二节正常停车-------------------------------------------------------------------------------------15
第六章事故列表-----------------------------------------------------------------------16
第七章仿真DCS画面----------------------------------------------------------------19
第一章装置概况
第一节单元简介
CO2压缩机单元是将合成氨装置的原料气CO2经本单元压缩做工后送往下一工段尿素合成工段，采用的是以汽轮机驱动的四级离心压缩机。
其机组主要由压缩机主机、驱动机、润滑油系统、控制油系统和防喘振装置组成。
1.离心式压缩机工作原理
离心式压缩机的工作原理和离心泵类似，气体从中心流入叶轮，在高速转动的叶轮的作用下，随叶轮作高速旋转并沿半径方向甩出来。
叶轮在驱动机械的带动下旋转，把所得到的机械能转通过叶轮传递给流过叶轮的气体，即离心压缩机通过叶轮对气体作了功。
气体一方面受到旋转离心力的作用增加了气体本身的压力，另一方面又得到了很大的动能。
气体离开叶轮后，这部分速度能在通过叶轮后的扩压器、回流弯道的过程中转变为压力能，进一步使气体的压力提高。
离心式压缩机中，气体经过一个叶轮压缩后压力的升高是有限的。
因此在要求升压较高的情况下，通常都有许多级叶轮一个接一个、连续地进行压缩，直到最末一级出口达到所要求的压力为止。
压缩机的叶轮数越多，所产生的总压头也愈大。
气体经过压缩后温度升高，当要求压缩比较高时，常常将气体压缩到一定的压力后，从缸内引出，在外设冷却器冷却降温，然后再导入下一级继续压缩。
这样依冷却次数的多少，将压缩机分成几段，一个段可以是一级或多级。
2.离心式压缩机的喘振现象及防止措施
离心压缩机的喘振是操作不当，进口气体流量过小产生的一种不正常现象。
当进口气体流量不适当地减小到一定值时，气体进入叶轮的流速过低，气体不再沿叶轮流动，在叶片背面形成很大的涡流区，甚至充满整个叶道而把通道塞住，气体只能在涡流区打转而流不出来。
这时系统中的气体自压缩机出口倒流进入压缩机，暂时弥补进口气量的不足。
虽然压缩机似乎恢复了正常工作，重新压出气体，但当气体被压出后，由于进口气体仍然不足，上述倒流现象重复出现。
这样一种在出口处时而倒吸时而吐出的气流，引起出口管道低频、高振幅的气流脉动，并迅速波及各级叶轮，于是整个压缩机产生噪音和振动，这种现象称为喘振。
喘振对机器是很不利的，振动过分会产生局部过热，时间过久甚至会造成叶轮破碎等严重事故。
当喘振现象发生后，应设法立即增大进口气体流量。
方法是利用防喘振装置，将压缩机出口的一部份气体经旁路阀回流到压缩机的进口，或打开出口放空阀，降低出口压力。
3.离心式压缩机的临界转速
由于制造原因，压缩机转子的重心和几何中心往往是不重合的，因此在旋转的过程中产生了周期性变化的离心力。
这个力的大小与制造的精度有关，而其频率就是转子的转速。
如果产生离心力的频率与轴的固有频率一致时，就会由于共振而产生强烈振动，严重时会使机器损坏。
这个转速就称为轴的临界转速。
临界转速不只是一个，因而分别称为第一临界转速、第二临界转速等等。
压缩机的转子不能在接近于各临界转速下工作。
一般离心泵的正常转速比第一临界转速低，这种轴叫做刚性轴。
离心压缩机的工作转速往往高于第一临界转速而低于第二临界转速，这种轴称为挠性轴。
为了防止振动，离心压缩机在启动和停车过程中，必须较快地越过临界转速。
