國內空分系統設備發展現狀*

聶輔亮 張宏偉

(浙江浙能技術研究院有限公司)

國內空分系統設備發展現狀*

聶輔亮 張宏偉

(浙江浙能技術研究院有限公司)

以某煤制氣項目配套內壓縮空分系統為例，簡要介紹空分系統的制氧流程和設備運行狀況，詳細闡述了國內空分系統中板翅式換熱器、分子篩吸附器、精餾塔、離心壓縮機、透平膨脹機及低溫液體泵等主要設備的發展歷程，最后對國內空分裝置動靜設備常見選用概況進行了總結。

空分系統 制氧流程 動靜設備 發展現狀

氧氣是一種無色、無味，比空氣略重的氣體，它廣泛應用于人們的日常生活和各行業部門中。氧氣的制取主要有化學法、電解法和空氣分離法3種。低溫空氣分離法是指將空氣冷卻至120K以下的低溫狀態再通過精餾獲取高純度氧氮產品，由于低溫空氣分離法具有產量大、純度高及能耗低等其他制氧方法所不具備的優點，因此廣泛應用于煤化工、冶煉鋼鐵及IGCC等高耗氧量行業。經百余年的發展，低溫空氣分離法經歷了6次巨大的變革，制氧機的容量由最初的10m3/h發展到如今的150 000m3/h，其能耗也由最初的3.00kW·h/Nm3O2降至0.37kW·h/Nm3O2。同時近年來煤化工行業的迅速發展也促進了空分行業向著全自動化、低壓、節能、大型化的方向發展[1]。

空分系統設備主要包含動設備和靜設備。動設備主要有離心壓縮機、工業汽輪機、透平膨脹增壓機及低溫液體泵等；靜設備主要有各類管殼式換熱器、板翅式換熱器、分子篩、精餾塔、粗氬塔、冷卻塔、管道及儲氣罐等?？辗衷O備之間環環相扣，其穩定可靠運行是全廠正常生產的前提，因而了解各設備的性能與運行特點至關重要。以某個煤制天然氣項目配套內壓縮空分系統的試運行階段情況為例，就出現過空壓機振動偏大、高速齒輪箱高速軸部件磨損、透平膨脹增壓機喘振、油溫偏高致使跳車及工業汽輪機軸溫偏高聯鎖停車等動設備故障和過空壓機內置換熱器左右兩側換熱不均勻、粗氬塔氮塞、法蘭和閥門泄漏、分子篩冷吹時未出現“冷吹峰值”及油冷卻器油側壓力高致使換熱器破壞等靜設備故障進行介紹。此外有文獻報道在運行比較穩定的預冷系統中水冷卻塔、空冷塔等設備也出現過比較嚴重的運行故障[2，3]。

1 空分系統制氧流程簡介

圖1為某煤化工項目配套內壓縮空分設備的PFD圖。空氣首先經過自潔式空氣過濾器，吸附機械雜質后進入離心式空氣壓縮機進行壓縮，壓縮后的空氣經過空冷塔進行冷卻后進入分子篩吸附空氣中的CO2和水分，分子篩在低溫高壓狀態吸附，在低壓高溫狀態下脫附再生。脫除水分和CO2后的空氣分為3股：第1股作裝置空氣；第2股直接經過低壓換熱器后進入兩級精餾塔的下部作精餾所需的上升氣；第3股氣體去離心式增壓機，在增壓機二段入口處抽出一部分作儀表空氣，其余空氣進入第2段壓縮，在增壓機三段入口處再抽出一部分空氣去透平膨脹機的增壓端，增壓后被水冷卻至進入增壓端前的溫度，然后再進入高壓換熱器冷卻，冷卻后的空氣去透平膨脹機的膨脹端，膨脹后空氣的溫度進一步下降，成為氣液混合狀態，再進氣液分離器，氣態部分進入兩級精餾塔的下部作精餾所需的上升氣，液態部分進入粗氬塔的頂部作物料參與精餾。經增壓機第2段壓縮后剩余的空氣進入增壓機三段壓縮后進高壓換熱器冷卻，再經節流閥后，成為氣液混合狀態，進入兩級精餾塔的下部參與精餾，這樣就在下塔底部形成了富氧液空。高壓換熱器中返流的低溫流體是來自上塔頂部的污氮氣和來自下塔頂部的氮氣和從上塔底部抽出的液氧；低壓換熱器中返流的低溫流體是來自于上塔頂部的污氮氣和來自粗氬塔的粗氬。

