40000 m3/h空分設(shè)備變負(fù)荷操作及過程優(yōu)化

習(xí)建剛，趙信義

40000 m3/h空分設(shè)備變負(fù)荷操作及過程優(yōu)化

習(xí)建剛，趙信義

（包鋼鋼聯(lián)股份有限公司氧氣廠，內(nèi)蒙古包頭014010）

主要探討了冶金用制氧機(jī)組如何適應(yīng)煉鋼煉鐵需求量的不斷變化，減少氧氣放散。通過對40000 m3/h制氧機(jī)組進(jìn)行變負(fù)荷操作以及對操作過程的優(yōu)化，實現(xiàn)了節(jié)能降耗、減少氧氣放散的目的。

V3閥；變負(fù)荷；空壓機(jī)；放散率

1 引言

KONDAr-40000/80000/1513型空分設(shè)備為杭氧第一套氧氣、氮氣產(chǎn)品比為1∶2的大型外壓縮流程空分設(shè)備。其產(chǎn)品氣體主要供給煉鋼、煉鐵使用，然而煉鋼、煉鐵對氣體的使用量具有周期性，勢必要求供氣量具有周期性。對于制氧機(jī)組來說，開停車非常耗費電能和時間，如果保持制氧機(jī)組的穩(wěn)定運行，在公司用氣量較少時，會有大量氧氣、氮氣放散掉，這樣氧氣放散率比較高，造成極大的能源浪費。為了解決這個矛盾問題，決定對9#制氧機(jī)組試行變負(fù)荷操作，然而既沒有相關(guān)操作規(guī)程又沒有實際經(jīng)驗，只能摸索試驗。在初級階段變負(fù)荷幅度比較小，不能滿足調(diào)節(jié)公司用氣量不平衡的要求。其工藝流程如圖1。

2 工藝流程概述

2.1 氧氣和氮氣的生產(chǎn)(參照工藝流程圖1)

空氣經(jīng)凈化后，然后分兩路，大部分空氣在主換熱器中與返流氣體(純氧、純氮、污氮等)換熱達(dá)到接近空氣液化溫度約-173℃進(jìn)入下塔?！?6830 m3/h的空氣經(jīng)透平膨脹機(jī)的增壓機(jī)提高壓力后也進(jìn)入主換熱器內(nèi)，被返流冷氣體冷卻到170 K(-103℃)時抽出進(jìn)入膨脹機(jī)膨脹制冷，最后送入上塔或旁通一部分(視裝置運行情況而定)。

在下塔中,空氣被初步分離成氮和富氧液體空氣，頂部氣氮在主冷凝器中液化，同時主冷的低壓側(cè)液氧被氣化。部分液氮作為下塔回流液，另一部分液氮從下塔頂部引出，經(jīng)過冷器被純氣氮和污氣氮過冷并節(jié)流后送入輔塔頂部作回流液。液空在過冷器中過冷后經(jīng)節(jié)流送入上塔中部作為回流液。

純氣氧從主冷的上部引出，并在主換熱器復(fù)熱后出冷箱。污氮氣從上塔上部引出，并在過冷器及主換熱器中復(fù)熱后送往分餾塔外，部分作為分子篩純化器的再生氣體，其余部分去水冷塔。約80000 m3/h純氮氣從上塔頂部引出，在過冷器及主換熱器中復(fù)熱后出冷箱。

2.2 氬氣的生產(chǎn)（參照工藝流程簡圖1）

精液氬是采用低溫全精餾法制取的。

從上塔相應(yīng)部位抽出氬餾份氣體約48420 m3/h，含氬量為7%～11%（體積百分?jǐn)?shù)），含氮量約0.017%（體積百分?jǐn)?shù)）。氬餾份直接從粗氬塔Ⅰ的底部導(dǎo)入，粗氬塔Ⅰ上部采用粗氬塔Ⅱ底部排出的粗液氬作回流液，作為回流液的粗液氬經(jīng)液氬泵加壓后直接進(jìn)入粗氬塔Ⅰ上部。粗氬自粗氬塔Ⅰ頂部排出，經(jīng)粗氬塔Ⅱ底部導(dǎo)入。粗氬冷凝器采用過冷后的液空作冷源，上升氣體在粗氬冷凝器中液化，其中一部分為1513 m3/h的粗氬氣（其組成為99.6%Ar，≤2×10-6O2）經(jīng)粗氬氣流量調(diào)節(jié)閥導(dǎo)入粗氬液化器進(jìn)行液化，然后進(jìn)入純氬塔中，繼續(xù)精餾；其余作為回流液入粗氬塔Ⅱ。冷凝器蒸發(fā)后的液空蒸汽和少量液空同時返回上塔。