4.离心式压缩机的结构
离心式压缩机由转子和定子两大部分组成。
转子由主轴、叶轮、轴套和平衡盘等部件组成。
所有的旋转部件都安装在主轴上，除轴套外，其它部件用键固定在主轴上。
主轴安装在径向轴承上，以利于旋转。
叶轮是离心式压缩机的主要部件，其上有若干个叶片，用以压缩气体。
气体经叶片压缩后压力升高，因而每个叶片两侧所受到气体压力不一样，产生了方向指向低压端的轴向推力，可使转子向低压端窜动，严重时可使转子与定子发生摩擦和碰撞。
为了消除轴向推力，在高压端外侧装有平衡盘和止推轴承。
平衡盘一边与高压气体相通，另一边与低压气体相通，用两边的压力差所产生的推力平衡轴向推力。
离心式压缩机的定子由气缸、扩压室、弯道、回流器、隔板、密封、轴承等部件组成。
气缸也称机壳，分为水平剖分和垂直剖分两种形式。
水平剖分就是将机壳分成上下两部分，上盖可以打开，这种结构多用于低压。
垂直剖分就是筒型结构，由圆筒形本体和端盖组成，多用于高压。
气缸内有若干隔板，将叶片隔开，并组成扩压器和弯道、回流器。
为了防止级间窜气或向外漏气，都设有级间密封和轴密封。
离心式压缩机的辅助设备有中间冷却器、气液分离器和油系统等。
5.汽轮机的工作原理
汽轮机又称为蒸汽透平，是用蒸汽做功的旋转式原动机。
进入汽轮的高压、高温蒸汽，由喷嘴喷出，经膨胀降压后，形成的高速气流按一定方向冲动汽轮机转子上的动叶片，带动转子按一定速度均匀地旋转，从而将蒸汽的能量转变成机械能。
由于能量转换方式不同，汽轮机分为冲动式和反动式两种，在冲动式中，蒸汽只在喷嘴中膨胀，动叶片只受到高速气流的冲动力。
在反动式汽轮机中，蒸汽不仅在喷嘴中膨胀，而且还在叶片中膨胀，动叶片既受到高速气流的冲动力，同时受到蒸汽在叶片中膨胀时产生的反作用力。
根据汽轮机中叶轮级数不同，可分为单极或多极两种。
按热力过程不同，汽轮机可分为背压式、凝气式和抽气凝气式。
背压式汽轮机的蒸汽经膨胀做功后以一定的温度和压力排出汽轮机，可继续供工艺使用；凝气式蒸汽轮机的进气在膨胀做功后，全部排入冷凝器凝结为水；抽气凝气式汽轮机的进气在膨胀做功时，一部分蒸汽在中间抽出去作为其它用，其余部分继续在气缸中做功，最后排入冷凝器冷凝。
第二节工艺流程简述
1.CO2流程说明：
来自合成氨装置的原料气CO2压力为150Kpa（A），温度38℃，流量由FR8103计量，进入CO2压缩机一段分离器V-111，在此分离掉CO2气相中夹带的液滴后进入CO2压缩机的一段入口，经过一段压缩后，CO2压力上升为0.38Mpa（A）,温度194℃，进入一段冷却器E-119用循环水冷却到43℃，为了保证尿素装置防腐所需氧气，在CO2进入E-119前加入适量来自合成氨装置的空气，流量由FRC-8101调节控制，CO2气中氧含量0.25-0.35%，在一段分离器V-119中分离掉液滴后进入二段进行压缩，二段出口CO2压力1.866Mpa（A）,温度为227℃。
然后进入二段冷却器E-120冷却到43℃，并经二段分离器V-120分离掉液滴后进入三段。
在三段入口设计有段间放空阀。
便于低压缸CO2压力控制和快速泄压，CO2经三段压缩后压力升到8.046Mpa（A），温度214℃，进入三段冷却器E-121中冷却。
为防止CO2过度冷却而生成干冰，在三段冷却器冷却水回水管线上设计有温度调节阀TV-8111，用此阀来控制四段入口CO2温度在50-55℃之间。
冷却后的CO2进入四段压缩后压力升到15.5Mpa（A）,温度为121℃，进入尿素高压合成系统。
为防止CO2压缩机高压缸超压、喘振，在四段出口管线上设计有四回一阀HV-8162（即HIC8162）。