圖1 某煤化工項目配套內壓縮空分設備的PFD圖

2 靜設備

2.1 板翅式換熱器

板翅式換熱器在空分系統中有非常廣泛的應用，主要有高/低壓換熱器、過冷器、上下塔之間的主冷凝蒸發器及粗氬塔冷凝器等，板翅式換熱器中往往有多股冷熱流體同時換熱。板翅式換熱器傳熱效率高，由于翅片結構特殊，流動過程中形成強烈湍流，有效降低了熱阻，換熱器中熱端溫差可達1～3℃；結構緊湊，現在板翅式換熱器傳熱密度最高已達17 300m2/m3，一般是管殼式換熱器的10倍左右；流道狹小，容易堵塞。

由于翅片在換熱器中作為隔板的延伸和拓展，在一定的材料消耗下增加換熱面積，獲得了二次傳熱面，因而具有強化傳熱作用，根據傳熱學的知識，在有限體積內翅片個數越多，強化換熱的效果越好，因此翅片布置間距越小，換熱性能越強，所以增加板翅式換熱器的傳熱密度是當前的主要發展趨勢。

圖2所示為常見板翅式換熱器采用的4種不同的翅片類型，每列翅片用不同的隔板隔開，翅片類型不同，形成的流動的傳熱性能各異，在空分系統中往往需要根據傳熱要求選用傳熱特點[4]。當前空分向著超大型化發展，換熱器流道長度也隨之變大，由于板翅式換熱器結構緊湊，解決了超大型化帶來的換熱不充分的難題。此外，國內外學者也提出了不同導流增效的新型翅片型式以優化傳熱，如螺旋翅片、釘型翅片及波紋翅片等，還提出了流體旋轉導流增效技術和人工粗糙壁導流增效技術增加換熱流體流動過程中的湍流強度以增強板翅式換熱器的換熱效果[5]。

圖2 常見板翅式換熱器采用翅片類型

早在20世紀60年代我國就開始了板翅式換熱器的研究，1983年杭氧和開空均開發出中壓板翅式換熱器，1991年杭氧引進美國大型真空釬焊爐和鋁制板翅式換熱器的設計制造技術，于1994年開始大規模生產，1994年生產的7.6MPa高壓板翅式換熱器出口美國市場。2009年杭氧研制成功的上海賽科石化年產量119萬噸的乙烯冷箱，其配套設計為8MPa高壓板翅式換熱器，標志著我國在高壓板翅式換熱器方面的設計制造能力與國際最高水平進一步縮小。據悉，四川空分集團目前已投用的板翅式換熱器最大尺寸為8.0m×1.3m×1.1m，設計壓力為7.7MPa。2009年12月1日國家能源局發布了《鋁制板翅式熱交換器》行業標準，將設計壓力由原標準的6.3MPa提高到8.0MPa，表明我國已經完全實現了8MPa以下高壓板翅式換熱器的國產化。國內外板翅式換熱器技術參數對比見表1。

表1 國內外板翅式換熱器技術參數對比表

2.2 分子篩吸附器

空分系統中分子篩吸附器往往一備一用，其工作周期為8h，其中吸附4h，再生4h，在低溫高壓狀態吸附，吸附順序為：H2O>C2H2>CO2，在高溫低壓狀態脫附。

圖3所示為某臥式分子篩吸附器的結構簡圖，用于中型和中大型規?？辗盅b置中，是目前國產空分常用的類型，2008年杭氧提出使用多孔管做氣流分布器替代傳統緩沖板的設想，杭氧與浙江大學合作，對臥式分子篩吸附器流場特性進行了研究，結果表明采用多孔管和多孔板結構可以降低分子篩床層氣流速度分布的不均勻度，能夠獲得更加高效的吸附效果，使設想成為了現實[6]。圖4所示為某立式徑向分子篩吸附器的結構簡圖，對于大型和特大型規?？辗盅b置，立式徑向流分子篩吸附器能夠有效增大氣體流通面積，大大降低床層阻力，比臥式水平結構節能10%～20%，同時可克服了臥式水平結構占地面積大，運輸困難的缺點。

