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大型液氧“内压缩”中压空分流程主要参数分析计算
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KDON-1型内压缩空分设备的研制
更新日期：&&作者：叶丹平 卢杰
&&来源：杭州杭氧股份有限公司设计院
2000年11月，杭州制氧机集团有限公司签订了为金川集团公司提供一套KDON-1型内压缩空分设备合同，并于次年续签了一套为该空分配套的全精馏制氩装置。成套空分设备在2002年底安装完毕，进行单机及联动负荷调试，并于日顺利完成对成套空分设备的72小时性能考核。&&& 本套装置是杭氧首套中压内压缩大型空分设备，为使广大关心杭氧技术发展的朋友们进一步了解该设备的情况，我们在这里对这套设备的研制情况作一系统的介绍。1 设备的主要性能指标&&& 金川“14000”空分设备性能指标见表1。&&&&&&& 表1 金川14000m3／h内压缩空分设备主要指标 产品名称产量 m3／h 纯度出装置压力 MPa(G)低压氧气)99．6％020．05中压氧气)99．7％021．8液 氧300(150)99．7％020．17氮 气(14000)&10×10-6020．017液 氩(420)≤2×10-602，3×10-6N20．16*( )内为产液氩时工况指标2 流程的组织&&& 大型内压缩流程的空分设备，在20世纪80年代初主要是由于大型合成氨工程的上马，才由德国林德公司引入我国。到了90年代，随着我国大型冶金、石化企业的发展，相继引进了一批大型内压缩空分设备，此时的流程形式已经取得了飞速的发展，空气净化采用分子筛吸附，制氩采用了全精馏无氢制氩流程。同时这种新的流程形式也得到了国内冶金、石化企业的普遍关注。正是由于内压缩流程的一些新颖的特点，如用增压空气压缩机+液氧泵+中压换热器取代了较为复杂的氧透，在客观上为制氧行业提供了一个新的流程选择形式。&&& 目前国内外空分制造厂家，所采用的内压缩流程绝大部分是空气增压流程，在这类流程中根据用户的不同需要大体可分为两种形式：一种是膨胀空气进上塔，另一种是膨胀空气进下塔。&&& 膨胀空气进上塔流程，主要针对产品液体量需求不大的用户，产品液体总量一般是产品氧气量的3％~5％。它的优点是：流程简单；采用常规增压透平膨胀机，操作方便；中压换热器单个，可靠性强，液氧不会产生偏流；装置的氧、氩提取率大致与常规外压缩空分相当。&&& 膨胀空气进下塔流程，主要针对产品液体量需求大的用户，产品液体总量可达到产品氧气量的10％以上。它的优点是提取率高，这是因为所有进冷箱的空气都可参加精馏；相对而言，流程较为复杂，操作考虑的因素较多，设备的投资增大。&&& 针对金川14000m3／h内压缩空分设备，我们对多种内压缩方案进行了比较论证，最终选择了膨胀空气进上塔流程，并得到了实践的验证。&&& 金川“14000”空分流程简图如图1所示。&&& AF―空气过滤器 MS―分子筛吸附器 TC2―中压空气透平压缩机 K2―氧增压器 K702―粗氩液化器 TCl―空气透平压缩机 EH―电加热器 E3―氧热交换器 C701―粗氩塔I K703―精氩冷凝器 AC―空气冷却塔 ET―增压透平膨胀机 K1―冷凝蒸发器 C702―精氩塔Ⅱ K704-精氩蒸发器 WC―水冷却塔 E1―主热交换器 C1―下塔 C703―精氩塔 AP―液氩泵 WP-水泵 E2―液空液氮过冷器 C2―上塔 K701―粗氩冷凝器 OP―掖氧泵图1 KDON―1型分子筛增压全精馏制氩内压缩空分设备流程简图&&& 在内压缩流程中，还有一个十分重要的参数需要确定，那就是空气增压机的出口压力。这个压力得是否合理，直接关系到流程的合理性以及设备的一次投资及运行成本的高低。众所周知，所谓的内压缩就是在冷箱内用液氧泵将液氧加压到所需压力，然后通过中压换热器与经过增压压缩机增压后的中压空气进行换热，复热后送至用户。