空分設備運行節能降耗的優化措施及操作實踐

孫素霞，王麗花

（河南豫光金鉛股份有限公司制氧廠，河南 濟源 454650）

河南某公司制氧廠KDONAr-6000/2000/180（簡稱：6000空分）型空分設備，采用DCS系統控制、全低壓常溫分子篩吸附凈化、增壓透平膨脹機制冷、全精餾無氫制氬和氧、氮外壓縮流程。氧氣供應下游的富氧底吹爐一廠、二廠和直連廠煉鉛使用。

在確保空分系統運行正常，用戶用氣量足夠的前提下，采用以下優化措施和實踐操作法，來達到節能降耗的目的。

1 循環水系統節能操作實踐

1.1 循環水泵的變頻改造

6000m3/h空分設備的循環水泵型號300S-58B，流量685 m3/h，揚程43m，配套電機額定功率132Kw，額定電壓380V，額定電流241A，共三臺循環水泵，兩用一備，為空分系統供水流量1250 m3/h，平時空分系統的總進水閥和總回水閥均為全開，每臺水泵的出口閥開度只有1/4，泵出口壓力0.45MPa，供水總管壓力0.30 MPa，這說明有0.15 MPa的阻力消耗在泵的出口閥上，每臺泵運行電流均達到205 A，兩臺泵每小時耗電量大，高達251KWh，為解決這一問題，我廠決定在1#循環水泵上增加變頻器，使用變頻器來降低電機的運行頻率，從而使泵的轉速降低，出口閥全開，流量不變，揚程降低，功耗降低。

2009年，我廠購買了一臺變頻柜，其核心組件是變頻器，配套有相應的空開、接觸器等電器元件，取消原來的軟啟動控制柜，電機電源線接到變頻器下線上，并按圖接到運行狀態線至DCS上，泵為現場變頻柜上啟停，啟1#泵前，先將變頻器頻率設定在50HZ，按平時的操作開啟泵后，逐漸開出口閥至1/4，這時水量滿足，開始微降頻率，逐漸開大出口閥，要協調好水量保持基本穩定，直到出口閥全開，這時頻率降到42 HZ，供水總量保持不變。

改造后，由于1#泵出口閥全開，1#泵出口壓力由過去的0.45 MPa，降到0.30 MPa，電流降到了150 A，另一臺泵出口壓力仍為0.45 MPa，其出口閥開度約為1/4，電流190 A，兩臺水泵同樣在1250m3/h，的流量下，每小時耗電210 KWh，即每小時節電41KWh，全年節約電費：41×24×365×0.52＝186763.2元。變頻器投資13.2萬元，不到一年可回收投資成本。

通過這次改造，循環水變頻器的節電應用取得了良好的經濟效益。

1.2 冬季減少循環水的總用量，夏季增加循環水的總用量

6000m3/h空分系統的循環水系統主要承載著空壓機、活塞機、氮透、膨脹機增壓端冷卻器及空氣預冷系統的冷卻作用。在該空分設備運行的前幾年，空壓機各級冷卻器一直未做水量平衡的精細化調節。隨著空分設備精細化操作的進一步深入，對壓縮機的各級冷卻器進行了排查，查閱冷卻器設計的原始數據，通過對比發現空壓機各級冷卻器存在過度冷卻現象，溫差偏小，未能最大程度的發揮冷卻器的最大冷卻效能，同時造成循環水的過度浪費。

根據冷卻器的設計參數，反復逐個調整各級冷卻器的供水量，使運行參數接近設計值，在保證循環水回水壓力不變，各級冷卻器冷卻后溫度出現輕微上升或維持不變的情況下，逐漸降低循環水泵的頻率。

2010年11月份，當循環水溫降低到20℃以下時，我們試著采用降低循環水的使用量來降低能耗。

現場發現空壓機三個冷卻器的進回水閥都是全開的，逐漸關小各個冷卻器的進水閥門，來減少空壓機冷卻器的冷卻水使用量，前提是循環水回水壓力不變，空壓機冷卻后溫度出現輕微上升或維持不變為基準，經過這三個冷卻器水量的調整，總循環水流量從1300m3/h減少到1000m3/h，空壓機各級冷卻后溫度基本維持不變，可見節省下來的300 m3/h水量就是過度冷卻水量。

