淺析變工況操作對空分設(shè)備能耗的影響

蔡高輝

（江西銅業(yè)股份有限公司貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424）

1 引言

空分設(shè)備屬于高能耗設(shè)備，我國每年用于空分設(shè)備的能源消耗很大，能源的消耗占了產(chǎn)品成本的70%以上［1］。通過合理的手段提高設(shè)備能源利用率，降低設(shè)備運(yùn)行能耗，可以顯著提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

空分系統(tǒng)作為系統(tǒng)集成性強(qiáng)、精細(xì)化操作要求高的一套裝置，其顯著的特征是可以在不同的工況進(jìn)行工作，即變工況操作［2］。對于附帶液體產(chǎn)品的空分，一般液氧、液氮的產(chǎn)量可以在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以滿足工廠的不同需求。工況的轉(zhuǎn)換會(huì)對整個(gè)機(jī)組的能耗產(chǎn)生影響，正常生產(chǎn)運(yùn)行中需要根據(jù)實(shí)際空分生產(chǎn)的需求，對機(jī)組工況進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，以便達(dá)到最好的節(jié)能效果。

2 空分變工況操作

空分的工況調(diào)整實(shí)際上是對機(jī)組負(fù)荷進(jìn)行調(diào)整，即根據(jù)主工藝生產(chǎn)或市場需求的變化，對生產(chǎn)負(fù)荷和液氧、液氮生產(chǎn)比例進(jìn)行調(diào)節(jié)的過程，該操作比較復(fù)雜，操作不當(dāng)極易造成產(chǎn)品純度或供氣壓力的波動(dòng)。以貴冶5號空分設(shè)備為例，該機(jī)組是內(nèi)壓縮流程，采用全精餾提氬技術(shù)，設(shè)計(jì)氧氣產(chǎn)量25000Nm3/h，并附帶液氧、液氮、液氬產(chǎn)品輸出到液體儲(chǔ)槽。

在運(yùn)行期間，該機(jī)組變工況主要有以下兩種形式：氧氣產(chǎn)品取出量的調(diào)整；液氧、液氮產(chǎn)品產(chǎn)量的匹配調(diào)整。

2.1 減少氣體產(chǎn)品產(chǎn)量

減少氣體產(chǎn)品產(chǎn)量的變工況操作如下：

（1）在不影響用戶用氧量的前提下，通過提高液氧蒸發(fā)器液氮液位，減少氧氣產(chǎn)品的輸出量，同時(shí)調(diào)整好氧氣產(chǎn)品放空閥，保證用氧壓力穩(wěn)定。

（2）通過關(guān)小熱端膨脹機(jī)的旁通閥，減少系統(tǒng)加工的空氣量。根據(jù)氬系統(tǒng)工況變化情況作相應(yīng)調(diào)整。

（3） 適當(dāng)降低氮?dú)猱a(chǎn)品流量，保證氮?dú)饧兌群细瘛?/p>

（4）可通過關(guān)小液氮產(chǎn)品輸出閥和稍開大氮節(jié)流去上塔閥門，確保液空純度穩(wěn)定和氬餾分穩(wěn)定。

2.2 增加氣體產(chǎn)品產(chǎn)量

增加氣體產(chǎn)品產(chǎn)量是降低負(fù)荷的反向操作。用戶用氧量增加，氧氣產(chǎn)品壓力會(huì)下降。操作步驟如下：

（1）通過降低液氧蒸發(fā)器液氮液位，增加液氧的輸出量，提高氧氣送氧壓力。

（2） 如果氬系統(tǒng)氬餾分上升，則開大熱端膨脹機(jī)的旁通閥，提高下塔壓力。

（3）適當(dāng)增加氮?dú)猱a(chǎn)品流量，保證液氧純度合格。

（4）可通過開大液氮產(chǎn)品輸出閥和關(guān)小液氮節(jié)流去上塔閥門，確保液空純度穩(wěn)定和氬系統(tǒng)工況穩(wěn)定。

2.3 液體產(chǎn)品取出量的調(diào)整

正常生產(chǎn)時(shí)，液體產(chǎn)品主要是對外銷售，為保證后備系統(tǒng)的應(yīng)急所需，液氧、液氮儲(chǔ)槽都設(shè)定了常規(guī)保有量的限值。當(dāng)液位低于規(guī)定限值時(shí)，需要增加液體產(chǎn)品產(chǎn)量，及時(shí)恢復(fù)到規(guī)定的保有控制槽位。增加液氧產(chǎn)品產(chǎn)量的操作如下：

