分析和探討優(yōu)化空分冷量的對策

肖其

（中國石油寧夏石化公司，寧夏銀川750026）

分析和探討優(yōu)化空分冷量的對策

肖其

（中國石油寧夏石化公司，寧夏銀川750026）

通過現(xiàn)有的空分運(yùn)行裝置對標(biāo)，定性和定量的分析影響空分裝置冷量的主要因素。探討優(yōu)化空分冷量，降低冷損的相應(yīng)對策，并提出需要進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化的措施。

空壓機(jī)打氣量；冷量；冷量損失；壓縮節(jié)流循環(huán)制冷；膨脹機(jī)制冷

深冷空氣分離裝置主要生產(chǎn)氧、氮產(chǎn)品以及其他產(chǎn)品。以寧夏石化公司合成氨空分裝置為例，采用分子篩吸附、膨脹機(jī)制冷、全低壓精餾內(nèi)壓縮流程，設(shè)計能力為28 000 m3/h。主要任務(wù)是生產(chǎn)高壓用氧（9.8 MPa）和高壓用氮（7.8 MPa）；同時，為全廠提供公用低壓氮?dú)獾龋?-4］。為保證生產(chǎn)出合格足量的氣體產(chǎn)品，空分裝置的冷量平衡是關(guān)鍵。夏季氣溫、空壓機(jī)打氣量、主要制冷設(shè)備空氣膨脹機(jī)制冷效果、冷量耗損等因素，都是影響空分冷量的平衡和氧產(chǎn)量的重要因素。為了保證并提升設(shè)備的安全可操作性，此空分相繼進(jìn)行了分子篩改造、預(yù)冷系統(tǒng)改造、空壓機(jī)防喘振控制系統(tǒng)的改造。然而，經(jīng)過各項改造后的裝置運(yùn)行過程中，冷量平衡和優(yōu)化問題仍然是空分夏季高負(fù)荷生產(chǎn)下需要探討的問題［5-8］。

1　空分原料進(jìn)氣量分析

1.1空分裝置的物料平衡（見表1）

由表1可知：（1）原料空氣進(jìn)氣量為設(shè)計的89.2%；（2）產(chǎn)品氮?dú)饪偭刻岣叩?53 000 m3/h，原設(shè)計值為36 700 m3/h；氮?dú)夤┙o量增加，主要是低壓氮?dú)夤芫W(wǎng)用量增加；（3）產(chǎn)品氧氣量，污氮?dú)舛驾^設(shè)計值相應(yīng)減少。

物料平衡數(shù)據(jù)說明：空氣壓縮機(jī)流量偏低，進(jìn)入空分工段的總原料空氣減少，而與此同時，合成氨系統(tǒng)公用類氮?dú)夤┙o量增加，產(chǎn)品氧氣和污氮?dú)舛枷鄳?yīng)減少。產(chǎn)品氣的增加導(dǎo)致精餾塔負(fù)擔(dān)加重，從而使得產(chǎn)品氧氣的純度略有下降；這在正常運(yùn)行過程中通過分析產(chǎn)品氧純度和造氣工段氧/氣比均能體現(xiàn)出來（見表2）。

表1　空分裝置物料平衡表

表2　空壓機(jī)防喘振控制系統(tǒng)改造前后各項運(yùn)行參數(shù)對照表

由表2可看出：空壓機(jī)排氣壓力偏低、流量偏大。透平主冷凝器真空度高、冷凝液量增大。

在轉(zhuǎn)速一定的情況下，隨著流量的增加，壓頭降低；而在實際空壓機(jī)運(yùn)行工況下，蒸汽的用量加大，功耗增加；導(dǎo)致機(jī)組做功的效率下降，從而導(dǎo)致空壓機(jī)的打氣量下降。

