變負荷對制氬系統(tǒng)工況的影響

姜莉

(河南煤業(yè)化工集團中原大化公司，河南濮陽457000)

變負荷對制氬系統(tǒng)工況的影響

姜莉

(河南煤業(yè)化工集團中原大化公司，河南濮陽457000)

闡述了提高氬提取率的正確操作方法，在理論上講述了氬系工況操作時氮塞發(fā)生的原因，調(diào)整手段及預(yù)防措施。

氮塞;氬餾分;粗氬塔;變工況

中原大化公司空分裝置于2007年12月1日建成投產(chǎn)，并一次試車成功，整套空分裝置采用全低壓分子篩純化、膨脹機帶增壓機制冷，是無氫精餾制氬流程，設(shè)計含氧99.74%產(chǎn)品52 000 Nm3/h，含氮99.96%產(chǎn)品60 600 Nm3/h，含氬99.999%產(chǎn)品1600 Nm3/h，所以在空分裝置變負荷操作是一項比較復(fù)雜的工況調(diào)節(jié)，操作不當(dāng)，極易造成產(chǎn)品純度、供氣壓力波動，尤其對帶制氬系統(tǒng)的空分設(shè)備而言，稍有不慎，就會引起制氬系統(tǒng)工況波動，輕者減產(chǎn)，嚴(yán)重時還會發(fā)生氮塞。本文就對部分變負荷調(diào)整對制氬系統(tǒng)的影響進行解析。

1 變負荷操作及其對制氬系統(tǒng)的影響

1.1 變負荷操作

空分設(shè)備的變負荷操作，主要指加工空氣量的變化，包括加負荷操作和減負荷操作兩個主要方面。無論向哪個方向調(diào)整，在具體實施過程中，都應(yīng)該緩慢進行，穩(wěn)中求變，尤其對于現(xiàn)場供氣裝置，不可操之過急，否則會使工況發(fā)生波動，影響產(chǎn)品質(zhì)量和供氣壓力。

調(diào)整過程中為保持系統(tǒng)工況的相對穩(wěn)定，負荷的調(diào)整是通過若干次加、減量來完成的。究竟每次加減量以多少為宜，要根據(jù)裝置不同，靈活掌握。一般每次加減量控制在設(shè)備加工空氣量的0.5%～1%范圍內(nèi)，以主塔物料純度不發(fā)生較大波動為原則。另外，還要注意加量的時間間隔，例如:每5 min加一次。但必須滿足在下一次加量前，空分設(shè)備已充分消化了上一次加量，從空壓機、增壓機、膨脹機、主塔液體節(jié)流閥、制氬系統(tǒng)到氣液態(tài)產(chǎn)品取出、輸出值已經(jīng)達到設(shè)定值要求，且氣氧、液氮、壓力氮、低壓氮、氬餾分和精氬等主要指標(biāo)不產(chǎn)生較大波動。

為確保產(chǎn)品純度不產(chǎn)生較大波動，加量時一般采取從空壓機到制氬系統(tǒng)由前向后的順序，減量時則相反。在調(diào)整過程中，可以充分利用DCS系統(tǒng)提供的產(chǎn)品純度分析趨勢記錄。由于純度檢測本身滯后比較嚴(yán)重，操作員可以根據(jù)變化的趨勢，對操作幅度做相應(yīng)的調(diào)整。理想的加、減量操作，各流量趨勢圖是一條平滑的上升和下降的直線。

1.2 變負荷操作對制氬系統(tǒng)的影響

在變負荷操作過程中，上塔液氮、液空回流量，氣氧取出量、氣氮取出量和氬餾分抽取量都會發(fā)生變化，對制氬系統(tǒng)的影響十分明顯。眾所周知，氬在上塔分布是有規(guī)律的。在上塔提餾段(液空進料口以下)形成一個富氬區(qū)，最高氬含量可達到15%。但由于此處氮含量較高，一般將氬餾分抽口設(shè)在富氬區(qū)偏下一點。在氬餾分氧、氮、氬三元混合物中，設(shè)計值一般為:氧90%～91%、氬9%～10%、氮小于0.02%。但是富氬區(qū)在上塔的位置不是固定的，當(dāng)進行變負荷調(diào)整時，富氬區(qū)在上塔是不斷變化的，當(dāng)進行變負荷操作時，富氬區(qū)在上塔是不斷變化的，而氬餾分抽口位置是固定不變的，因此，氬餾分抽口的物料組分也在不斷發(fā)生變化。

