KDN-3900/465Y型空分裝置的操作優化

儲開建 白浩 陳瓊（延安石油化工廠， 陜西 延安 727406）

KDN-3900/465Y型空分裝置的操作優化

儲開建 白浩 陳瓊（延安石油化工廠， 陜西 延安 727406）

煉油化工企業空分空壓裝置擔負著為生產裝置連續提供氮氣與凈化風及工業風，作為重要的輔助單元，裝置能否安全平穩運行對企業至關重要。延安石油化工廠空分裝置利用五臺空壓機，以開四備一的方式向系統提供壓縮風，其中一臺空壓機長期處于低負荷運行狀態，空壓機是該廠主要耗能設備，功率為1229kW，因此節能空間很大。本文通過合理優化空分裝置精餾系統的操作，在不影響氮氣管網穩定的前提下，盡可能降低空分裝置用風量，最終停止運行一臺空壓機，節約用電量約36000度。

空分；精餾；平衡；優化

1 概況

延安石油化工廠現有兩套空分裝置（設計氮氣產量3900Nm3/h、液氮465L/h），為該廠各套生產裝置提供高純度氮氣。

該廠含利用兩套KDN-3900/465Y型高純氮設備生產高純度氮氣，并可同時生產少量液氮產品。采用低溫精餾方法將空氣分離，提取所需高純度氮氣及液氮產品。

該裝置由空壓機、預冷機組、純化機組、冷換設備、分餾塔、液氮儲罐、液氮泵、氣化器、事故儲罐以及儀電控制系統等組成。儀電控制系統采用DCS、PLC和機旁柜控制相結合的方法。

2 原理及工藝流程

2.1 原理

空氣分離的基本原理是利用空氣中氧、氮組分的沸點不同，采用低溫精餾的方法將各組分分離開來，為達到此目的，高純氮設備的工作主要包括空氣的壓縮、壓縮空氣的降溫脫水、空氣中水分、二氧化碳等化合物的清除、空氣的冷卻，冷量的制取，空氣的液化，精餾等過程。

高純度氮氣的產生，其實就是精餾的發生。空分裝置的精餾是在精餾塔中進行的，它利用組成空氣各種組分具有不同的沸點，即在同一溫度下各組分的蒸汽壓不同，使精餾塔內上升的蒸汽和下降的液體發生多次部分蒸發和部分冷凝，從而達到分離的目的。不同種物質的氣相、液相之間進行熱質交換，上升氣體中的氣相氧會部分冷凝變成液態氧并放出冷凝熱，液態氮則吸收熱量而部分蒸發到上升的氣體中。這個過程就是在精餾塔的篩板上完成的，由于氧、氮組分沸點不同，氮比氧易蒸發，氧比氮易冷凝，當氣體自下而上逐塊從塔板上通過時，氮濃度不斷增加，在塔頂即可獲得高純度氮氣，冷凝的氧逐層流至塔底成為含氧量較高的富氧液空。

2.2 工藝流程

原料壓縮空氣經預冷及純化器凈化后進入冷箱，空氣在冷箱主換熱器中與返流富氧氣及產品氮氣進行換熱冷卻到飽和溫度后進入精餾塔內進行精餾。

上升的空氣在精餾塔中被分離成高純氮氣和富氧液空，富氧液空由塔底抽出經換熱器、節流閥后進入冷凝蒸發器，在冷凝蒸發器內與冷凝溫度下的氮氣進行熱交換，富氧液空吸收熱量變為富氧氣并作為純化器的再生氣；氮氣放出熱量被冷凝為液氮，一少部分作為液氮產品送至液氮罐儲備，絕大部分作為精餾塔的回流液，參與整個精餾過程。精餾系統工藝流程見圖1。

3 精餾系統優化操作

該廠的兩套空分裝置，同時向該廠供應0.7MPa氮氣，并積累液氮20噸左右。外圍低壓氮氣正常用量為4500Nm3/h左右，兩套空分裝置同時高負荷運行，所產生低壓氮氣富余，導致氮氣經常放空，同時液氮產量也較多，經常開液氮泵降低液氮罐液位，降低了設備利用率，同時也增加了能耗。因此，空分裝置的優化，對整個空分空壓系統尤為重要，以下為空分裝置優化過程的具體操作。

