69 000 Nm3·h-1空分裝置變負荷對系統的影響

朱玉芹

69 000 Nm3·h-1空分裝置變負荷對系統的影響

朱玉芹

（河南能源集團鶴壁煤化工有限公司，河南 鶴壁 458000）

鶴壁煤化工空分裝置利用動力廠提供的8.8 MPa的高壓蒸汽驅動汽輪機空氣壓縮機壓縮環境空氣，帶壓的工藝氣經預冷、純化系統及膨脹機制冷后進入精餾塔，采用低溫精餾的方法分離出氧、氮、氬，并為后系統提供合格的高壓氧氣、高中壓氮氣、儀表氣，并生產副產品液氧、液氮、液氬。闡述了69 000 Nm3·h-1內壓縮空分裝置在實際運行中的變負荷原則、操作順序及操作速度，最后結合空分原理分析了變負荷時對主塔及氬系統的影響。

空分；內壓縮；氬系統；變負荷

近年來，隨著國內經濟的高速發展，為冶金、石化、化工等工業領域配套的大型空分得到迅速的發展和廣泛使用[1-3]。鶴壁煤電股份有限公司60萬t甲醇項目空分裝置具有69 000 Nm3·h-1的制氧能力，該裝置采用法國液空公司的空氣分離技術，采用內壓縮流程和全精餾無氫制氬工藝，該套裝置具有變負荷能力，具體流程見圖1。根據市場價格的變化，可以對液氧、液氮的生產負荷和比例進行調節，以更靈活的適應市場對不同液體產品的需求。對帶氬的空分設備來說，變負荷是比較復雜的工況調節，會引起氬系統工況波動，容易發生氮塞，嚴重時會引起氬系統停車，進而造成氧氣產品純度、壓力波動。

F01—過濾器；ST—汽輪機；C01—空壓機；C05—增壓機；E07—空冷塔；E60—水冷塔；X60—冷凍機；P60—冷卻水泵；R01/02—分子篩純化器；E08—蒸汽再生加熱器；E09—特殊再生加熱器；ET01—膨脹機；E01—主換熱器；E03—過冷器；K01—下塔；K02—上塔；E02—主冷；K10—粗氬塔；E10—粗氬塔冷凝器；K11—精氬塔；E15—精氬塔蒸發器；E16—精氬塔冷凝器；P03—液氧泵；P05—液氮泵；P10—粗氬泵；V30—液氬儲槽；V40—液氧儲槽；V50—液氮儲槽；V51—液氮儲槽；P30—液氬槽車泵；P40—液氧槽車泵；P50—液氮槽車泵；P51—事故氮泵；P33—氬充瓶泵；P43—氧充瓶泵；P53—氮充瓶泵；E51—水浴蒸發器；E52—氣化器；E57—氣化器。

1 變負荷操作基本原則

空分裝置的變負荷操作，包括加負荷操作和減負荷操作兩個主要方面，均涉及空氣量的變化。在具體操作過程中，負荷的加減應該緩慢進行，避免因加減負荷強度過大使工況產生波動，造成產品質量和供氣壓力受影響。

空分裝置生產負荷無論是加負荷或減負荷的調整要都分步次逐漸加、減來完成，目的是保證調整過程中保持系統工況的相對穩定。具體操作過程需要根據裝置的需求來確定每次負荷加減量的多少。加減負荷時首先要保證主塔物料含量不發生較大的變化為原則，一般空分負荷調整量控制在設備處理空氣量的0.5％～1％[4]范圍內。負荷調整的時間間隔必須保證在下一次調整前，空分設備從空壓機、增壓機、膨脹機、精餾塔、氬系統到氣液態產品已充分消化了上一次的調整量，所調整參數已經達到預定要求，高、低壓氮氣，氧氣和液氧及氬氣、液氬等主要分析指標均在正常范圍內且不產生較大波動才能進行加減負荷的操作。

為確保各種氣體及液體產品指標不產生較大波動，增加負荷時一般采取從空壓機到氬系統順序進行，每次加空壓機導葉0.5％，空氣量增加750 Nm3·h-1,根據需求，可以緩慢多次增加空壓機導葉開度來提高系統負荷；降低負荷時一般采取從氬系統到空壓機的順序進行。先通過降低氬系統負荷、到精餾系統，調整膨脹機的膨脹量到降低空壓機的空氣量來降低裝置負荷；在調整過程中，要將DCS系統趨勢平滑的上升或下降的直線為參考依據，保證各相關參數變化平穩，避免引起系統較大波動。

2 變負荷的操作順序及調整速度

在負荷調整操作過程中一定要把握好系統處理空氣量和所生產氣體產量之間的相對應的變化及變化速度，增加負荷時要先增加系統處理空氣量，稍后再增加氧氣量、氮氣量，最后增加氬塔負荷，反之，在減負荷時要先降低氬塔負荷、再減少氧氣量及氮氣量、最后減空氣量，需要注意的是在減負荷時要多減少氧氣量，使主冷氧純度高一些，這樣有利于控制氬餾分不至于太低，可以有效防止粗氬塔氮塞。而且空分裝置變負荷操作前必須在裝置負荷到70％以上，且所有的產品送出，純度到達要求后才能進行；空分裝置變負荷操作是從一個平衡到另一平衡的動態操作過程，在此過程中要建立物料平衡、冷量平衡、精餾塔氣液相平衡3個平衡。其中建立物料平衡和冷量平衡的時間長短取決于空壓機、膨脹機工況的調節速度。所以負荷調整操作的速度要平穩。如果操作太快不僅會使主塔工況波動太大，而且容易造成氬塔大幅度波動而引起氮塞事故。

