空分裝置夏季空分氣量不足的影響及改造措施

楊飛

摘要：為了保證各裝置滿負荷運行的用氣需求，使整套系統產生最大的經濟效益，我們對空分裝置進行了一系列的改造。

關鍵詞：空分系統;空氣量;措施;效益

1 裝置概況

河南煤業化工集團中原大化公司空分裝置采用杭州制氧股份有限公司設計制造的KDON-52000/61100型空分裝置 。設計氧氣產量52000Nm3/h（純度99.6%），氮氣產量61100 Nm3/h（含氧量10ppm），氬氣產量1600 Nm3/h（含氧量1ppm含氮量2ppm）。該空分裝置采用離心式空氣壓縮、常溫分子篩凈化、增壓透平膨脹機、填料型上塔、全精餾無氫制氬、液氧（氮）泵增壓的內壓縮工藝技術。系統控制采用先進的DCS微機控制技術。

配套的空壓機組由沈陽鼓風機廠設計制造，單套的膨脹機組和兩臺液氧泵、兩臺液氮泵、兩臺液氬泵及一臺事故液氮泵均由法國CRYOSTAR原裝進口。冷箱外圍設備、管線由中國五環科技股份有限公司設計，由中石化四公司負責現場安裝。

整套空分裝置包裹下列各系統：01：空氣預冷系統（KLT27）;02：分子篩純化系統（KJT27）;03：增壓透平膨脹機組（PZYZ192）;04：高低壓板式換熱器系統，05：精餾系統;06：氬系統;07：液氧貯槽系統（ZO1321A）;08：液氮貯槽系統（ZN133）;09：液氬貯槽系統（ZA122R）等。

2 存在的問題及原因分析

本套裝置按照原始的設計要求所產的氧氣和氮氣能夠滿足氣化和甲醇的滿負荷運行，但是隨著后系統產業鏈的不斷延伸（乙二醇裝置投用），使用氣總量快速上漲，大大超出了系統的承載能力，因空氣量不足間接的引發了數起事故，嚴重制約了裝置的長滿優運行。

2.1 空氣量不足導致氧純度下降的事故

2017年5月10日，當天空氣溫度高、濕度大，從空壓機高壓缸抽取的儀表風和工廠風外送量較大，最高達到18000Nm3/h，遠超設計值的5000 Nm3/h，致使高壓氣壓力僅有5.56MPa，遠低于設計的6.96MPa，主冷液位逐漸開始不好維持，19時18分氬系統出現氮塞現象，操作人員緊急干預但氬系統氮塞現象并未好轉，且氧純度開始急劇下降，氣化爐工況出現大幅波動，后系統被迫降負荷，一天后氧氣純度恢復正常，氣化爐氧負荷提升至100%，系統全面恢復正常。

2.2 空氣量不足導致系統降負荷

2017年8月3日，當天外界氣溫較高，13時20分操作人員發現主冷液位持續緩慢下降，就立即對系統進行優化，并且緩慢將粗氬Ⅱ塔底部液位打至主冷以減緩主冷下降的速度，19時50分純化系統充壓后，主冷液位最低降至2100mm，為避免液氧液位過低造成聯鎖停車，氣化降負荷至96%，同時減少外送的工廠風和高壓氮氣的量，系統于次日才恢復正常。

2.3 事故的原因分析

夏季，空氣密度低、濕度大，額定轉速下空壓機打氣量不足，致使低壓、中壓、高壓空氣壓力與設計值相差較大;中壓空氣壓力下降使膨脹機的制冷量下降，總制冷量不足會造成主冷液氧液位的下降;高壓空氣壓力下降使節流制冷的效果下降，下塔氣液混合物中氣體較多，進上塔液空量減少，從而導致上塔氣化率較大，氧不容易洗滌下來，在氧抽取量不變的情況下，勢必會影響到主冷液氧液位;精餾塔工況的異常容易使氬系統出現氮塞，甚至是氬系統整體的被迫停運，上塔中的氬無法提取，直接導致氧氣純度的下降;根據物料平衡的原則，加工空氣量不足，必然造成氧氣、氮氣產品的減少，肯定無法滿足后系統的滿負荷運行。

上述兩起事故充分暴露了加工空氣量不足對空分系統穩定運行的嚴重影響。

3 主要改造

為了保證各分廠滿負荷運行的用氣需求，使整套系統產生最大的經濟效益，我們對空分裝置進行了一系列的改造。

3.1 倒灌液氧

倒灌液氧是一種常用的能迅速提升主冷凝蒸發器液氧液位的方法。在裝置開車階段，為了縮短開車時間往往采用這種手段。但是，在正常生產中如果直接采用這種方法，很容易造成液氧液位的大幅波動，進而影響到主塔的精餾工況，造成產品純度的下降。

因此，采用了新的方案來進行操作。將粗氬Ⅱ塔底部排液導淋割開，與氧儲槽泵的出口相連，使氧儲槽與粗氬Ⅱ塔相通，啟動氧儲槽泵后，首先將液氧打至粗氬Ⅱ塔底部儲存起來，這樣可以時刻保證粗氬Ⅱ塔底部有較高的液位。一旦主冷液氧液位出現下降時，就可以通過操作氬泵轉速及出口閥位來控制回主冷凝蒸發器的液體量，既保證了液氧液位的穩定又不會造成主塔精餾工況的異常。

