影響空分裝置105%負荷穩定運行的原因

康靠宗(云天化呼倫貝爾金新化工有限公司，內蒙古 呼倫貝爾 021506)

1 空分裝置現狀

某公司36000m3/h空分裝置河南開封空分集團設計制造，采用臥式分子篩吸附凈化、增壓透平膨脹機、精餾塔上塔采用低溫規整填料、下塔采用篩板塔、粗氬填料塔、內壓縮流程工藝。自2016年6月份以來，由于后系統氣化島裝置填平補齊項目的開車成功，要求空分裝置需在超負荷105%下運行才能滿足全廠裝置對氧氣的需求量，由于各種因素影響了空分裝置105%負荷的長期穩定運行。本文將針對各個因素進行分析并提出相應的解決措施和調整控制方法。

2 進塔空氣量

當進出精餾塔各股物料的量及狀態完全符合整個精餾塔的物料平衡、組分平衡及熱量平衡，精餾工況才能穩定運行，同時這也決定了參與精餾即進塔空氣量的確定。本套裝置設計36000m3/h負荷下空壓機組打氣量為192500m3/h，其中包括不參與精餾塔精餾的空氣約9400m3/h。但要滿足目前105%負荷即37800m3/h的氧氣需求，根據目前全廠裝置空氣量需求，通過對目前裝置物料平衡、組分平衡進行計算得出，在空分裝置一臺事故儀表空壓機運行的情況下，空壓機實際排氣量約需207000m3/h見表1(分子篩充壓時約需1500m3/h)才能滿足空分裝置105%負荷下的空氣需求量。此因素為空分裝置在37800m3/h負荷下運行的前提條件。

表1 空分裝置氧氣產量/空氣量

但在實際運行過程中，由于受到當地夏冬兩季氣溫差異較大影響，夏季氣溫較高，空氣密度變小，氣體體積增大，同時夏季機組換熱器冷卻水溫度升高，換熱器出口空氣溫度升高等因素影響，實際空壓機組打氣量并無法滿足當前負荷需求。例如在今年7月空壓機機組在同等工況下打氣量僅為197000m3/h，而在11月份打氣量可達210000m3/h，此因素為制約空分裝置105%負荷運行的關鍵因素。 該因素由于受到機組本身設計原因，目前還無法得到根本解決，僅能采取的唯一措施是盡可能降低全廠循環冷卻水溫度、大修期間清洗各冷卻器以此來增加空壓機組打氣量，滿足裝置負荷需求。

3 吸附器吸附性能

自2016年2月份以來，純化系統吸附器MS01202再生氣排放口開始出現再生氣體攜帶少量分子篩和活性氧化鋁等現象出現，同時吸附器出口CO2含量AI01201也開始升高(表2)，控制指標為1×10-6m3/m3。后期經過先后三次對吸附器內部人孔打開檢查時發現，分子篩底層的固定篩網邊緣處多處出現破損，因此在分子篩再生期間，漏入下層的分子篩會同再生氣一起帶出，從而影響了分子篩的吸附效果。

針對上述現象，在今年5月份裝置大修期間對吸附器MS01202內的分子篩進行全部卸出篩分，對吸附器底部的篩網進行重新安裝更換和加固，并填補部分新的分子篩和氧化鋁。大修結束后開車吸附器出口CO2含量明顯降低(表2)，同時要求操作人員在吸附器充泄壓時通過程控暫停等方式盡可能降低氣體對分子篩沖擊，防止造成床層不平整或分子篩粉化粉塵進入后系統管道設備中堵塞管道，目前吸附器已工作正常，該問題得到解決。

表2 檢修前后吸附器出口CO2含量

4 冷量損失過大

冷量損失對于每套空分裝置來說是不可避免的事實，其中主要冷損包括以下幾種形式，主換熱器熱交換不完全造成的冷損Q1，空分設備因外部傳入熱量造成低溫氣體溫度升高所造成的跑冷損失Q2，因各類低溫液體或氣體排放或泄漏所造成的其他冷損Q3，低溫液體產品產出所帶出的冷量為Q0空分設備所生產的制冷量Q只有與各項冷損保持平衡，才能維持空分工況的穩定，這叫“冷量平衡”，即

衡量空分裝置冷量是否充分的標志是主冷液氧液位的上漲或降低，冷量損失過大是目前空分裝置無法長期穩定在高負荷下運行的主要原因。

4.1 主換熱器熱端溫差造成的冷損

熱量只能從高溫物體傳給低溫物體的規律注定了換熱器換熱器內部必定存在溫差，這個溫差的大小反應了換熱器冷量損失的大小，它與溫差ΔT成正比，其計算公式為：

式中：V為氣體流量(m3)；Cp為氣體比熱容(kJ/(m3·℃))；ΔT為換熱器熱端溫差。

根據以上公式可看出，在換熱器換熱面積一定的情況下，體積體積流量越大，溫差ΔT越大，換熱器熱交換的冷損就越大。

表3 低壓主換熱器熱端溫度

表4 高壓主換熱器熱端溫度

通過表3和表4可看出，在負荷37400m3/h情況下，低壓主換熱器熱端溫差6月和11月沒有太大明顯的變化，溫差均在5℃以內；但高壓主換熱器熱端溫差有了明顯的上漲，最高溫差可達近30℃，這對于大型空分裝置來說，這樣的冷損是不可接受的。分析原因為由于裝置長期超負荷運行，裝置在9月份兩次停車由于受到增壓機三段出口換熱器泄漏及開車空氣等因素影響，高壓主換熱器存在一定程度的堵塞，影響了換熱器的換熱效率，進而增大了高壓主換熱器的熱端溫差。