圖3 臥式分子篩吸附器結構簡圖

圖4 立式徑向分子篩吸附器結構簡圖

自2002年起，杭氧開始對立式徑向流分子篩吸附器進行研究，已經在中小型空分裝置中進行了試驗，與臥式水平結構相比具有占地面積小、節能降耗的優點，但維修難度大，投資成本高，總體而言，優勢并不明顯，因此需要繼續研發用于大型和特大型空分裝置中的立式徑向流分子篩吸附器， 2015年杭氧已經完成了105Nm3/h空分裝置配套立式徑向流分子篩吸附器的研制工作[7]。如果試驗順利，這又將是我國空分行業一大突破。

當前，深冷空分系統常用的分子篩是13X-APG，其化學式為Na2O·Al2O3·(2.8±0.2)SiO2·(6～7)H2O，有4種不同規格[8]。2015年杭氧還對不同規格分子篩應用于徑向流吸附器中的流場進行了數值分析，分析了吸附工作中可能出現吸附飽和的臨界位置[9]。

2.3 精餾塔

空氣分離在精餾塔中進行，空分塔由上、下塔和介于二者之間的主冷凝蒸發器組成，上、下塔均具有一定的溫度和壓力梯度，因此在不同高度，氣液含量和純度不一，以杭氧制造的中型空分裝置配套空分塔為例，其上塔為規整填料塔，填料由瑞士蘇爾壽公司提供，下塔為篩板塔，塔板由杭氧開發。利用下塔頂部和上塔底部的2～3K的溫差，使得上塔底部的液氧連續氣化，下塔頂部的氮氣冷凝。這樣連續不斷地參與精餾，使得下塔頂部氣態氮純度和上塔頂部液氧的純度越來越高，達到產品的要求。當前國內空分塔冷凝蒸發器主要結構類型有立式單層、雙層及臥式多列等，但當空分大型化時這些結構難以解決空分冷凝蒸發器換熱面積不足的問題，現今中空能源設備有限公司正在開展立式三層和四層冷凝蒸發器的研發工作，該研發工作能夠解決大型空分冷凝蒸發器所需換熱面積大的問題，且結構緊湊，強化了塔的穩定性[10，11]。

在篩板塔方面，杭氧開發了S型、導向型、環流型、單溢流及多溢流等不同階段的塔板，最初S型塔板應用于小型空分裝置，如今另外4種溢流塔板已應用于中大型空分裝置中，達到了與Mellapkplus填料下塔相當的性能[12]。在填料塔方面，規整填料塔具有壓降小、分離效率高、產品提取率高、節能及塔徑小等優點，填料塔的設計技術長久以來屬于技術保密范疇，在與蘇爾壽、法液空等公司進行多次合作后，在對合作項目設備長期運行數據進行總結和研究的基礎上，杭氧也走上了自主研發的道路，現如今杭氧自主開發的填料塔已經應用在中大型空分裝置配套空分塔上塔和氬塔中。在已成功應用的21 000Nm3/h空分裝置中，規整填料下塔的阻力只是篩板下塔的1/3，2004年北臺鋼鐵公司50 000Nm3/h空分裝置中采用全規整填料塔，其變工況能力非常靈活，且空壓機背壓降低10～15kPa，降低了制氧能耗。可見，若是在大型和特大型空分塔中全部采用規整填料塔，可能會使制氧能耗進一步降低。規整填料塔的大型化和篩板塔向低壓降、高通量、高效率發展是空分塔主要發展方向。

