技術(shù)創(chuàng)新在空分設(shè)備中的應(yīng)用

20112.10.30技術(shù)創(chuàng)新在空分設(shè)備中的應(yīng)用王兆宇【內(nèi)容提要】在空分設(shè)備實際生產(chǎn)中，結(jié)合空分設(shè)備的實際狀況，通過氮氣加溫技術(shù)、制氧機(jī)組快速開車啟動技術(shù)、氬工況優(yōu)化操作等技術(shù)創(chuàng)新，優(yōu)化工藝操作過程及步驟，提高空分設(shè)備的工作效益，解決目前空分設(shè)備存在的故障及隱患，確保空分設(shè)備的穩(wěn)定運行，實現(xiàn)挖潛增效。隨著空分制氧新技術(shù)、新工藝的發(fā)展與應(yīng)用，空分設(shè)備的工藝流程也隨之發(fā)生變化，由鋁帶蓄冷器凍結(jié)高低壓第一代空分流程發(fā)展到目前常溫分子篩凈化填料型上塔全精餾制氬第六代空分流程，空分設(shè)備向著大型化、自動化、節(jié)能化方向快速發(fā)展，空分制氧技術(shù)日新月異。為確?？辗衷O(shè)備的穩(wěn)定、連續(xù)、長期運行，作為專業(yè)技術(shù)人員必須對空分設(shè)備工藝流程技術(shù)及特點進(jìn)行深入透徹的學(xué)習(xí)與鉆研，掌握各項性能并不斷優(yōu)化改造。隨著行業(yè)形勢陷入低迷，集團(tuán)公司提出以降本增效為戰(zhàn)略核心的管理模式，對專業(yè)技術(shù)人員提出了更高的要求，發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢，實現(xiàn)挖潛降本增效成為企業(yè)發(fā)展的主旋律。目前公司共有三套制氧機(jī)組，分別為KDON10000型、KDON15000型和KDON28000型。在實際生產(chǎn)中，充分發(fā)揮專業(yè)技術(shù)優(yōu)勢，通過不斷探索與研究，對以前的操作模式和方法進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，氮氣加溫技術(shù)、制氧機(jī)組優(yōu)化開車啟動技術(shù)、氬工況優(yōu)化操作技術(shù)等新技術(shù)應(yīng)用到實際生產(chǎn)中，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，達(dá)到了節(jié)能降本增效的目的。【前言】1氮氣加溫技術(shù)的應(yīng)用1.1現(xiàn)狀分析根據(jù)空分設(shè)備行業(yè)規(guī)范，為保證空分設(shè)備的安全，設(shè)備停產(chǎn)24小時以上就要進(jìn)行排液加溫至0℃以上，將空分設(shè)備內(nèi)部的水分、二氧化碳及碳?xì)浠衔锏扔泻Τ煞峙懦?，以防在設(shè)備內(nèi)部積聚造成危害。根據(jù)鋼鐵生產(chǎn)所需氧、氮、氬的用量，需對三套制氧機(jī)組進(jìn)行優(yōu)化組合，保證氣體產(chǎn)品的有效利用。根據(jù)空分設(shè)備操作工藝步驟，需要啟動大功率壓縮設(shè)備空壓機(jī)提供加溫氣，將設(shè)備內(nèi)部從低溫-190℃左右加溫至0℃以上，塔體溫度升速不得超過10℃/h，以防箱內(nèi)設(shè)備、管道、支架因溫度變化過大而受損。因此，空壓機(jī)所提供氣源大部分放空，僅利用少量一部分來對塔內(nèi)系統(tǒng)進(jìn)行加溫，設(shè)備空運轉(zhuǎn)能耗非常大。以KDON28000制氧機(jī)組為例，在加溫過程中每天耗電量約36萬kwh，整個加溫過程約需3天，共耗電約108萬kwh，電費近77萬元（平均電價0.71元/度）。1.2氮氣加溫技術(shù)的研究與應(yīng)用1.2.1加溫氣源的選取對空分設(shè)備的加溫氣源必須是干燥氣體，露點在-45℃以下，如果僅有一套空分設(shè)備，只能采用的分子篩純化的干燥空氣進(jìn)行加溫，如果有兩套及以上空分設(shè)備，壓縮后的高壓氮氣、出空分裝置后的低壓氮氣及管道高壓氬氣均符合加溫氣要求。我廠現(xiàn)有三套空分設(shè)備，經(jīng)綜合分析，采用干燥空氣，如由其它空分裝置提供則影響正常生產(chǎn)，由本套空分裝置提供則需啟動空壓機(jī)，空運轉(zhuǎn)能耗高，不可??；管道高壓氬氣為稀有氣體，成本昂貴；管道高壓氮氣和出空分裝置低壓氮氣可行。對比分析后，決定采用出空分裝置的低壓氮氣作為加溫氣源更有優(yōu)勢：高壓氮氣具有壓縮能耗（經(jīng)氮壓機(jī)壓縮至約1.4Mpa），且為用戶所需產(chǎn)品，如作為空分設(shè)備加溫氣源還需對工藝管道進(jìn)行技術(shù)改造；出空分裝置低壓氮氣作為加溫氣源沒有壓縮能耗（僅17-25Kpa），量大且大部分經(jīng)水冷塔后放空，加溫氣量的使用對其沒有任何影響，基本屬于廢氣再利用，而且不需要對工藝管網(wǎng)進(jìn)行技術(shù)改造。最終決定采用低壓氮氣作為加溫氣源。1.2.2氮氣加溫技術(shù)方案的確定