2　空分冷量來源分析

空分冷量的制取，主要有兩方面：一是壓縮氣體的節(jié)流效應(yīng)制??；二是經(jīng)膨脹機(jī)的絕熱膨脹制冷。

2.1壓縮節(jié)流等焓膨脹制冷

氣體由P1等溫壓縮到P2，換熱后再進(jìn)行節(jié)流膨脹，由能量平衡可知：

式中：i1為氣體在狀態(tài)1點時的焓值；i2為氣體在狀態(tài)2點時的焓值；i0為飽和液體的焓值；X為液化氣體的量。

整理后：

式中：X（i1-i0）為X kg氣體冷卻到飽和狀態(tài)所需的冷量；i1-i2為在同一溫度下，P1點與P2點之間的氣體焓差。

假設(shè)循環(huán)制冷量為Q，則：

由式（2）可以看出，循環(huán)制冷量是由i1和i2決定，即只與進(jìn)出換熱器的狀態(tài)（P·T）有關(guān)。

在研究的空分流程壓縮循環(huán)制冷當(dāng)中，有兩股節(jié)流循環(huán)制冷。一股是經(jīng)過氮?dú)鈮嚎s機(jī)四段壓縮后出來的8.0 MPa，經(jīng)過換熱節(jié)流制冷；另一股是氮?dú)鈮嚎s機(jī)五段壓縮后出來的12.0 MPa，與氧換熱后節(jié)流制冷。

2.2膨脹機(jī)等熵膨脹制冷

式中：i1為壓縮前空氣的焓值；i2為壓縮后空氣的焓值；i3為入膨脹機(jī)前空氣的焓值；i4為出膨脹機(jī)后空氣的焓值；G為入膨脹機(jī)的空氣量。

依據(jù)本裝置的特點，環(huán)流空氣從中部抽出后全部混合進(jìn)入膨脹機(jī)；則膨脹機(jī)制冷量為：

2.3兩種類型制冷的計算

通過以上空分兩種制冷方式的理論介紹，可用軟件計算出兩類相應(yīng)的制冷量（見表3）。

由表3可知：由于兩大制冷方式制冷的方式不同，冷量的消耗并不平衡。有的提供的冷量和消耗的能量差值較大，通過主要原因的定性和經(jīng)驗分析外，需要對冷量損失進(jìn)一步分析和說明。

表3　空分裝置制冷量的統(tǒng)計

3　空分冷量損失

裝置在正常運(yùn)行工況下，其內(nèi)部處于低溫下工作，與外部會產(chǎn)生熱量交換；產(chǎn)品氣體在離開裝置時，也不可能復(fù)熱到與進(jìn)入裝置的空氣溫度完全相等。空分裝置主要存在以下幾種冷量損失：熱交換不完全損失、跑冷損失、液體產(chǎn)品冷量損失、其他損失。

3.1熱交換不完全損失

低溫氣體在離開裝置時，在理想狀態(tài)下，它應(yīng)復(fù)熱到與正流空氣進(jìn)裝置的溫度相等。這樣，冷量可以全部回收。實際上使用的換熱器不可能達(dá)到這種理想的要求，低溫氣體離開裝置時總是低于正流空氣進(jìn)裝置的溫度。因而產(chǎn)生冷損，這種損失可以通過增大換熱面積的辦法來使之減少（見表4）。

對照換熱器出口溫度，由于板翹式換熱器的熱負(fù)荷大、換熱效率高、熱端溫差小等特點，使得復(fù)熱不足。在實際過程當(dāng)中，由于長期的運(yùn)行，分子篩改造后工藝空氣進(jìn)板翹式換熱器的溫度升高等因素影響，導(dǎo)致?lián)Q熱器的換熱效率降低。大型空分設(shè)備設(shè)計的熱端溫差一般均在3℃左右，不同設(shè)備的單位熱交換不完全損失差別不大，而本套空分裝置的熱交換不完全損失約為總損失的一半以上。因此，提高板翹式換熱器的換熱效率是空分冷量平衡和優(yōu)化的重要控制點。