2.蒸汽流程说明：
主蒸汽压力5.882Mpa.湿度450℃，流量82t/hr，进入透平做功，其中一大部分在透平中部被抽出，抽汽压力2.598Mpa，温度350℃，流量54.4t/hr，送至框架，另一部分通过中压调节阀进入透平后汽缸继续做功，做完功后的乏汽进入蒸气冷凝系统。
第三节工艺仿真范围
1．工艺范围
二氧化碳压缩、透平机、油系统
2．边界条件
所有各公用工程部分：
水、电、汽、风等均处于正常平稳状况。
3．现场操作
现场手动操作的阀、机、泵等，根据开车、停车及事故设定的需要等进行设计。
调节阀的前后截止阀不进行仿真。
第二章主要设备列表
1.CO2气路系统：
E-119、E-120、E-121、V-111、V-119、V-120、V-121、K-101。
2.蒸气透平及油系统：
DSTK-101、油箱、油温控制器、油泵、油冷器、油过滤器、盘车油泵、稳压器、速关阀、调速器、调压器。
3.设备说明（E:
换热器;V:
分离器）
流程图位号
主要设备
U8001
E-119（CO2一段冷却器）,
E-120（CO2二段冷却器）,
E-121（CO2二段冷却器）,
V-111（CO2一段分离器）,
V-120（CO2二段分离器）,
V-121（CO2三段分离器）
DSTK-101（CO2压缩机组透平）
U8002
DSTK-101
油箱、油泵、油冷器、油过滤器、盘车油泵
4.主要控制阀列表
位号
说明
所在流程图位号
FRC8103
配空气流量控制
U8001
LIC8101
V111液位控制
U8001
LIC8167
V119液位控制
U8001
LIC8170
V120液位控制
U8001
LIC8173
V121液位控制
U8001
HIC8101
段间放空阀
U8001
HIC8162
四回一防喘振阀
U8001
PIC8241
四段出口压力控制
U8001
HS8001
透平蒸汽速关阀
U8002
HIC8205
调速阀
U8002
PIC8224
抽出中压蒸汽压力控制
U8002
第三章正常操作工艺指标
表位号
测量点位置
常值
单位
备注
TR8102
CO2原料气温度
40
℃
TI8103
CO2压缩机一段出口温度
190
℃
PR8108
CO2压缩机一段出口压力
0.28
MPa（G）
TI8104
CO2压缩机一段冷却器出口温度
43
℃
FRC8101
二段空气补加流量
330
Kg/h
FR8103
CO2吸入流量
27000
Nm3/h
FR8102
三段出口流量
27330
Nm3/h
AR8101
含氧量
0.25~0.3
%
TE8105
CO2压缩机二段出口温度
225
℃
PR8110
CO2压缩机二段出口压力
1.8
Mpa（G）
TI8106
CO2压缩机二段冷却器出口温度
43
℃
TI8107
CO2压缩机三段出口温度
214
℃
PR8114
CO2压缩机三段出口压力
8.02
Mpa（G）
TIC8111
CO2压缩机三段冷却器出口温度
52
℃
TI8119
CO2压缩机四段出口温度
120
℃
PIC8241
CO2压缩机四段出口压力
15.4
Mpa（G）
PIC8224
出透平中压蒸汽压力
2.5
Mpa（G）
Fr8201
入透平蒸汽流量
82
T/h
FR8210
出透平中压蒸汽流量
54.4
t/h
TI8213
出透平中压蒸汽温度
350
℃
TI8338
CO2压缩机油冷器出口温度
43
℃
PI8357
CO2压缩机油滤器出口压力
0.25
MPa（G）
PI8361
CO2控制油压力
0.95
MPa（G）
SI8335
压缩机转速