以加負荷操作為例，隨著進塔空氣流量的增加，進入壓力塔(下塔)頂部的冷凝蒸發(fā)器的氮氣流量和壓力都會增加，冷凝蒸發(fā)器熱負荷增大，冷凝液氮量增加;同時，冷凝蒸發(fā)器氧側(cè)液氧蒸發(fā)量增大，氣氧推動富氬區(qū)上移，氬餾分抽口處回流比變小，氬餾分氧含量增加，氬含量降低。為維持氬餾分抽口氧含量不變，一種方法是將下塔冷凝的液氮導(dǎo)入上塔，增加回流液氮量，以維持氬餾分抽口回流比不變。這種調(diào)節(jié)方法會導(dǎo)致液氧、液氮生產(chǎn)比例發(fā)生改變，將產(chǎn)生更多的液氧產(chǎn)品。另外一種方法是增加上塔底部氣氧取出量，控制富氬區(qū)不上移。當(dāng)然，增加的產(chǎn)品氧量和進塔的空氣量應(yīng)該匹配，否則，富氬區(qū)位置將會發(fā)生變化。

在對主塔進行負荷調(diào)整時，難免會對液空純度產(chǎn)生影響，由于有一部分液空(約1/2)被引到粗氬冷凝器，液空純度直接影響粗氬冷凝器的熱負荷。當(dāng)液空氧含量增加時，其飽和溫度升高，縮小了粗氬冷凝器的換熱溫差，熱負荷縮小，從而導(dǎo)致粗氬氧含量升高，粗氬取出量減少，降低氬的提取量和純度。

2 變比例操作及其對制氬系統(tǒng)的影響

空分設(shè)備的變比例調(diào)整，要嚴(yán)格遵守物料平衡原則和能量守恒定律。在膨脹機的效率和膨脹空氣量一定的情況下，制冷量(焓降)基本確定下來，設(shè)備所能產(chǎn)生的液體總量是一定的。根據(jù)物料平衡的原則，所能產(chǎn)生的產(chǎn)品氧是不變的。通過對上塔回流的液氮量和上升的氧氣量進行同步的增加和減少，完成液氧和液氮產(chǎn)品的相互轉(zhuǎn)移。以氬餾分氧含量為基準(zhǔn)，回流比是不變的，只是回流液氮和上升氣氧之間量的變化。當(dāng)向氧工況轉(zhuǎn)移時，減少產(chǎn)品氧取出量，增加上塔液氮回流量，進入上塔的液氮將上升的氣氧冷凝成液氧，液氧回流至低壓塔(上塔)底部，作為液氧產(chǎn)品引出;同時，液氮被汽化成氣態(tài)，以氣態(tài)氮產(chǎn)品引出塔外，完成冷量的轉(zhuǎn)移。向氮工況轉(zhuǎn)移時與上述步驟相反。

一般稱主要生產(chǎn)液氧的工況為液氧工況，主要生產(chǎn)液氮的工況為液氮工況。在液氧工況時，上塔回流的液氮充分，冷量充分，氬餾分在同等氧含量的情況下，氬含量升高，氮含量減少。因此，在液氧工況時，氬的提取率最高。在液氮工況時，由于上塔頂部回流的液氮量較少，上塔精餾段氣氧、氣氬冷凝不充分，部分氧、氬從污氮通道流失。在液氮工況時，污氮中氧含量可以控制在0.3%～3%之間;而液氧工況時，污氮中氧含量要在3%～6%之間，由于氧、氮的沸點比較接近，液氮工況的污氮中流失的氬更多一些。

氬餾分作為氧、氮、氬三元混合物，在相同的氧含量的情況下，液氧工況時氬餾分中氬含量高，氮含量低;液氮工況時氬餾分中氬含量低，氮含量高。因此，在實際操作中，液氧工況時則要控制高一些，以避免過多的氮進入精氬塔，引起粗氬塔工況波動，甚至發(fā)生氮塞。在由液氧工況向液氮工況轉(zhuǎn)移時，制氬系統(tǒng)則要適當(dāng)減量操作。