經(jīng)可行性分析研究后，利用三套制氧機(jī)組管道聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢，加溫方案采用空分設(shè)備低壓氮氣出裝置倒流方案，由空氣管路進(jìn)氣加溫方式轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛪旱獨獾沽鬟M(jìn)空分裝置加溫方式，對塔內(nèi)加溫氣體流路進(jìn)行重新規(guī)劃，特別是空氣流路加溫進(jìn)行特別規(guī)定，溫升控制及最終加溫標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。對正常運行的空分設(shè)備，在提供低壓氮氣加溫氣源時，壓力控制及溫度控制作了規(guī)定，在確?？辗衷O(shè)備正常運行的前提下，壓力控制在22-25Kpa，溫度控制在20-25℃，以強(qiáng)化加溫效果。最終形成了一套完整的氮氣加溫技術(shù)操作規(guī)程。1.2.3氮氣加溫技術(shù)的應(yīng)用氮氣加溫技術(shù)首次在KDON10000型空分裝置進(jìn)行試點應(yīng)用。由KDON15000型空分設(shè)備和KDON28000型空分設(shè)備聯(lián)合提供出裝置低壓氮氣對停車后KDON10000型空分裝置進(jìn)行加溫，加溫氣露點檢測-75℃，溫度23℃。在加溫過程中嚴(yán)格執(zhí)行操作規(guī)程，最終塔內(nèi)各點溫度均達(dá)到0℃以上后，完成空分設(shè)備的加溫操作，保壓備用，運行中的空分設(shè)備未受到任何影響。本次加溫時間約150h，比原空氣加溫模式時間70h多80h，但節(jié)省空運轉(zhuǎn)耗電約42萬kwh，電費近30萬元。該加溫技術(shù)推廣繼爾應(yīng)用在其它空分裝置中，并不斷優(yōu)化操作步驟，加溫時間也將會有所縮短。1.3氮氣加溫技術(shù)應(yīng)用的優(yōu)勢