6935
rpm
XI8001
压缩机振动
0.022
mm
GI8001
压缩机轴位移
0.24
mm
第四章工艺报警及联锁系统
1.工艺报警及联锁说明：
为了保证工艺、设备的正常运行，防止事故发生，在设备重点部位安装检测装置并在辅助控制盘上设有报警灯进行提示，以提前进行处理将事故消除。
工艺联锁是设备处于不正常运行时的自保系统，本单元设计了两个联锁自保措施：
A：
压缩机振动超高联锁（发生喘振）：
动作：
20秒后（主要是为了方便培训人员处理）自动进行以下操作：
关闭透平速关阀HS8001、调速阀HIC8205、中压蒸汽调压阀PIC8224；
全开防喘振阀HIC8162、段间放空阀HIC8101
处理：
在辅助控制盘上按RESET按钮，按冷态开车中暖管暖机冲转开始重新开车
B：
油压低联锁：
动作：
自动进行以下操作：
关闭透平速关阀HS8001、调速阀HIC8205、中压蒸汽调压阀PIC8224；
全开防喘振阀HIC8162、段间放空阀HIC8101
处理：
找到并处理造成油压低的原因后在辅助控制盘上按RESET按钮，按冷态开车中油系统开车起重新开车
2.工艺报警及联锁触发值
位号
检测点
触发值
PSXL8101
V111压力
≤0.09Mpa
PSXH8223
蒸汽透平背压
≥2.75Mpa
LSXH8165
V119液位
≥85%
LSXH8168
V120液位
≥85%
LSXH8171
V121液位
≥85%
LAXH8102
V111液位
≥85%
SSXH8335
压缩机转速
≥7200rpm
PSXL8372
控制油油压
≤0.85Mpa
PSXL8359
润滑油油压
≤0.2Mpa
PAXH8136
CO2四段出口压力
≥16.5Mpa
PAXL8134
CO2四段出口压力
≤14.5Mpa
SXH8001
压缩机轴位移
≥0.3mm
SXH8002
压缩机径向振动
≥0.03mm
振动联锁
XI8001≥0.05mm或
GI8001≥0.5mm（20S后触发）
油压联锁
PI8361≤0.6Mpa
辅油泵自启动联锁
PI8361≤0.8Mpa
第五章工艺操作规程
第一节冷态开车
准备工作：
引循环水:
压缩机岗位E119开循环水阀OMP1001，引入循环水；
压缩机岗位E120开循环水阀OMP1002，引入循环水；
压缩机岗位E121开循环水阀TIC8111，引入循环水；
CO2压缩机油系统开车:
在辅助控制盘上启动油箱油温控制器OMP1045，将油温升到40度左右；
打开油泵的前切断阀OMP1026；
打开油泵的后切断阀OMP1048；
从辅助控制盘上开启主油泵OILPUMP；
调整油泵回路阀TMPV186，将控制油压力控制在0.9Mpa以上；
盘车:
开启盘车泵的前切断阀OMP1031；
开启盘车泵的后切断阀OMP1032；
从辅助控制盘启动盘车泵；
在辅助控制盘上按盘车按钮盘车至转速大于150rpm；
检查压缩机有无异常响声，检查振动、轴位移等；
停止盘车:
在辅助控制盘上按盘车按钮停盘车；
从辅助控制盘停盘车泵；
关闭盘车泵的后切断阀OMP1032；
关闭盘车泵的前切断阀OMP1031；
联锁试验:
油泵自启动试验
主油泵启动且将油压控制正常后，在辅助控制盘上将辅助油泵自动启动按钮按下，按一下RESET按钮，打开透平蒸汽速关阀hs8001，再在辅助控制盘上按停主油泵，辅助油泵应该自行启动，联锁不应动作。
低油压联锁试验
主油泵启动且将油压控制正常后，确认在辅助控制盘上没有将辅助油泵设置为自动启动，按一下RESET按钮，打开透平蒸汽速关阀hs8001，