采用這種方法，避免了只有在主冷液氧液位較低時才能倒灌液氧的弊端，提升了系統的抗風險能力。同時，從氬系統進入到主冷的液氧，參與了系統的精餾，使氧氮產品的純度都有了提高。

3.2 改造工廠風管線

全廠所用的工廠風和儀表風都來自于空壓機高壓缸，原設計是在空壓機高壓缸一段出口抽取5000Nm3/h氣體作為全廠的儀表風和工廠風，但是隨著后系統用氣量的不斷增加，最高時抽取量達到18000Nm3/h，造成高壓氣壓力下降較多。為了保證高壓氣的節流效果，只能通過提高機組轉速來解決。而提高轉速又容易造成低壓氣超壓，必須通過關小機組進口導葉來降低低壓氣壓力，這樣做使整個機組的能耗迅速增加。

所以要根據儀表風和工廠風的特點來進行改造，兩者的區別在于儀表風的總用量變化不大，關鍵要求是氣源壓力穩定。而工廠風平時多用于吹掃、置換裝置，用量較大且不穩定，對壓力的要求不高。

因此，依舊在空壓機高壓缸一段出口抽取儀表風，工廠風則從其它地方抽取。在分子篩出口管線上帶壓開兩個DN200的孔，其中一根管線由閘閥控制直接與工廠風管線相連，另一根管線由調節閥控制與工廠風管線相連，將分子篩后凈化過的低壓氣作為工廠風。這樣做不僅使高壓氣的壓力得到了很大提升，而且工廠風的大量使用，也解決了機組提轉速時低壓氣容易超壓的問題。

3.3 新加一臺空壓機

一系列的改造雖然解決了后系統滿負荷用氣的需求，但是在夏季空分裝置由于受制于總氣量及冷量的不足，不能夠生產液氮、液氬等副產品。而夏季幾個月中副產品的價格往往處于全年的高位，利潤空間巨大，為了創造更多的經濟效益，添加了一臺小型空壓機。

新加空壓機出口與空冷塔進口管線相連，使這部分氣體經過空氣預冷系統，一方面可以進一步降低這部分空氣的溫度，減少氣體的含水量，另一方面，還可以除去機械雜質及能溶于水中的NO2、SO2等對分子篩有毒害作用的物質，同時，這部分氣體經過空冷塔后再進入分子篩系統，也減少了對分子篩的沖擊。

改造需要注意的問題：充分評估增加的氣量對空冷系統和分子篩系統的影響，特別注意分子篩出口二氧化碳分析的變化情況，不要超過分子篩的承載能力;啟動新加空壓機向系統進氣時一定要緩慢，密切關注空冷塔壓差的變化，避免進氣速度過快夾帶水分，造成分子篩帶水;新加空壓機向系統進氣時，要密切監護低壓氣壓力，避免超壓;新加空壓機出口管線要設置止回閥，避免機組停運時，空冷塔內氣體倒流至機組;新加空壓機運行過程中一旦發生停車，要及時調整系統工況，查明原因，盡快啟動。

4 改造后的效果

經過改造，本套空分裝置在外界氣溫較高時也能正常運行，再也沒有出現因主冷液氧液面過低而使后系統減負荷的現象，困擾空分氣量不足的問題得到了徹底地解決，使整套裝置的抗風險能力得到了明顯的提升。

從表中可以發現，改造前，在循環水溫度30℃時，高壓氣的壓力基本上在6.5 MPa，經過工廠風和新加空壓機的改造后，空壓機高壓缸一段出口的抽取量降到了3000Nm3/h，即使循環水溫度上升到35℃，高壓氣壓力還能維持在6.6MPa，使高壓空氣的節流制冷效果大大提升，最為明顯的是，在保證主冷液氧液位較高的情況下，投用了精氬系統，日產液氬30噸以上。

5 效益分析

本次改造共投入費用花費30萬元/年（租賃的），管線配置和電纜線及其他費用大約20萬元。改造后空分每天多產液氬在30噸左右，按照夏季液氬平均價格為1500元/噸，每天收入為4.5萬元，除去新加空壓機每天耗電花費的1萬元，凈利潤為3.5萬元，按照每年夏季運行四個月計算，直接增加收益約為540萬元。同時，改造工廠風后，產氧量相同的情況下能使空壓機的轉速降低20轉，每小時節約蒸汽2噸，按照每噸高壓蒸汽180元計算，估計節約103.6萬元。

6 總結

倒灌液氧雖然能滿足后系統滿負荷運行，核算后能夠產生一定的經濟效益，但是根據近幾年夏季低溫液體的行情判斷，價格往往會有較大上漲，致使倒灌液氧成本較高，降低了裝置整體的盈利能力，因此，僅將倒灌液氧作為一個應急方法。

對比倒灌液氧和新加空壓機，倒灌液氧雖然效果顯著，但不具有連續性，空壓機雖然一次性投入相對較大，但配合改造后的工廠風管線使用，經濟效益可觀。

總之，改造后徹底解決了系統空氣量不足的問題，不僅使整套裝置運行更加穩定，又生產出了大量副產品，還可以避免后系統降負荷，增加了企業的經濟效益，同時也為其它單位空分裝置的改造提供了參考。