3 變負荷對主塔及氬塔的影響

變負荷操作過程中，如果加工空氣量增加過多過快時，會使主塔內的上升蒸汽增加過快，而相應的主冷中冷凝液體量也增加，主冷的熱負荷加大，當傳熱面積不足時，主冷的溫差必然擴大，下塔壓力升高，同時塔內氣流速度增加，下流液體量增加，塔板上液層加厚，使塔板阻力增加，上下塔壓力相應提高，這將對氧氮分離帶來不利影響，當氣量過大時，會造成液體無法下流，下塔回流比變小，在塔底產生的液相氧純度較高，上升氣相氮純度較低，不利于下塔精餾工況，嚴重時還會破壞主塔正常工況[5]。

當加工空氣量減少過多時，可能出現上升氣量減少過多而托不住塔板上液體，將產生漏液現象，下漏的液體沒有與上升蒸汽充分接觸，部分蒸發不充分，造成回流比增大，液相氧純度低，氣相單純度較高。因為在精餾過程中，下塔的富氧液空通過節流閥送到上塔作為上塔的回流液，如果氧純度低，會使上塔使精餾效果也大大下降，影響到產品氧氮的純度，嚴重時會破壞精餾塔工況，無法維持生產。

在變負荷過程中，隨著加工空氣量的變化，主冷的液位也會發生變化，所以在這一動態過程中必須嚴格控制主冷液位，確保主冷液位的穩定就能確保主塔工況不出現大幅波動，對穩定主塔工況起到重要的作用。

對主塔進行負荷調整時，會對液空純度產生影響，從而影響氬塔的精餾工況；因為粗氬、精氬冷凝器是有主塔的一部分富氧液空作冷源，所以液空的純度直接影響粗氬、精氬冷凝器的熱負荷。當氧氮純度發生變化時，即工況稍有變動，氬在塔內的分布也會發生變化。當氧氣純度變化0.1％，氬餾分氧的體積分數就要變化0.8%~1％。氬餾分中的含氬量是隨氧純度提高而降低的。具體影響是：如果氬餾分含氧過高，將導致粗氬產品含氧量增高，產量降低，氬的提取率也降低。如果氬餾分含氮量過高，粗氬塔冷凝器中溫差減小，甚至降為零，這樣就會導致粗氬冷凝器冷凝量減少或者不冷凝，使粗氬塔無法工作。并且，隨著氬餾分抽出量減少，上塔回流比也相應減少，氧純度提高，使得氬餾分中含氮量也相應減少。于是冷凝蒸發器溫差又會擴大，氬餾分抽出量又會增大，這樣反復變化，使粗氬塔無法正常工作。因此，只有在空分設備工況特別穩定，氧氮純度都滿足要求時才能進行負荷的調整。

4 結束語

空分裝置作為化工生產的中間環節，其穩定與否關系整個化工裝置的穩定，變負荷作為空分操作中的重要部分，操作時都要緩慢進行，并要及時、恰當，力求空分裝置的穩定。

[1]賀永德. 現代煤化工技術手冊[M]. 北京:化學工業出版社，2011: 681-713.

[2] 劉勛. 大型煤化工空分技術與設備發展現狀[J].中國高新區，2017，16: 160.

[3] 余化, 馮天照. 大型空分裝置國產化技術發展狀況及應用前景[J]. 化肥設計，2014（1）: 9-12.

[4]尹超, 涂后沅. 變負荷操作對空分裝置制氬系統工況的影響[J]. 低溫與特氣，2008（2）：30-32.

[5]蔣旭, 王忠建. 空分設備制氬系統原理與操作淺析[J]. 氣體分離，2013（2）：21-28.

Influence of Variable Load Operation on 65 000 Nm3·h-1Air Separation Unit

（Hebi Coal Chemical Industry Co., Ltd. of Henan Energy and Chemical Industry Group, Hebi Henan 458000,China）

The air separation unit of Hebi Coal Chemical Industry Co., Ltd.uses 8.8 MPa high pressure steam provided by power plant to drive turbine air compressor to compress ambient air. Process gas with pressure enters into rectification tower after being cooled by precooling, purification system and expander. Oxygen, nitrogen and argon are separated by low-temperature distillation, and qualified high-pressure oxygen, high-pressure nitrogen and instrument gas are provided for the next system, and the by-products are liquid oxygen, liquid nitrogen and liquid argon. In this article, operating principle, operating sequence and operating speed of the 65000 Nm3·h-1internal compression air separation unit in actual operation were mainly expounded. At last, based on the principle of air separation, the influence of load changing on the main tower and argon system was analyzed.

Air separation unit; Internal compression; Argon system; Variable load operation

2020-08-06

朱玉芹（1983-），女，工程師，河南省濮陽市人，2007年畢業于河南科技學院化學工程與工藝專業，從事煤化工生產技術工作。

TQ116.11

A

1004-0935（2020）09-1108-03