每年的5月份，隨著外界溫度和循環水溫度的升高，將空壓機冷卻器各級的冷卻水量重新加上，使總循環水總量達到1300m3/h，每年的11月份，將總循環水量降低到1000m3/h。這樣一來，每年有6個月可降低循環水的使用量和循環水泵的能耗，從而起到節能的目的。

1.3 冬季停運冷水機組

6000m3/h空分的預冷系統采用的是外加冷水機組的氮水預冷系統流程形式，循環水進入水冷塔后，經出塔低溫氮氣和污氮氣冷卻降溫，在水冷塔底部得到10℃左右的低溫水，這部分低溫水經冷凍泵加壓后進入冷水機組，通過冷水機組將水溫降至7℃左右。從冷水機組出來的水分成兩部分：一部分水進入空冷塔上部為空冷塔提供冷源，把經過空冷塔的空氣進一步降溫到8℃～12℃；另一部分水進入膨脹機增壓機冷卻器為增壓空氣降溫，把增壓空氣的熱量帶走后，進入水冷塔底部重新利用。

在預冷系統中，水冷塔的降溫效果受到多種因素的影響，比如：噴淋水量、設備的結構以及傳熱效率等諸多因素的影響，但最主要的因素是水與氣的比例，當水冷塔達到最佳的水氣比之后，水冷塔的溫降是一定的，工藝上要求空氣出空冷塔的氣體溫度控制到8℃～12℃，可每年進入冬季，隨著外界溫度的降低，循環水溫基本上在20℃以下，水冷塔的出水溫度降到9℃以下，可以滿足空冷塔出口氣體溫度的要求，無需再通過冷水機組的再次降溫，這時就可以停運冷水機組了。

停運冷水機組后，水冷塔負荷會增加，水溫略有升高，帶入分子篩純化系統的水分會有所增多，需要通過延長電加熱器的加溫工作時間來保證純化的冷吹峰值，從而使純化系統達到完全解析的結果。

停運冰機有以下幾個因素可參考：

（1）冰機負荷低；

（2）涼水塔風機未滿負荷工作，有1～3臺停運；

（3）空冷塔空氣出口溫度低于10℃；

滿足以上幾個條件，就可停運冰機了，停冰機后，還需要對運行的工況做如下的調整:

（1）停冰機后，及時調整冷凍水量和冷卻水流量；

（2）將膨脹機增壓機冷卻器回水，由回水冷塔改為回水回到循環水回路中，以免增加水冷塔的負荷，導致水冷塔出水溫度高；

（3）如果出塔的氮氣有余量，可適當開大氮氣、污氮氣去水冷塔的閥門，從而降低水冷塔出水溫度；

（4）空冷塔出口空氣溫度會升高，根據冷吹峰值調整加溫時間；

按照以上的操作方法，6000m3/h空分設備通過多次實踐計算對比，發現冰機運行的總功率大于延長電加熱器加溫時間所產生的功率，后來我們每年根據實際情況及時停運冰機來降低設備的能耗。

2 分子篩純化系統預冷吹節能優化法

6000m3/h空分分子篩吸附器為立式雙層床結構，下層為活性氧化鋁，上層為分子篩。空氣自下流經吸附劑，其中的水、二氧化碳及碳氫化合物被吸附后，經頂部的內置過濾器除去機械雜質，沿著中心管自上而下從底部出來，該純化器采用不銹鋼夾層內絕熱方式。（如下圖）

純化系統冷吹末期有40分鐘的時間冷吹溫度基本不變，冷吹時間過長，在這段時間中分子篩基本沒有解吸。如果把冷吹的這段時間移到加溫前，通過常溫下解吸一部分，再進行高溫解吸，這樣是否可以縮短高溫解吸的時間，從而縮短電加熱器工作時間，達到節能降耗的目的？

2018年3月我們對6000m3/h空分純化系統進行了實踐，實驗過程：

（1） 當2#純化器開始再生時，預加溫時間增加30分（即準備加溫時間原先是3分鐘，現改為準備加溫時間33分），加溫時間不變，冷吹時間減少30分鐘，冷吹階段吹出來的峰值高達132℃,比正常冷吹峰值127℃ ，高出5℃。