关闭四回一阀和段间放空阀，通过油泵回路阀缓慢降低油压，当油压降低到一定值时，仪表盘PSXL8372应该报警，按确认后继续开大阀降低油压，检查联锁是否动作，动作后透平蒸汽速关阀hs8001应该关闭，关闭四回一阀和段间放空阀应该全开。
停车试验
主油泵启动且将油压控制正常后，按一下RESET按钮，打开透平蒸汽速关阀hs8001，关闭四回一阀和段间放空阀，在辅助控制盘上按一下STOP按钮，透平蒸汽速关阀hs8001应该关闭，关闭四回一阀和段间放空阀应该全开。
暖管暖机:
在辅助控制盘上点辅油泵自动启动按钮，将辅油泵设置为自启动；
打开入界区蒸汽副线阀OMP1006，准备引蒸汽；
打开蒸汽透平主蒸汽管线上的切断阀OMP1007，压缩机暖管；
打开CO2放空截止阀TMPV102；
打开CO2放空调节阀PIC8241；
透平入口管道内蒸汽压力上升到5.0MPa后，开入界区蒸汽阀OMP1005；
关副线阀OMP1006；
打开CO2进料总阀OMP1004；
全开CO2进口控制阀TMPV104；
打开透平抽出截止阀OMP1009；
从辅助控制盘上按一下RESET按钮，准备冲转压缩机；
打开透平速关阀HS8001；
逐渐打开阀HIC8205，将转速SI8335提高到1000rpm,进行低速暖机；
控制转速1000，暖机15分钟（模拟为1分钟）；
打开油冷器冷却水阀TMPV181；
暖机结束，将机组转速缓慢提到2000rpm，检查机组运行情况；
检查压缩机有无异常响声，检查振动、轴位移等；
控制转速2000，停留15分钟（模拟为1分钟）；
过临界转速:
继续开大hic8205，将机组转速缓慢提到3000rpm，准备过临界转速（3000~3500）；
继续开大hic8205，用20~30秒的时间将机组转速缓慢提到4000rpm，通过临界转速；
逐渐打开PIC8224到50%；
缓慢将段间放空阀HIC8101关小到72%；
将V111液位控制LIC8101投自动，设定值在20%左右；
将V119液位控制LIC8167投自动，设定值在20%左右；
将V120液位控制LIC8170投自动，设定值在20%左右；
将V121液位控制LIC8173投自动，设定值在20%左右；
将TIC8111投自动，设定值在52度左右；
升速升压:
继续开大hic8205，将机组转速缓慢提到5500rpm；
缓慢将段间放空阀HIC8101关小到50%；
继续开大hic8205，将机组转速缓慢提到6050rpm；
缓慢将段间放空阀HIC8101关小到25%；
缓慢将四回一阀HIC8162关小到75%；
继续开大hic8205，将机组转速缓慢提到6400rpm；
缓慢将段间放空阀HIC8101关闭；
缓慢将四回一阀HIC8162关闭；
继续开大hic8205，将机组转速缓慢提到6935rpm；
调整HIC8205，将机组转速SI8335稳定在6935rmp；
投料:
逐渐关小PIC8241，缓慢将压缩机四段出口压力提升到14.4MPa,平衡合成系统压力；
打开CO2出口阀OMP1003；
继续手动关小PIC8241，缓慢将压缩机四段出口压力提升到15.4MPa,将CO2引入合成系统；
当PIC8241控制稳定在15.4MPa左右后，将其设定在15.4投自动；
第二节正常停车
CO2压缩机停车:
调节HIC8205将转速降至6500rpm；
调节HIC8162，将负荷减至21000Nm3/h；
继续调节HIC8162，抽汽与注汽量，直至HIC8162全开；
手动缓慢打开PIC8241，将四段出口
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