3 變工況時氬塔負荷的確定

對于變工況液體空分流程，設(shè)計時已給出幾種典型的工況操作參數(shù)，但不是從最小空氣負荷到最大空氣負荷的所有操作參數(shù)都已給出。在實際操作中通過標(biāo)準(zhǔn)工況的工藝參數(shù)，可以估算出非標(biāo)準(zhǔn)工況氬塔操作負荷的運行參數(shù)，避免盲目操作。某套空分設(shè)備的設(shè)計參數(shù):進塔空氣量為75 000 m3/h，氬餾分取出量15 800 m3/h，粗氬量560 m3/h，用等比例法可求得當(dāng)加工空氣量為279 000 m3/h時，氬餾分取出量參考值為58 776 m3/h，粗氬量為1 620 m3/h。為實際操作提供可靠參考依據(jù)，一般控制氬餾分量為粗氬量的27～29倍。當(dāng)然，在實際操作中還要根據(jù)實際情況有針對性的進行調(diào)整。

粗氬塔熱負荷，通過粗氬冷凝器液空蒸發(fā)量的多少來控制粗氬塔的氬餾分流量。如果粗氬冷凝器熱負荷不足，進粗氬塔氬餾分量少，氬產(chǎn)量和氬提取率都會降低。而粗氬塔熱負荷過大，進入粗氬塔的氬餾分量增加，導(dǎo)致富氬區(qū)上升氣量不足，富氬區(qū)下移，氬餾分回流比增大，氬餾分中氮含量增加。當(dāng)氬餾分中氮含量大于0.5%以上，就會對氬塔產(chǎn)生影響，超過精氬塔的排氮能力，就會出現(xiàn)不同程度的氮塞現(xiàn)象。

4 變工況時氮塞的預(yù)防和處理

氮塞的發(fā)生，除去設(shè)計制造缺陷外，多數(shù)是由操作不當(dāng)引起的。一方面是由于主塔氬餾分控制失常;另一方面是由于粗氬塔冷凝器熱負荷過大。一般的空分流程對氬餾分的檢測都設(shè)有氬餾分氧含量在線分析。氧含量一般控制在88%～92%之間。當(dāng)發(fā)生偏差時，通常改變氣氧取出量和上塔液氮回流量來調(diào)整。而對氬餾分中的氮組分做在線分析的流程并不多見。氬餾分的三元組分，氬餾分中氧含量符合工藝指標(biāo)，并不能代表氮含量不超標(biāo)。在實際操作中，有時會發(fā)生在氧含量不低的情況下卻發(fā)生了不同程度的氮塞現(xiàn)象。另外，氬餾分中氧含量的真實情況，為時已晚。因此，同時檢測氬餾分中的氮組分非常重要。

有的空分流程沒有直接檢測氮含量，而設(shè)置了一個氬餾分溫度檢測儀。相比于純度監(jiān)測儀。相比于純度監(jiān)測，溫度監(jiān)測反應(yīng)更加及時、直觀。在上塔壓力控制在45 kPa的情況下，氬餾分溫度控制在88.65 K左右，如果氬餾分取出量過大，氮含量升高，氬餾分溫度會下降。當(dāng)氬餾分溫度降至87.15 K以下，并且長時間運行，就有氮塞發(fā)生的可能，如果調(diào)整及時，能避免氮塞的發(fā)生。

氮塞一旦發(fā)生，應(yīng)根據(jù)氬塔工況波動的程度，適度打開粗氬管線上的排放閥，使聚集在粗氬冷凝器冷凝側(cè)的氮氣隨粗氬排出塔外;還應(yīng)加大精氬塔中氮氣的排放。調(diào)整主塔氬餾分，使其各項工作指標(biāo)恢復(fù)正常。如果發(fā)生極嚴(yán)重的氮塞現(xiàn)象，必要時關(guān)閉精氬塔，粗氬直接排放。待氬餾分恢復(fù)正常，再運行精氬塔。

總之，空分裝置對于系統(tǒng)負荷的調(diào)整一定要緩慢，太開快了很可能影響產(chǎn)品氧、氮、氬的純度，氬系統(tǒng)則可能出現(xiàn)嚴(yán)重氮塞而逼迫甩氬系統(tǒng)，我們在操作時要謹記。

TQ051.8，TQ028.2

B

1003－3467(2012)17－0055－02

2012－07－02

姜莉(1982－)，女，本科，助理工程師，從事空分工段主控主操，電話:15083247218。