（1）適當(dāng)關(guān)小液氮進(jìn)儲(chǔ)槽閥門，開大液氮去上塔節(jié)流閥，增加上塔的回流比。

（2）根據(jù)氬系統(tǒng)氬餾分上升情況，開大熱端膨脹機(jī)的旁通閥，提高下塔壓力。

（3）適當(dāng)增加氮?dú)猱a(chǎn)品流量，保證液氧純度合格。

（4）可適當(dāng)提高空壓機(jī)出口壓力，增加系統(tǒng)加工空氣總量。

（5）增加膨脹機(jī)的膨脹制冷量。

液氧產(chǎn)品與液氮產(chǎn)品的產(chǎn)量相互制約，若要增加液氮產(chǎn)品產(chǎn)量，就會(huì)影響到液氧的產(chǎn)量。提高液氮產(chǎn)品產(chǎn)量主要是開大液氮取出進(jìn)儲(chǔ)槽的閥門，同時(shí)要調(diào)整空氣進(jìn)塔量，保證上塔精餾的溫度，避免影響氧氣產(chǎn)品純度和造成氬餾分成分的波動(dòng)。

空分變工況操作的過程中，上塔液氮、液空回流量、氣氧、氣氮取出量和氬餾分抽取量都會(huì)發(fā)生變化，對氬系統(tǒng)的影響十分明顯［3］。空分設(shè)備的變工況操作，涉及系統(tǒng)加工空氣量的變化，對系統(tǒng)的運(yùn)行能耗產(chǎn)生較大的影響。

3 空分變工況的能耗分析

空分系統(tǒng)是一個(gè)大型的復(fù)雜系統(tǒng)［4］，含有眾多配套設(shè)備，如空壓機(jī)、各類水泵（冷卻水泵、冷凍水泵、循環(huán)水泵）、冷凍機(jī)、低溫液體泵等。表1是貴冶2套空分配套的主要設(shè)備情況。從表1中可以知道，空壓機(jī)運(yùn)行能耗占機(jī)組總運(yùn)行能耗的80%以上，部分機(jī)組可達(dá)90%，空壓機(jī)的負(fù)荷調(diào)配和運(yùn)行效率控制顯得尤其重要。

表1 空分設(shè)備主要電氣設(shè)備列表

為滿足主工藝用戶對氧氣的剛性需求，通常情況下，空分設(shè)備的氧氣產(chǎn)品產(chǎn)量固定不變，其他液態(tài)產(chǎn)品作為副產(chǎn)品對外銷售。為了追求機(jī)組運(yùn)行成本的最小化和產(chǎn)品效益的最大化，要及時(shí)對機(jī)組的運(yùn)行工況進(jìn)行調(diào)整。對空分設(shè)備進(jìn)行工況調(diào)整，最直觀的變化參數(shù)是系統(tǒng)的加工空氣量和膨脹機(jī)的制冷量，它們的變化帶來的是空分各個(gè)工序環(huán)節(jié)的能耗變化。