根據以上數據分析，高壓主換熱器熱端溫差是當前空分裝置冷量不足的主要原因。但由于裝置目前不能進行大規模停車復熱，因此在現有工況下對裝置冷量不足的問題進行以下的調整。

減小高壓主換熱器低壓氮氣通道氣量。根據上述公式可看出，在換熱器效率一定的情況下，即溫差ΔT一定，氣體體積流量越大，返流氣體冷量無法得到有效回收，冷損越大。由于壓力氮氣、氧氣受外界用戶影響，高壓主換熱器其余通道氣量無法減小。因此減小高壓主換熱器反流氣體低壓氮氣通道氣量，將低壓氮氣放空倒至低壓主換熱器通道放空，可有效降低高壓主換熱器熱端溫差，進而減小整個系統冷損。

4.2 跑冷、液體產品等其他冷損

外部環境溫度要遠高于空分冷箱內部溫度，雖冷箱內裝填有珠光砂但不并能使冷箱內外不發生熱交換，外部傳入冷箱內部的熱量即為消耗的冷量，這部分亦為冷損，同時現場日常主冷不凝氣排放、各閥門密封填料等發生泄漏、液氮的采出均為系統冷量損失。裝置檢修時對液氧泵冷箱內珠光砂進行裝填，精餾塔下塔排液閥內漏等進行處理，但該部分冷量損失只占冷損的一小部分。

5 提高制冷量

空分系統制冷量主要靠膨脹機和高壓空氣節流膨脹制冷來提供，膨脹機總制冷量Qp(kJ/h)與膨脹量V(m3/h)、單位制冷量Δh有關：

式中：ηp為膨脹機效率；Δht為膨脹機理論制冷量。

膨脹機效率在制造出廠時效率就為一定值，因此主要取決于膨脹機理論單位制冷量，單位制冷量與機前后壓力、溫度有關，精餾塔下塔壓力一定，機前壓力壓力一定，理論上來說提高機前溫度能夠增大膨脹機單位制冷量，從而提高系統總制冷量。

空分設備中進入低壓主換熱器中的空氣為過熱空氣(-169.8℃)，返流的各產品氣同時也為干的飽和氣，由于受到冷損的影響，因此進入下塔的膨脹空氣必須為飽和并帶有少量液體的空氣才能滿足系統冷損的要求。空氣在機后壓力0.485MPa下露點溫度為-172.7℃，提高機前溫度的同時，機后溫度也會隨著上漲(見圖1)。因此在提高膨脹機進氣量的同時，降低機前溫度允許機后帶有少量的液體能夠最終提高系統總的制冷量(膨脹機允許最大帶液量為10%)。表5可看出，在系統冷損增加的情況下，要滿足空分氧負荷需求，提高膨脹氣量、增加高壓空氣節流膨脹量是解決目前空分裝置冷損增大的有效途徑。

表5 膨脹空氣量與節流空氣量

雖然增加膨脹氣量和節流膨脹空氣量可以提高系統總制冷量，但提高膨脹氣量和節流膨脹空氣的同時，機組本身就在超負荷下運行，空氣壓縮機組自身能耗增加；同時在氧氣負荷一定的條件下，增加高壓空氣，機前溫度也會升高；增加下塔膨脹氣量和節流膨脹空氣，進下塔溫度過低會影響上塔物料的精餾效果，例如進氬塔的液空溫度過低，造成粗氬塔冷凝器過冷，粗氬氣中氧含量過高，影響氧氣提取率。

圖1 機后溫度隨機前溫度變化

6 結語

空分裝置要實現105%負荷下運行，滿足空壓機打氣量是前提條件，系統冷量損失過大是裝置無法長周期穩定105%運行的主要原因。雖然目前通過提高膨脹量/高壓空氣、降低機前溫度等調節手段已經能滿足當前系統冷量需求。但隨著裝置運行時間的逐漸增加，高壓主換熱器熱端溫差也會逐漸增大，系統冷損逐步增大是裝置不能滿足長周期高負荷下運行的主要原因。因此，提高增壓段后冷卻器的換熱面積，裝置停車期間對高壓主換熱器進行徹底反吹復熱，減少空氣中的水、CO2等通過增壓機側進入高壓主換熱器堵塞通道(已提技術改造建議，高壓空氣管道增加閥門，大修施工)，以上才是解決問題的根本途徑，才能保證空分裝置105%負荷下長周期穩定運行，進一步的確保主體合成氨尿素裝置的長周期滿負荷運行。