3 動設備

3.1 離心壓縮機

大中型空分配套壓縮機全部采用離心式，這是由于離心壓縮機具有結構緊湊、運轉平穩、占地面積小及連續運轉周期長等優點。在空分系統中，離心壓縮機的主要作用是將空氣壓縮至臨界狀態以上，使之易于通過節流或膨脹的方式液化，為參與精餾提供條件。離心壓縮機最早出現在公元前60年的古希臘時代，但由于社會條件的限制，在近2000年的時間內離心壓縮機沒有得到實質的發展[13]。直到19世紀末期，工業應用中對高壓空氣需求日益增加，推動了離心壓縮機的發展，而此時Euler、Bernoulli及Carnot等科學大師們已經奠定了流體機械的理論基礎。20世紀初期理論研究更加深入，軸承潤滑、密封技術及新型材料的應用等使得離心壓縮機向著高壓力、寬范圍、高效率的方向發展，20世紀90年代以后，在經濟全球化趨勢下，國外離心壓縮機制造企業發生了巨大的兼并重組，形成了以GE、SIEMENS及MITSUBISHI等通用機械具體為代表的世界格局，此時國外離心壓縮機巨頭企業完全停止對外輸出技術。在嚴格技術封鎖背景下，我國沈鼓、陜鼓由之前的引進吸收轉變為自主研發、技術創新，具備了一定的生產制造能力，盡管國產離心機仍有效率偏低、運行不夠穩定等缺點，但已經有了很大的突破。如圖5所示，當前多級離心壓縮機效率已經接近90%，隨著技術的進步，也由于級內損失如摩擦損失、尾跡損失及二次流動等損失不可避免，離心壓縮機效率正逼近其空氣動力學極限的92%[14]。數十年來，我國學者們對離心壓縮機的流動擴穩[15]、變工況性能調節[16]、性能分析與預測[17]、多目標參數優化[18]及失速與喘振現象[19]等方面進行了非常深入的理論研究，為我國離心壓縮機設計研發方向提供了理論支持。

圖5 離心壓縮機效率變化趨勢

我國離心壓縮機生產廠家主要有沈鼓集團和陜鼓集團，一些空分設備商和風機制造企業也在研制空分配套離心壓縮機，但只在小型空分中有業績，以開空集團為例，最新研制的離心壓縮機僅應用于1.5×104Nm3/h空分裝置中。沈鼓集團自20世紀70年代起開始引進國外離心壓縮機制造技術，如70年代末從當時還未并入GE的意大利Nuovo-Pignone公司全套引進MCL、PCL、BCL 3個系列的離心壓縮機制造技術，80年代從日本HITACHI引進DH型雙軸四級離心壓縮機和HS系列離心式冷凍機組，90年代從德國DEMAG引進VK8-3S系列和日本川崎重工GM系列離心機技術。在石油化工領域，沈鼓自行設計制作的裂解氣離心壓縮機流量為12×104Nm3/h，功率為18MW；在空分行業，2004年沈鼓研制了我國第一套國產4.0×104Nm3/h空分裝置配套壓縮機，之后相繼開發了4.8×104Nm3/h和5.2×104Nm3/h空分裝置配套壓縮機，填補了國內空白，2015年沈鼓自主研發我國首套105Nm3/h空分裝置配套壓縮機在沈鼓集團營口基地圓滿完成全負荷性能試驗，通過了國家能源局的驗收。陜鼓集團1994年與瑞士Sulzer簽訂了離心壓縮機合作生產協議，在Sulzer并入MAN-TURBO后續簽了合作生產協議，其中葉輪、轉軸、密封及軸承等核心部件由MAN-TURBO提供，內置冷卻器、機殼及油箱等輔助部件由陜鼓提供。陜鼓于2002年開始致力于空分壓縮機組的研究，已能提供12×104Nm3/h空分裝置配套壓縮機。