（2）當1#純化器開始再生時，預加溫時間增加30分，加溫時間減少5分，冷吹時間減少25分，再生總時間不變，最后冷吹峰值達到128℃，和正常峰值一樣，通過以上兩次實驗加溫之前的預冷吹30分鐘效果還是很明顯的。

純化系統配置2臺電加熱器，一用一備，每臺功率816KW，4小時加溫一次，每次加溫時間58分鐘，若每次加溫節省5分鐘，一年可節約：30×816×0.6×12=176256元。

理論上講冷吹末期溫度越低越好，具體預冷吹時間能縮短多少，我們選取的時間點應卡在：冷吹末期溫度下降到非常緩慢的一個轉折點上，從轉折點算起可以估算預冷吹多長時間最合適。然后把節省下的這段時間前移到預加溫階段，從而來縮短電加熱器的工作時間，起到節能降耗的目的。

3 降低空壓機排氣壓力的節能操作法

2018年6月，因后續系統氧氣用量減少，氧氣有多余的放空，為了降低氧氣放散率，6000空分設備開始試驗降低空壓機排氣壓力的節能降耗法。降低系統負荷時我廠是按照分級逐降的準則進行操作，空壓機導葉開度控制在38度以上，防止空壓機發生喘振。系統在變負荷過程中，我們遵循的原則：物料平衡、逐步加減、穩中求變、變中求穩的原則。系統在減負荷時要緩慢進行，避免操作幅度過大導致工況破壞，影響產品質量或造成后續用氣壓力和流量的大幅波動。

我們根據富氧底吹爐一廠、二廠和直連廠煉鉛爐的生產需求和節奏的變化，與用戶緊密合作，提前溝通，預測出相關數據，按照下列步驟及時對空分系統做出減負荷操作，節約能耗。

降低空壓機排氣壓力來降低負荷的實驗步驟：

(1)后續系統轉爐超過2小時以上，氧壓機放空量大。

(2)逐步降低氬系統負荷，每5分鐘工藝氬降低50m3/h。

(3)根據氧氣、氮氣純度及主換熱器溫差，適當降低分餾塔出塔氧氣、氮氣產量，同時注意氬系統的工作情況，以免粗氬塔發生氮塞。

(4)逐漸關小空壓機導葉，降低排氣壓力，從而來減少加工空氣量，降低空壓機負荷。同時注意空壓機油壓、軸溫、振動、位移等各個參數的變化，使各參數控制在設計范圍內，為保證空壓機的安全運行，空壓機導葉始終沒有低于38度。

(5)調節預冷系統常溫水和冷凍水流量，空壓機壓力降低后，空冷塔阻力降低，常溫水和冷凍水流量會增加，要及時減少水量，以免造成空氣出空冷塔空氣帶水，從而使水進入純化系統。

(6)降低負荷的過程中，正流空氣量會減少，主換熱器的冷區會向上移動，要注意膨脹機前的溫度，溫度降低時，要及時調節，防止膨脹機后帶液體。

根據上塔壓力，調節出塔氧氣、氮氣、污氮氣量，保證上塔壓力變化不大，減少對塔內精餾工況的影響。

(7)及時調節純化系統再生氣量，保證純化系統再生氣量不變。

(8)在降低系統負荷時，要及時減少出塔氧氣量，提高氧氣純度，以免氬工況氮塞。

(9)當空氣量減少時，塔內上升氣和回流液同步減少，要根據液空、液氮純度及時調節液氮節流閥的大小，保持工況平穩運行。

(10)逐漸關小空壓機導葉，降低空壓機排氣壓力，來減少加工空氣量。

當時空壓機排氣壓力從500KPa降到480KPa，空壓機電流從182A降到172A，降低了10A左右，每天可節約電費2491元。

4 結論

該廠多年來圍繞設備的安全、穩定、經濟運行不斷的改進，通過對空分設備節能方面采取的一些有效措施，為企業增加了客觀的經濟效益。 只有根據設備自身的特點，采取有針對性和行之有效的操作法，才能最大發揮設備的性能，保證空分設備的安全、穩定的運行。