圖1 精餾工藝流程圖Figure 1 Distillation process flow chart

3.1 前提

精餾過程的優化，必須保證設備正常，各個環節保持運行良好。特別是注意以下幾個方面：

（1）預冷機的降溫脫水。預冷機運行不正常，會加大純化器的負荷，更嚴重的是將水帶入冷箱，造成管線、閥門堵塞，優化精餾難度加大，而且能耗增加。

（2）純化器的凈化作用。純化器主要吸收空氣中的二氧化碳、碳氫化合物，減少碳氫化合物在精餾塔內的積累。在操作時，若用氣量變化較大，操作幅度較大，水分較多，都會影響純化器的正常吸附和分子篩使用壽命，導致水或者二氧化碳進入冷箱，造成堵塞，影響精餾的進行。

（3）膨脹機的制冷。膨脹機為整個系統提供冷量，膨脹機運行不正常或制冷量下降，會影響整個系統冷量的平衡。

3.2 精餾系統的優化

精餾塔是空分設備能量交換的主要場所，運行期間需密切關注精餾塔的塔阻、回流量，空氣的加工量及氮氣的產量等重要參數，保證精餾過程能夠正常進行，因此保證冷量平衡、物料平衡是精餾優化操作的基礎。

（1）冷量的平衡

在操作中，密切關注系統冷量是否滿足工藝要求。主要從塔阻、富氧液空液位、冷凝蒸發器液位的變化來判斷冷量的變化，從而調整氣液的平衡。冷量過剩時，塔阻明顯升高，富氧液空、冷凝蒸發器液位升高，嚴重時造成淹塔事故，氮氣純度超標、氮氣出塔壓力降低，流量減少；冷量減小時，塔阻下降，出塔壓力升高，流量增大，氮氣氧含量超標。在操作中，對冷量平衡的調節，主要依靠回流與液氮產品的抽出量來調節。當氮氣純度發生波動時，首先判斷冷量的變化，是過剩還是減少。過剩時，減少回流液，關小液空節流閥，降低膨脹機轉速，增加液氮的抽出量；冷量減少時，增大回流液，減小液氮抽出量，適當增加膨脹機轉速，保證冷量的補充。同時，要密切觀察出塔流量、壓力，系統冷量的變化，及時調整各個系統參數。

（2）物料的平衡

在對精餾系統優化時，不能僅僅來調節冷量，同時也要關注原料的加工量與出塔流量。冷量的平衡對應物料的平衡，兩者僅僅相連。空分系統的加工氣量增大，冷量需求增大，此時出裝置的氮氣產量也增加；空氣加工量減小，冷量需求減小，送出裝置的氮氣產量也相應減少。例如，加工量減小，就需要相應的關小空氣進氣閥門，適當降低膨脹機的制冷量，這樣才能物料平衡、冷量平衡；否則加工量減少，冷量未減少，系統波動就會增大，出塔壓力、流量忽高忽低，會影響到氮氣產品的純度，要保證系統平穩，加工量、冷量同時減少。

（3）精餾優化的操作

為提高空分裝置的利用率，降低能耗，同時，為夏季空壓系統提高更多氣量，2015年，對空分裝置進行了優化操作。基于空分裝置的現狀，4月份，對1#空分裝置進行了測試。測試的目的就是在保證氮氣含氧量合格的前提下，2#空分滿負荷運行，1#空分低負荷運行，兩套裝置共同滿足生產的需要。具體操作如下：

提高2#空分負荷，加工氣量不超過12000Nm3/h，氮氣出塔流量不超過3600Nm3/h，塔阻控制在16～18kPa，膨脹機參數暫不變化。經調節，在冷凝蒸發器內汽化量減少，冷凝蒸發器液位上漲，蒸發器壓力下降；同時，液化量也相應的減少，導致平衡打破，這時，需要開大液空節流閥，增加回流液，增加系統所需冷量，保證產品質量合格，氮氣產量有所增大。

降低1#空分負荷，減小空氣加工量，為保證氮氣純度不受影響，首先將加工氣量降至10000Nm3/h，其各項參數變化見表1。如表1所示，塔阻控制在15～16kPa之間，空氣加工氣量在10000Nm3/h，膨脹機轉速在16000r/min左右，能夠保證裝置冷量的需求。