3.2 透平膨脹機

在開車過程中，高壓空氣在透平膨脹機中膨脹產生大量冷量至液化，為精餾工況的建立提供條件。在正常運行狀態下，透平膨脹機可以補充換熱過程中的冷量損失。此外，透平膨脹機中近似等熵膨脹，其制冷量遠大于同參數下的節流制冷量。由于透平膨脹機具有獲取低溫冷量的優勢，成為低溫空氣分離制氧不可或缺的核心設備，新型高效的透平膨脹機的開發決定了空分行業的發展與變革，20世紀90年代后期，隨著增壓透平膨脹機的開發成功，空分裝置全部采用增壓透平膨脹機，采用提升了膨脹前壓力，提高了膨脹比，使制冷量大大提升，推動了空分裝置由大型化向特大型化發展。

1930年，林德首次將單級透平膨脹機應用于空氣分離，此后透平膨脹機廣泛應用于空氣分離、天然氣液化、余熱發電、余壓利用及能量回收等行業之中，均取得了良好的業績。據新聞報道，2016年5月，天加公司ORC項目中采用UTC旗下普惠公司的成熟透平技術和集成控制系統，余熱發電效率遠高于同類螺桿膨脹機，應用透平膨脹機使熱電效率從9%提升至23%。

國外著名企業如GE、Dresser-Rand、Linde、MAN TURBO、Atlas Copco及MHI等在工藝流程匹配、先進材料應用、高端加工工藝、葉輪設計試驗及轉子穩定性分析等核心技術占據壟斷地位，現代空分裝置中透平膨脹機絕大多數選用的是國外生產的設備。

我國透平膨脹機生產廠家主要有杭氧集團、開空集團和川空集團。國內三大空分巨頭通過引進吸收消化國外先進技術和與國內重點高校、科研院所合作，取得了不少成績，對透平膨脹機的熱力設計[20]、數值模擬[21]、轉子動力學[22，23]及軸向推力計算[24，25]等方向進行了深入研究。杭氧集團于1992年引進NREC透平設計軟件，NREC軟件具有先進的性能計算程序、流動分析與葉輪造型模塊，結合美國國家標準局的流體物性計算程序，使設計達到了很高的準確度，設計出的轉子流道流動損失較小。同時，杭氧集團引進瑞典五軸數控銑床，確保了流道和葉片型面的加工精度。在轉子-軸承系統方面，杭氧與西安交大、上海交大及浙江大學等高校合作，對主軸振動、不平衡響應等方面進行了研究，提高了膨脹機運行的穩定性。目前杭氧已經實現了30 000～60 000Nm3/h空分設備的全部國產化，2013年杭氧與西安交大合作開發了等熵效率不小于78.8%的全液體透平膨脹機組，在某40 000Nm3/h等級內壓縮空分項目上實現了工業化應用[26]。川空集團于1978年起不斷引進GE公司旗下Rotoflow、德國Linde等公司的設計制造技術，經過幾十年的消化吸收，目前具備生產50～100 000Nm3/h空分設備增壓透平膨脹機和液態膨脹機，30～480t/d氣體液化裝置用增壓透平膨脹機，(3～1 000)×104Nm3/d、10MPa天然氣液化分離裝置用增壓透平膨脹機的能力。開空集團在20世紀60年代開始從事透平膨脹機的研發、生產、設計和制作，通過與西安交通大學聯合研究開發，并引進國外先進的透平膨脹機設計軟件包和先進的加工機床，目前已經生產了上千臺機組廣泛應用于鋼鐵、石化等工業部門，目前開空集團最新生產的PLPK-1283/39×5型透平膨脹機，與天津榮程82 000Nm3/h空分配套，其流量為77 000Nm3/h，膨脹比為8，額定轉速為18 200r/min，等熵效率不小于86%。