3.2跑冷損失

表4　板翹式換熱器參數(shù)對照表

由于裝置的工作溫度很低，雖然加有保冷層，但周圍空氣溫度高于裝置內(nèi)的溫度，仍不可避免地將一部分熱量傳入內(nèi)部，使低溫物體溫度升高，消耗了一部分冷量，這部分冷量叫跑冷損失。跑冷損失的大小與絕熱保冷措施及效果、運(yùn)轉(zhuǎn)的環(huán)境條件、空分設(shè)備的型式與容量等因素有關(guān)。

3.3液體產(chǎn)品冷損失

當(dāng)裝置生產(chǎn)一部分液態(tài)產(chǎn)品時，這部分低溫液體離開裝置而帶走的冷量稱液態(tài)產(chǎn)品的冷量損失。在討論的空分裝置中，主要是事故液氮儲罐（2臺）引起，它是裝置的安全配套設(shè)備之一，主要是用于消防、事故時系統(tǒng)內(nèi)置換以及作為儀表空氣氣源事故中斷時的補(bǔ)充氣源之一。兩個儲罐的設(shè)計均為相當(dāng)于10 000 m3/h氮?dú)獾囊旱?，送出能力? 500 m3/h，壓力為0.7 MPa。由于裝置技改需要，后來該設(shè)備用戶又增加了變換爐、氨合成塔催化劑保護(hù)（停車時）、兩套化肥裝置合成氣壓縮機(jī)和氨壓縮機(jī)的密封氣源（長期投用）等。用戶的增加，增加了液氮儲罐的充填頻次，這在夏季裝置生產(chǎn)時，對空分冷量平衡是一個嚴(yán)重考驗。

3.4其他損失

在排放液體時（或當(dāng)裝置有泄漏時），需要額外消耗一部分冷量，或損失一部分低溫液體或氣體，這種損失屬于其他冷損。如果管道、閥門或空分精餾塔冷箱泄漏導(dǎo)致冷量無法回收引起的冷損。

通過以上對空分冷量來源及冷損類別的理論介紹，如何達(dá)到制冷和冷量消耗的平衡，是空分裝置在運(yùn)行維護(hù)、指標(biāo)優(yōu)化、挖潛增產(chǎn)的重要任務(wù)。結(jié)合討論的合成氨空分裝置特點，提出以下措施。

4　針對目前冷量平衡的優(yōu)化措施

4.1優(yōu)化空氣機(jī)負(fù)荷，提高空壓機(jī)的打氣量

空壓機(jī)氣量一直是影響空分冷量和產(chǎn)品的主要因素之一，在經(jīng)過防喘振控制系統(tǒng)改造后，空壓機(jī)固有的特性以及目前采用的CCC防喘振控制器組態(tài)的特性曲線的相互使用。給空分的安全、穩(wěn)定運(yùn)行帶來很大的挑戰(zhàn)。獨(dú)立的防喘振系統(tǒng)為了保證空壓機(jī)的安全，未能考慮到氮?dú)鈮嚎s機(jī)的安全運(yùn)行；建議可實施的措施：

（1）在現(xiàn)有的優(yōu)化空壓機(jī)措施的同時，需整體性地考慮空、氮壓機(jī)的氣量平衡和安全控制系統(tǒng)。

（2）改善工廠風(fēng)管網(wǎng)系統(tǒng)。針對工廠風(fēng)的用戶，實施專線供給等措施。如：工廠風(fēng)全由二化肥空氣壓縮機(jī)提供；尿素高壓設(shè)備防腐用空氣配置專線，從分子篩空氣吸附器后直接配專線保證連續(xù)專供；通過改進(jìn)措施增加進(jìn)入空分裝置的加工空氣量，為膨脹機(jī)滿負(fù)荷制冷提供必要條件。