首先，隨著空分系統(tǒng)加工空氣量的改變，空氣壓縮機(jī)的壓力、流量等相關(guān)參數(shù)隨之而變，壓縮機(jī)對外所做的功，對應(yīng)增加或減小；其次，在后續(xù)的預(yù)冷環(huán)節(jié)，空氣冷卻中循環(huán)冷卻水與空氣交換吸收的熱能發(fā)生變化，影響冷凍機(jī)組和冷卻塔風(fēng)機(jī)的能耗；再次，在分子篩純化系統(tǒng)，因?yàn)榭偟募庸た諝饬康淖兓肿雍Y加熱再生所需要的熱能會(huì)對應(yīng)增減，所需的冷吹過程時(shí)間也要適當(dāng)調(diào)整，從而影響該環(huán)節(jié)的能耗。另外在精餾塔內(nèi)，進(jìn)塔空氣量的變化會(huì)引起主塔內(nèi)工況的改變，下塔的壓力、主冷凝蒸發(fā)器的負(fù)荷、液氮冷凝量、氬餾分中氧含量等參數(shù)都會(huì)發(fā)生變化。因此，需要實(shí)時(shí)對液空、液氮的去向進(jìn)行調(diào)整，保持下塔、上塔回流比的穩(wěn)定，進(jìn)而維持氬餾分抽口處的氧含量不變，確保氬系統(tǒng)工況的正常進(jìn)行。

空分運(yùn)行工況的變化牽一發(fā)而動(dòng)全身，對設(shè)備的運(yùn)行成本和設(shè)備運(yùn)行效率都會(huì)產(chǎn)生影響。空分運(yùn)行能源成本主要是電能消耗，從降低電耗的角度來說，減少加工空氣量或降低系統(tǒng)空氣壓力是節(jié)能的主要途徑，但犧牲了液體產(chǎn)品效益。從提高設(shè)備運(yùn)行效率的角度來看，需根據(jù)空分設(shè)備的設(shè)計(jì)功能，結(jié)合液體產(chǎn)品的營收效益和運(yùn)行消耗的能源成本統(tǒng)籌計(jì)算機(jī)組的綜合效益，從而選定合理的運(yùn)行工況。

貴冶的1套10000Nm3/h空分，配套全精餾提氬技術(shù)［5］的制氬系統(tǒng)，于2019年進(jìn)行了工況調(diào)整，在維持氧氣產(chǎn)量不變的前提下由主液氧工況轉(zhuǎn)變?yōu)橹饕旱r。待工況穩(wěn)定后，對比前后的能耗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，加工空氣量降低了1550m3/h，系統(tǒng)實(shí)時(shí)能耗由7930kW·h下降至7771kW·h，下降了2%，可以降低電費(fèi)成本69.6萬元/a，節(jié)能效益可觀。

為適應(yīng)生產(chǎn)和滿足市場需求，貴冶5號空分設(shè)備于2020年6月進(jìn)行了工況調(diào)整，降低了液氮產(chǎn)品的取出量，改為主要生產(chǎn)液氧產(chǎn)品工況。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)可知，同樣的氧氣產(chǎn)量條件下，主要生產(chǎn)液氧產(chǎn)品下的單耗偏高，每月耗電量增加約44萬kW·h。然而由于液氮、液氧市場價(jià)格不同，液氧價(jià)格單價(jià)高于液氮的價(jià)格，液體產(chǎn)品的總營收效益同比增加57.1萬元。綜合計(jì)算，通過工況調(diào)整，機(jī)組整體效益增長412萬元/a。

4 結(jié)束語

實(shí)際的空分設(shè)備運(yùn)行過程中，需不斷根據(jù)生產(chǎn)和市場的變化情況，綜合考慮對工況進(jìn)行調(diào)整，以獲取機(jī)組的最大效益。然而空分系統(tǒng)流程長，工序復(fù)雜，工況調(diào)整涉及較多操作變量，要求崗位人員具備較高的操作技能，操作不當(dāng)甚至?xí)茐恼５木s工況，降低設(shè)備的運(yùn)行效率和效益。嘗試對空分進(jìn)行自動(dòng)變負(fù)荷［6］控制技術(shù)改造，引入自動(dòng)變負(fù)荷先進(jìn)控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整工況的功能，可以進(jìn)一步優(yōu)化控制節(jié)能效果，這是空分行業(yè)智能化、信息化的發(fā)展趨勢。