表1 空氣加工量在1000Nm3/h時系統運行參數表Table 1 the system operation parameters of air processing capacity at 1000Nm3/h

繼續降低1#空分負荷，減小加工氣量至8000Nm3/h，各參數變化見表2。由表2可以看出，當塔阻在13～14kPa之間時，空氣加工量在8000Nm3/h左右，膨脹機轉速控制在14000r/ min，氮氣產量在1500～2000Nm3/h，純度未發生變化。當然，由于外界用氮氣量的不穩定，導致出塔氮氣產量變化沒有規律性，但可以看出，加工氣量減少，氮氣產量也相應有所減少，達到優化的目的。

2015年6月，在1#空分低負荷的運行中，即加工氣量9000Nm3/h，氮氣出塔流量一般控制在2000～2500Nm3/h，塔阻控制在14～15MPa，出現了一次氮氣純度波動，后經操作人員及時調整，保證了產品質量。經調查發現，由于外界低壓氮氣用量較大，導致1#空分低負荷運行，出塔氮氣流量超3000Nm3/H，冷量不足，導致產品質量發生變化。因此，在裝置低負荷運行時，產品流量不能超過3000Nm3/h。

表2 空氣加工量在8000Nm3/h時系統運行參數表Table 2 the system operation parameters of air processing capacity at 8000Nm3/h

由于原料的特殊性，在調節氣量時，不能單純的關小進塔閥門，就能達到降低加工氣量的目的，同時還要控制好精餾塔的各項參數，包括進塔壓力、出塔壓力、塔阻、蒸發器液位、液空液位。如果加工氣量減少，忽視塔阻、蒸發器液位、液空液位、出塔氮氣的壓力和流量的變化，肯定會造成氮氣含氧量的波動，甚至超標，造成事故。因此，降低加工氣量的同時，冷量需求減少，要相應的減少冷量的制取，出塔氮氣的品質，做到物料平衡、冷量平衡。

另外，保證兩套空分裝置的氣量平衡，當一套裝置負荷降低，為滿足整個用風系統的平衡，另外一套裝置會提高負荷，所有工藝參數會發生變動。例如，減小1#空分負荷，2#空分的負荷會相應的有所增加，出塔氮氣流量會增加然后減少，冷凝蒸發器壓力會先下降然后上升，塔阻會升高然后減少，系統冷量變化較大，此時，平衡被打破，要及時做出調整。調整時，一定要兩套裝置同時調節，小幅度的調整，必要時可以開高壓串低壓先來平衡氣量，然后逐步的調整兩套空分裝置的各個精餾參數。

4 節能降耗

經過對空分裝置的優化，2016年3月底，該廠成功的停運一臺壓縮機（1229kW）及一臺干燥器。除偶發狀況，空壓系統風量基本充足。粗略計算，壓縮機和干燥器停用后每天可節約電量約36000度，折合電費21600元（按每度電0.6元計算）。

5 結語

該廠空分裝置所產生的氮氣供生產裝置置換、吹掃、氣密使用，是該廠重要的輔助裝置。為響應國家節能降耗的號召，提高裝置設備的利用率，降低損耗，保證空分裝置長周期穩定運行，該廠對空分裝置精餾系統操作進行優化后，裝置運行穩定，節約電量約36000度，節能效果良好。

Operation optimization of KDN-3900/465Y Type air separation plant

CHU Kai-jian BAI Hao CHEN Qiong (Yan’an Petroleum Chemical Plant, Yan’an, 727406)

Oil refining and chemical enterprises are responsible for the continuous supply of nitrogen gas and purification of wind and industrial wind, As an important auxiliary unit, it is very important for the enterprise to operate safely and smoothly. Yan'an petroleum chemical plant air separation device using the five sets of air compressor, to open four preparations for a way to provide compressed air, which a compressor in the long-term low load operation, the air compressor is the major energy consuming equipment, power 1229kW therefore great energy-saving space. The optimize ASU distillation system operation, under the premise of not affecting the nitrogen pipe network steady, as far as possible reduce the air separation unit with air, eventually stop running a compressor, saving electricity consumption is about 36000 degrees.

air separation; rectifi cation;balance;optimization.

儲開建（1981-），男，江蘇鹽城人，碩士，工程師主要研究方向為石油化工流體機械。