3.3 低溫液體泵

低溫液體泵是在空分、化工裝置中用來輸送低溫液體(如液氮(-196℃)、液氧(-183℃)、液氬及液化天然氣等)的特殊泵，空分系統中使用的低溫液體泵主要是液氧泵和液氮泵，低壓低溫液體在低溫液體泵中增壓后進入汽化器成為高壓常溫氣體供用戶使用。煤化工內壓縮空分系統中使用液氧泵使系統簡單得多，費用也小于使用氧壓機，且比直接壓縮氧氣要安全得多；煤化工內壓縮空分系統中使用液氮泵則是出于工藝考慮，空分裝置需為下游工藝提供必要的不同壓力等級的氮氣，即使空分跳車，氮氣也不能停止供應，因而需要配置液氮儲槽和液氮泵。低溫液體泵由于輸送介質出于極低溫的狀態，在材料、結構、運行上有特殊要求，因而國內外僅有極少數企業能夠生產。空分系統中采用的低溫泵往往采用國外進口，主要的設備生產商有法國Cryostar、Fives、瑞士Cryomec、美國Flowserve及ACD等。

2000年以前，國內多家企業和研究機構對低溫液體泵的國產化進行了探索，由于“高壓低溫”的難題始終沒有得到解決，我國在低溫液體泵方面的研究往往集中在數值模擬、軸振動、泵空化、汽蝕、水力設計、流場測試，但由于科研工作存在理論與實踐嚴重脫節的問題，國內具有自主知識產權的低溫液體泵產品很少見于報道[27]。據報道，在2009年我國大連深藍泵業有限公司研發成功多級低溫液氧泵，應用于山東華魯恒升化工股份有限公司，經過調試，機組平穩，技術性能達到了預期目標。

液氮設備制造技術門檻很高，目前國內僅有兩家石油裝備技術公司具備生產液氮車的能力，但液氮泵仍是使用國外產品。

4 國內空分裝置動靜設備選用

表2為當前國內空分裝置動靜設備選用概況，以前述6種動靜設備為例，我國完全實現了中大型空分項目靜設備的國產化，但大型和特大型空分項目中的靜設備主要還是依賴于進口。在動設備方面我國落后得比較多，國內制造商還不具備生產中大型空分項目配套壓縮機的能力，我國三大空分供應商對透平膨脹機技術掌握得較多，已經具備了生產大型空分項目配套透平膨脹機的能力，在低溫液體泵方面幾乎還是空白，盡管具備了生產部分動設備的能力，但由于國產設備性能、運行穩定性等方面的不足，國內空分裝置中動設備還是以進口為主。

表2 國內空分裝置動靜設備常見選用概況

5 結束語

我國目前已經具備了大型和特大型空分項目的設計、制造能力，盡管核心動設備的前沿研究已經非常成熟，但國內相關透平機械廠家技術能力相對薄弱，先進的研究成果往往不能夠產業化，絕大多數空分動設備依賴進口，近年來我國在空分靜設備方面卻取得了很大的突破，在靜設備的研發設計的很多方面已經能夠推陳出新，突破國外壟斷。在國家政策推進制造業核心設備國產化的要求下，透平機械作為高端制造業的代表，應當得到國家大力培育，同時國內動設備廠家也應該提高自身研發能力，在深化與科研院所和國外先進企業合作的同時加強前沿研究成果在產業化的應用，鼓勵自主創新，努力突破行業壁壘，當前空分行業的快速發展也正是核心設備國產化的重要契機。

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DevelopmentStatusofRotatingMachineryandStaticEquipmentsinDomesticCryogenicAirSeparationSystem

NIE Fu-liang,ZHANG Hong-wei

(ZhejiangEnergyGroupR&DInstituteCo.,Ltd.)

Taking the inner compression process’s air separation system prepared for a coal gas project as an example,the process of oxygen generation and the operation of rotating and static equipments were introduced briefly,of which,the development of molecular sieve absorber,plate-fin heat exchanger,distillation column and centrifugal compressor,turbo-expander and cryogenic liquid pump were illuminated in detail.Finally,both general selection and use of rotating machinery and static equipments at home in air separation system was summarized.

air separation system,process of oxygen generation,rotating machinery and static equipment,development status

聶輔亮(1991-)，男，助理工程師，從事煤化工項目中空分系統的技術研究工作，865517825@qq.com。

TQ051.8

A

0254-6094(2017)04-0367-08

2016-08-31，

2016-12-29)