作为热源的中压空气的压力是可变的，在一定的压力范围内，压力低所需的空气量就要大，压力高所需的空气量相对要小，这与空分设备的投资、能耗直接相关。我们在引进林德公司精馏计算软件的上，针对性地开发了内压缩流程的计算模块，该模块可将热力平衡计算、物料平衡计算及换热器热力计算(引进美国S―W公司软件)与林德的精馏计算软件有机地联系起来，并可同时完成精氩的计算，这就有条件对增压机的出口压力进行优化。我们通过选择不同的出口压力进行计算，综合压缩机制造商普遍的制造水平、装置能耗水平、投资的因素及中压换热器的因素，确定了合理的出口压力，相应地也确定了所需的中压空气量及中压换热器的参数。这些经优化的参数在以后的调试过程中证明与我们的思路是十分吻合的，装置运行的参数是十分准确的。&&& 另外对于金川“14000”空分设备的低压氧气的制取，我们利用液氧的液位差，采用液氧自增压的方法得到所需压力的氧气，热源是低压空气，低压氧气经过换热器复热后送至用户。这就同时满足了用户对产品不同压力等级的需要。3 装置的安全性考虑&&& 我们一直认为，空分的安全性是第一的，有了安全保障，才能去谈性能的先进性。常规的外压缩空分设备最不安全的因素在主冷，在这方面采取的主要措施是排放1％的液氧及定期分析液氧中的碳氢化合物和乙炔的含量。而内压缩空分设备，由于主冷中的液氧被大量抽取去液氧泵加压，因此，在主冷中碳氢化合物大量聚集是不可能的。&&& 金川公司“14000”空分设备中压氧压力为1．8MPa(G)，液氧在中压换热器中复热蒸发，在此压力下，所对应的沸点温度为―141．3℃，在此温度碳氢化合物(甲烷、乙烷、丙烷、乙烯)不可能出现固态析出，它们是随着液氧的蒸发而蒸发，不会聚集，因而中压换热器是处于安全状态的。&&& 对于金川“14000”空分设备的低压氧制取部分，由于是采用液氧蒸发器增压，液氧蒸发的工作状态同主冷基本相同，碳氢化合物及乙炔聚集的可能性是存在的。针对这个问题，我们在中考虑了1％液氧安全排放，蒸发器为全浸式操作，并要求设置碳氢化合物及乙炔在线分析。另外，除了针对液氧的安全性考虑外，还将液氧泵的启动和操作设在远离液氧泵的室内。其余还设置了必要的安全阀，尤其是在液氧管路上。4 装置的特点&&& 膨胀空气进上塔流程的内压缩空分设备，原料空气的压缩、冷却和产冷的手段基本与常规外压缩流程相同，不同的是净化后的原料空气被抽取了一部分去空气增压机增压，作为汽化经加压后的液氧的热源，这个过程在中压换热器中进行。&&& 相对来说，内压缩流程所设置的增压压缩机，从国外引进的占大多数，各种压力等级均有相应的成熟产品。关键的设备(中压换热器、抽取液体形式的分馏塔及给液氧加压的液氧泵)基本上在冷箱内。&&& 金川“14000”空分设备的中压换热器的热源空气压力是超临界状态的，物性参数的准确性对中压换热器的十分重要。我们在引进美国S―W公司换热器计算软件上，运用杭氧自行开发的内压缩计算模块及美国Aspen计算软件，对中压换热器进行了优化，确定了各截面的参数。同时，为了进一步提高装置的可靠性，中压换热器选择了国外知名品牌产品。通过对国外公司反馈的各截面的参数的对比分析，证明我们的计算软件是可靠准确的。&&& 另一关键设备就是分馏塔，对于抽取大量液体的分馏塔，从流程计算的角度来看，要比常规外压缩空分设备复杂得多，尤其是对带氩的空分设备。通过对林德公司精馏计算软件近二十年的使用开发，我们已经对各种流程工况的计算运用十分成熟；另一方面填料塔的通过与法液空及苏尔寿公司的技术合作，也充分掌握了抽取大液体量的填料塔的，保证了填料塔各进出口的准确性，尤其是氩馏分抽口的准确性。这一点我们在云铜“16000”内压缩空分、京联“1500”液体设备及以后安彩“10000”空分设备上得到了实践的证明，装置的氩提取率都能超过我们的要求。金川“14000”的填料上塔采用的是法液空的填料。