利用氮氣加溫技術(shù)對空分設(shè)備進(jìn)行加溫，一方面實現(xiàn)了降本增效，如果我廠三套空分設(shè)備每年檢修一次，利用氮氣加溫技術(shù)可節(jié)約電費近150萬元；二是氮氣加溫安全性好，因為氮氣是從空分設(shè)備內(nèi)部出來的氣體，不含有害雜質(zhì)，露點達(dá)到-70℃以下，不會對空分設(shè)備造成污染；三是操作簡單方便易行，溫升速率容易控制，有效避免了原先高壓空氣流速過快導(dǎo)致溫升大于10℃/h對塔內(nèi)金屬設(shè)備造成變形泄漏損害；四是加溫氣體溫度高，比空壓機(jī)提供的空氣高7-10℃。2開車啟動優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用第六代工藝流程空分設(shè)備在開車過程中大致分為兩個階段，一階段利用膨脹機(jī)制取的冷量全面冷卻設(shè)備，二階段是盡快積累液面調(diào)整工況達(dá)到正常生產(chǎn)條件。根據(jù)空分裝置制造廠家提供資料，空分設(shè)備開車啟動時間一般在36-40小時。公司目前三套空分設(shè)備的開車啟動時間都大大延長，在60-70小時。空分設(shè)備長時間開車啟動一方面造成空運轉(zhuǎn)耗電，另一方面對集團(tuán)公司的正常生產(chǎn)不利。2.1開車啟動過程原因分析

通過對空分設(shè)備的開車整個過程進(jìn)行詳細(xì)分析與研究，結(jié)合專業(yè)技術(shù)知識，開車啟動時間長主要有兩方面：一是操作原因，表現(xiàn)在一階段沒有充分發(fā)揮透平膨脹機(jī)組的制冷能力，認(rèn)為透平膨脹機(jī)組機(jī)后溫度越低制取冷量越大；二是積液階段冷損大，冷損嚴(yán)重，積液速度慢，表現(xiàn)在二階段主換熱器熱端溫差過大，不完全冷損占總冷損比例高。在溫差為3℃的情況下，不同產(chǎn)量空分設(shè)備熱交換不完全冷損占總冷損的比例裝置產(chǎn)量（m3/h）1000320060001000020000熱交換不完全冷損比例%34.239.346.047.052.4新編制氧工問答機(jī)前溫度℃機(jī)前壓力MPa機(jī)后溫度℃機(jī)后壓力MPa單位焓降（kJ/g.mol）-1100.83-1690.1491.608-1170.82-1730.1491.515-1250.81-1780.1491.429-1310.8-1810.1491.336-1380.79-1850.1491.229-1440.78-1870.1491.114化工部第四設(shè)計院深冷手冊2.2制定快速開車啟動措施

針對以上開車啟動過程中導(dǎo)致時間長的因素，制定了相應(yīng)的操作措施：在開車一階段充分發(fā)揮透平膨脹機(jī)組的制氧能力，在條件允許前提下，盡可能通過調(diào)整主換熱器各物料流量，提高膨脹機(jī)機(jī)前溫度，利用高溫高焓降原理，強(qiáng)化透平膨脹機(jī)組制取冷量來全面冷卻塔內(nèi)設(shè)備，走出原有機(jī)后溫度越低制冷量越多的誤區(qū)。根據(jù)制冷手冊可知，高溫高焓降的正效應(yīng)大于膨脹空氣溫度升高引起的膨脹量減少的負(fù)效應(yīng)，即機(jī)前溫度越高，制取的冷量越大。在開車啟動二階段轉(zhuǎn)變?yōu)橐哉{(diào)整主換熱器熱端溫差控制為主，使主熱器各物料（低壓空氣、高壓空氣、膨脹空氣、低壓氮氣，高壓氧氣）熱端溫度差一致或基本一致，盡可能減小主換熱器熱端溫差，降低冷量損失，保證液體在塔內(nèi)的積聚。改變原有規(guī)程中液氧泵在空分設(shè)備投入生產(chǎn)時才進(jìn)行啟動操作模式，在液面允許前提下，及時啟動液氧泵，打通主換熱器中高壓氧氣通道，迅速提高與之換熱的高壓空氣流量，實現(xiàn)高壓氣體節(jié)流制冷效應(yīng)，制取冷量，同時也有利于主熱器熱端溫差更好地控制，改變主熱器熱端溫差過大而又無法調(diào)整到位的情況。在精餾塔建立精餾工況過程中，適當(dāng)提高上塔壓力，提高塔內(nèi)蒸氣液體溫度點，增加液體液化量。2.3快速開車啟動的實際應(yīng)用