4.2提高和優(yōu)化空分制冷量，降低冷量損失

4.2.1優(yōu)化空氣透平膨脹機(jī)的制冷效果在近兩年膨脹機(jī)的運(yùn)行實際中，發(fā)現(xiàn)膨脹機(jī)的膨脹效率逐步在下降。膨脹制冷后的溫差明顯有所降低（約46℃），較透平控制系統(tǒng)改造前（50℃），降低了4℃；分析影響膨脹機(jī)制冷的因素有：膨脹機(jī)內(nèi)膨脹的空氣量；壓縮空氣的壓力；進(jìn)膨脹機(jī)的氣體溫度；膨脹機(jī)的效率。從以上因素著手，提高膨脹機(jī)的制冷效果。

同時，通過優(yōu)化和調(diào)節(jié)板翹式換熱器的各段溫差提高換熱效果，降低冷量損失。

4.2.2降低事故液氮消耗盡量降低液氮儲罐外送壓力，保證事故液氮罐罐體的壓力在0.65 MPa，外送壓力降低到0.61 MPa，用以減少對液氮的消耗。

4.3技改空分現(xiàn)有冷量

4.3.1停用高壓循環(huán)系統(tǒng)的氨冷器將高壓循環(huán)氨冷器連接到空分預(yù)冷系統(tǒng)（見圖1）當(dāng)中，徹底將溴化鋰機(jī)組停用。合理利用冷量，降低空分能耗。

氨冷器停用之后，即可將液氨應(yīng)用到預(yù)冷系統(tǒng)當(dāng)中，也可避免氮壓機(jī)入口溫度低（控制在-10℃，空分冷態(tài)下啟動K2有時會更低）的現(xiàn)象發(fā)生；通過實際現(xiàn)有空分裝置調(diào)整發(fā)現(xiàn)，將循環(huán)段氨冷器停用后將不會對系統(tǒng)造成大的影響。

4.3.2回收污氮?dú)庵械獨(dú)獾难芯坑蓤D1可知，蒸發(fā)冷卻塔中，約有39 000 m3/h的污氮?dú)馀欧糯髿猓ㄟ^探討污氮?dú)馓峒冄b置的研發(fā)和應(yīng)用，合理利用有效組分，對于大型空分裝置挖潛增效具有重要的意義。

圖1　空分預(yù)冷系統(tǒng)流程圖

5　結(jié)語

分析制約空分裝置運(yùn)行及冷量平衡的因素，通過技術(shù)性分析提出一些冷量平衡方法和技術(shù)性改造措施，對于系統(tǒng)操作優(yōu)化、能量和物料平衡、提高空分原料氣量有著指導(dǎo)意義。

［1］《化學(xué)工程手冊》編輯委員會.化學(xué)工程手冊［M］．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1985．

［2］合成氨一部.一化肥合成氨裝置流程圖冊［G］．中國石油寧夏石化公司，2009.

［3］合成氨一部.生產(chǎn)崗位操作法［G］．中國石油寧夏石化公司，2007.

［4］湯學(xué)忠，顧福民.新編制氧工問答［M］．北京：冶金工業(yè)出版社，2001.

［5］朱明華.儀器分析［M］．北京：高等教育出版社，2000.

［6］姚玉英.化工原理（上、下）［M］．天津：天津科學(xué)技術(shù)出版社，1992.

［7］印永嘉，等.物理化學(xué)簡明教程（3版）［M］．北京：高等教育出版社，1992.

［8］姚永兵，朱志昂.物理化學(xué)簡明教程［M］．北京：高等教育出版社，1992.

TE962

A

1673-5285（2016）09-0145-04

10.3969/j.issn.1673-5285.2016.09.035

2016－07-21

肖其，男，工程師，2004年畢業(yè)于寧夏大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院應(yīng)用化學(xué)專業(yè)，主要從事石油化工生產(chǎn)技術(shù)管理工作，郵箱：xq874007@163.com。