液化空氣備用系統的實際應用

王 海

[聯華林德氣體(成都)有限公司,四川 成都 610000]

1 壓縮空氣備用系統

壓縮空氣是僅次于電力的第二大動力能源,是具有多種用途的工藝氣源,其應用十分廣泛。連續性生產的工廠均不允許中斷壓縮空氣,壓縮空氣供應的中斷將給工廠帶來巨大的損失。鑒于此,多數工廠均設有空氣備用系統以保證壓縮空氣的不間斷供應。壓縮空氣備用系統反應時間越短,供應時間越長越能給解決故障留出充足的時間。

備用系統分為兩類:氣態加壓存儲備用系統、液態存儲備用系統,液態存儲備用系統又可分為:液化空氣存儲備用系統、液態氮氧混配備用系統。氣態存儲備用系統存儲容量是壓強的倍數,儲存量小、占地面積大;液態存儲備用系統存儲容量是水容積的600倍以上,存儲量大、占地面積小。

混配存儲備用系統與液空存儲備用系統比較:混配需要2臺真空絕熱儲槽,混配器目前不能大型化,需要數量較多,氧氮儲槽存在污染可能。液空存儲需要1臺真空絕熱儲槽,無需混配器,不存在氧氮儲槽污染,所需汽化器數量等同上者,液空存儲備用系統優勢顯而易見。

液化空氣的性質不同于其他那些低溫液體,例如液氧或者液氮,它為多元組分,實際使用中有可能產生特殊的問題,因此國內應用較少。

2 液空備用系統的現場應用

聯華林德氣體(成都)有限公司于2018年配置了一套液空備用系統,如圖1所示,裝置設計:壓縮空氣供應能力0.7 MPa、30 000 Nm3/h,滿足2 h需求,濃度變化范圍19.5%～22.5%。現場配備:120 m3液空儲槽、汽化器4×8000 Nm3/h、液化器、循環泵、PCV等。設計理念:零排放,避免液空分層,供應時濃度變化在要求范圍之內。

圖1 液空備用系統流程圖

2.1 流程介紹

循環氮氣:氮壓機將管內的氮氣0.02 MPa加壓至1.0 MPa,進入膨脹機增壓端增壓至1.4 MPa,送至冷箱內換熱器被冷卻到設計溫度(-135℃左右),然后抽出送入膨脹機膨脹端,經膨脹降溫后獲得低溫(-185℃左右)作為系統的冷源,低溫低壓氮氣通過換熱器復熱后回流至氮壓機入口循環使用,不足氮氣由PIC補給,維持系統平衡[1]。

空氣液化:干燥后的0.95 MPa壓縮空氣直接進入換熱器,被低溫循環氮氣冷卻到液化溫度(-185～-190℃)成為過冷液體,由LIC控制進入儲槽存儲。

液空備用:真空絕熱儲槽儲存液空,自動調節閥(PCV)檢測到壓縮空氣管網壓力低于設定壓力自動開啟,儲槽內的液空在壓差的作用下自動輸出,經汽化器汽化、PCV閥、過濾器、單向閥送入管網。

2.2 儲槽降壓的方法

真空絕熱儲槽依靠真空和絕熱填料隔熱,但不能做到絕對的隔熱,外部的熱能將逐步的傳入儲槽內部。儲槽密閉的情況下,內部儲存的液體吸熱后溫度升高,儲槽壓力升高,達到或超過儲槽設計壓力,產生危險。空氣是多元組分,主要由氧和氮組成,氮與氧的沸點是不一致的,根據圖2氧氮氣液相平衡圖[2]可知80%氮含量的液空對應氣態氮含量為89.19%。液空儲槽吸熱漲壓,如果排放儲槽頂部的氣態,易揮發氮氣被排出,剩余的液空中氧含量將會增高,氧濃度將超過22.5%,不能滿足要求。

圖2 氧氮氣液平衡圖

要保證儲槽內氧含量不發生變化,就需要儲槽零排放,零排放又會導致儲槽復熱漲壓。為解決該問題,流程增設了冷凝器,專門用于儲槽降壓:將上部的氣態引入冷凝器與來料的低壓液氮進行換熱后變為液態,通過自重流回儲槽頂部。由于沒有排放,儲槽內的液空保持原組分濃度。此方案實現了儲槽降壓,避免了因排放引起的儲槽內部濃度變化。

2.3 濃度分層的控制

現場120 m3液空儲槽規格:內桶高度17 m、直徑3.2 m、設計壓力1.5 MPa。儲槽有兩個分析口可檢測頂部氣態氧含量和底部液態氧含量。

2018年11月儲槽液空液位90%,靜置15 d 后儲槽壓力達到1.0 MPa,測得儲槽底部液態平均氧含量22.0%,儲槽頂部氣態平均氧含量10.5%,查閱“氧氮氣液相平衡圖”1.0 MPa時(圖2),氣態中氧濃度10.5%對應液態中氧濃度20%。儲槽存在濃度梯度變化,有氧氮分層現象。根據上下濃度分析,15m的液空高度上下存在2.0%的濃度差,如果采用同容量臥式真空絕熱儲槽直徑小于4 m,儲槽內的液空上下濃度差將會低于 0.6%,可以減輕氧氮分層現象。根據以上數據,公司的下一個項目已更換為臥式存儲,目前正建設中。

2.4 儲槽的攪拌

現場儲槽安裝有循環泵,定期將儲槽底部的液態泵至頂部進行攪拌,避免氧氮分層。實際使用中,啟動攪拌泵將導致儲槽迅速漲壓,使用本文第2.2節降壓措施控制困難。原因分析:儲槽17 m高,由于液體重力影響,儲槽底部的壓強較上部大,底部的飽和態液空溫度高于上部液空溫度。運行攪拌泵,將底部的高溫液空抽至上部低壓區域,有部分液體必定蒸發,尋求該溫度下的壓力平衡,儲槽漲壓。如果加大冷凝器進行降壓,增大投資和液氮消耗不經濟。為了避免該現象發生,現場沒有再啟動循環泵。后期項目建設采用了臥式真空絕熱儲槽,直接減輕分層現象,攪拌功能沒有意義。

2.5 液空儲存安全

液空的存儲及生產,雖然理論上是零排放,實際生產中或多或少會有一定排放,導致液化空氣生產與儲存區域存在氧的富集與缺乏的可能。22.5%以上的富氧空氣將導致使用地點和設備中燃燒的風險增加;空氣中氧的缺乏會導致位于缺氧區域的人員窒息。

由于氮的蒸發氣化,儲罐中液空的組成成分可能會變化,造成液相中氧富集和氣相中缺氧。因此,現場將潤滑油更換成了氧兼容潤滑油,液空備用系統所有管道、部件、絕熱材料、設備和管配件都考慮了氧兼容性,按照氧氣系統進行管理。在液空使用區域設置了氣氛監測,當氧濃度超過許可極限時報警并或切斷空氣供應,區域設置警示標志,警告富氧、缺氧存在的危險。

3 結束語

總之,液化空氣使用日益廣泛。本文所述液空備用系統在實際生產中的問題以及處理方案希望對后期設計及應用類似裝置有所幫助,也請各位多提寶貴意見。