在空分設(shè)備開車過程中，有效地改變了以前空分設(shè)備開車啟動過程中操作，在開車一階段，合理提高透平膨脹機(jī)組溫降，在二階段熱端很好的控制溫差，塔內(nèi)設(shè)備冷卻及積液速度將均得到了提高，整個開車啟動時間可縮短至40h以內(nèi)，達(dá)到節(jié)能降耗挖潛增效的目的。3氬工況優(yōu)化操作技術(shù)的應(yīng)用3.1氬工況優(yōu)化操作的目的對于新一代制氧工藝流程，轉(zhuǎn)換制氧操作理念，實現(xiàn)創(chuàng)新操作思想，解決氬系統(tǒng)周期性波動現(xiàn)象，規(guī)避因周期性波動引起的全系統(tǒng)工況惡化現(xiàn)象。3.2氬工況周期性波動的原因分析

氬系統(tǒng)周期性波動的起因：在開車積液階段，氮氣取出量過大、作為冷源送到粗氬塔的液空量過大、粗氬取出量過大等均可引氬系統(tǒng)的周期性波動。在氬系統(tǒng)正常工作時，氧氣純度過低，液空或液氧液位波動過大、上塔工況波動過大、氧氮取量不均衡等均可引起氬系統(tǒng)周期性波動,特別是工藝氬取出量與氬餾份含量的不匹配,使工況單邊性波動而引起工況波動現(xiàn)象明顯。3.3氬工況優(yōu)化操作技術(shù)氬系統(tǒng)投入時的操作：（1）保持空分系統(tǒng)中氧、氮取出量的盡可能恒定，保持主塔工況的穩(wěn)定。（2）保持氬餾份中低氬含量，保證粗氬塔中精餾工況的盡快形建立。氬系統(tǒng)正常工作時的操作：（1）保持主塔中液氧液位和液空液位的相對穩(wěn)定。（2）氬系統(tǒng)工藝參數(shù)最佳回流比R的取值與確定。

R值最佳點應(yīng)在回流比與理論理塔板數(shù)曲線中轉(zhuǎn)折點附近。當(dāng)氬餾份中氬含量為8%時，R值應(yīng)取為37.5～38.5。當(dāng)氬餾份中氬含量為10%時，R值應(yīng)取為30.5～32。當(dāng)氬餾份中氬含量為12%時，R值應(yīng)取為26～28。（3）工藝氬取出量的調(diào)整，保持工況的相對穩(wěn)定。假設(shè)精餾塔內(nèi)為恒摩爾流量，進(jìn)塔氬餾份量為F（實際運行中約為10400m3/h），根據(jù)氬餾份中氬含量的多少可算出工藝氬的取出量D：根據(jù)粗氬塔物料平衡：F=（R+1）DD=F/（R+1）當(dāng)氬餾份中氬含量為8%時，工藝氬取出量為263m3/h～270m3/h；當(dāng)氬餾份中氬含量為10%時,工藝氬取出量為315m3/h～330m3/h；當(dāng)氬餾份中氬含量為12%時,工藝氬取出量為358m3/h～385m3/h。從以上氬餾份的變化可以看出，當(dāng)氬餾份中氬含量發(fā)生變化時，相應(yīng)的氬取出量也應(yīng)該作相應(yīng)的變化。當(dāng)氬餾份中的氬含量有1%的波動時，理論上講工藝氬的取出量有10%左右的波動，所以氬系統(tǒng)在正常工作過程中，應(yīng)根據(jù)氬餾份中氬含量的多少來確定最佳回流比值，然后確定工藝氬的取出量的大小，也就是說工藝氬取出量應(yīng)與此時工況的最佳