&&& 金川“14000”内压缩空分的液体泵，我们经过多方的实地考察与方案比较，选用的是法国Cryostar公司的带变频调节的离心式单级低温液氧泵，流程的配置采用了一用一备形式，即一台使用另一台拎备用。这也是国际上内压缩流程采用的通行的方法，这充分保证了中压氧的连续供应，提高了装置整体的可靠性。&&&& 内压缩空分设备另一特点是带压低温管道多。目前我们冷箱的管道采用的是PDMS软件，并可进行三维造型，单线图自动输出。这保证了管道在安装过程中走向的准确性。同时对液体管道、带压的低温管道等主要管线采用MSC／NASTRAN应力分析、计算软件进行分析计算，确定关键点支架位置及形式，保证了装置在低温状态下，管系有良好的受力状态。另外对主要的管道我们选用高强度铝合金材料，同时配备了专用焊丝，这从客观上保证了管道焊缝的强度。5 关键部机的控制方式&&& 在大型外压缩常规流程中，控制的关键点是在氧气透平压缩机上。这基本上是围绕安全这一出发点设置的，监控点大至有一百个以上，控制回路有十多个。从我们参与的空分设备调试情况看，目前氧透的控制是十分完善的，自动化程度也很高，不需人在现场操作。&&& 在大型内压缩空分设备中，我们认为控制的关键点在增压机的恒压控制及液氧泵的控制上。对于增压机的控制，各压缩机制造厂家都有自己的成熟的控制方式，也基本都能满足空分设备的运行要求。在这不作 进一步的探讨。&&& 液氧泵的控制方式，对我们来说是新鲜 事物，不光需要上的，还需要实际 运行的经验来完善。&&& 针对金川“14000”内压缩空分设备的 液氧泵的控制原则。我们从五个方面来考 虑：第一，外部因素对液氧泵的运行及中压臣换热器液氧汽化的影响；第二，液氧泵自身因素对成套空分的影响；第三，两台液氧泵互为备用的方式；第四，液氧泵在运行过程中的调节方式；第五，液氧泵操作的安全考虑。第一、二点因各制造厂考虑的因素不同，在这里不作具体说明，第五点在装置的安全性考虑中已有述说。&&& 这里对第三、四点做一些简要说明，液氧泵互为备用方式，我们是采取冷备用方式，这其中有多种模式可以选择，如低速备用、半负荷备用。从实际运行来看，备用泵从冷备状态启动达到负荷运行的时间是很短的(3~5秒)。液氧泵的负荷调节，我们了就地及中控均可调节；液氧泵的开停车在中控及就地均可实现；液氧泵的出口采用恒压控制。通过对整套设备的调试，我们的控制方案是较为完善的，基本达到了国外内压缩空分设备对液氧泵的控制水平。6 结束语&&& 目前，杭氧大型内压缩空分设备的成套已趋完善，并制定了相应的规范。到目前为止，杭氧已为多家用户开发了多种形式的内压缩流程：膨胀空气进上塔的有浩良河“18000” [氧气压力达6．4MPa(G))化工型内压缩空分；营口“15000”[氧气压力为3．0MPa(G))冶金型内压缩空分等；膨胀空气进下塔的有马钢“20000”全提取内压缩空分，莱钢“12000"、杭钢“20000”等冶金型内压缩空分设备。&&& 在这里顺便也谈一下研制过程中的一些粗浅感想。内压缩流程的组织形式不象常规流程那么整齐划一，它的选择是多种多样的，这主要取决于用户对产品品种的要求及设备制造厂的技术方案的比较分析结果。我们认为满足同一要求的合理的技术方案应该具有安全可靠、投资省、流程简洁、可操作性强、维护简单方便、运行成本低等特点。&&& 另外，随着内压缩流程不断成熟，选用可靠的国产化关键部机是可行的，如原料压缩机、增压压缩机、膨胀机、中压换热器、阀门等，这不仅降低了设备的投资费用，还可以带动相关的成套设备的技术进步。&&& 最后，在此我们对给金川“14000”内压缩空分设备的、调试工作大力支持的金川集团公司及中国空分设备公司，表示谢意。参考文献：[1]李大仁．碳氢化合物对泵压流程空分没备安全性的影响及措施．深冷技术，2002(2)：1~5．
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