粗液氬從純氬塔中部進(jìn)入，與此同時在純氬塔蒸發(fā)器氮側(cè)內(nèi)利用下塔頂部來的壓力氮氣作為熱源，促使純氬塔底部的液氬蒸發(fā)成上升蒸汽，而氮氣被冷凝成液氮經(jīng)節(jié)流后進(jìn)入V3閥后，然后返回上塔。來自液氮過冷器并經(jīng)節(jié)流的液氮進(jìn)入純氬冷凝器作為冷源，使純氬塔頂部產(chǎn)生回流液，以保證塔內(nèi)的精餾，使氬氮分離，從而在純氬塔底部得到純液氬。純液氬可以直接以液態(tài)的形式注入用戶儲槽，也可以在冷箱內(nèi)經(jīng)中壓液氬泵加壓到3.0 MPa(G)汽化回收冷量后送用戶管網(wǎng)。

3 變負(fù)荷操作的背景

由于公司用氣量的不平衡，造成管網(wǎng)壓力波動較大，為了維持一定的管網(wǎng)壓力，迫使我廠放散掉部分氣體或者開停小的制氧機(jī)組，從而造成我廠的氣體放散率較高，有效制氧單耗較高；小制氧機(jī)組頻繁開停車，總的能耗較高，使我廠的生產(chǎn)成本難以降低。

目前我廠院內(nèi)共有9臺制氧機(jī)組，其中1#～7#為制氧機(jī)組產(chǎn)量相對于8#、9#制氧機(jī)組較小，變負(fù)荷操作的潛力較小；而8#制氧機(jī)組、9#制氧機(jī)組為40000 m3/h制氧機(jī)，自動化程度相對比較高，變負(fù)荷操作潛力較大。然而對于40000 m3/h的制氧機(jī)組變負(fù)荷操作沒有經(jīng)驗參考，只能不斷探索總結(jié)，進(jìn)行變負(fù)荷技術(shù)創(chuàng)新。

4 變負(fù)荷操作及理論依據(jù)

4.1 變負(fù)荷操作

空分設(shè)備的變負(fù)荷操作,主要指加工空氣量的變化，包括加負(fù)荷操作和減負(fù)荷操作兩個主要方面。在具體實施過程中，都應(yīng)該緩慢進(jìn)行，穩(wěn)中求變。調(diào)整過程中為保持系統(tǒng)工況的相對穩(wěn)定，負(fù)荷的調(diào)整是通過若干次加、減量來完成的。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,還應(yīng)注意加量的時間間隔，保證主要分析指標(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(jī)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，各流量趨勢圖應(yīng)是一條平滑的上升和下降的直線[1]。

4.2 變負(fù)荷操作理論依據(jù)

（1）該制氧機(jī)組設(shè)計工況氧氣產(chǎn)量可以降低至35000 m3/h。

（2）空壓機(jī)入口導(dǎo)葉自動控制，可以根據(jù)塔內(nèi)進(jìn)氣量的多少自動開關(guān)導(dǎo)葉。

（3）根據(jù)物料平衡，進(jìn)塔空氣量的減少可以減少產(chǎn)品氣體量，降低設(shè)備負(fù)荷。

（4）增負(fù)荷操作和正常開車加負(fù)荷操作一樣，容易實現(xiàn)，可以在公司用氧高的情況下及時增產(chǎn)。

5 正常變負(fù)荷操作過程（操作步驟以減負(fù)荷為例）

5.1 減空壓機(jī)負(fù)荷操作方法

（1）首先改變空壓機(jī)設(shè)定壓力，0.001 MPa的往低設(shè)，要緩慢進(jìn)行操作，以免因減產(chǎn)過快而造成空壓機(jī)喘振。

（2）在減少空壓機(jī)壓力的同時，相應(yīng)減少氧、氮產(chǎn)量。

（3）空壓機(jī)可由0.466 MPa，設(shè)定到0.459 MPa，空氣量由208000 m3/h減少到200000 m3/h，氧氣產(chǎn)量由42000 m3/h減到39000 m3/h，氮氣產(chǎn)量由82000 m3/h減到78000m3/h，粗氬量也要相應(yīng)的減少，由1300 m3/h減到1000 m3/h左右。

（4）關(guān)小V3閥（每次關(guān)小0.5°，67.8%～60%），與氧氣產(chǎn)量減少做到同步。

（5）空壓機(jī)壓力定值從0.466 MPa減到0.464 MPa約30 min。

5.2 理論分析

（1）降低空壓機(jī)出口壓力，使空壓機(jī)入口導(dǎo)葉關(guān)小，氣體輸出量減少，空壓機(jī)電流下降，節(jié)約能耗。

（2）由于空氣量的減少，氧氮產(chǎn)量隨之減少，氧氣放散率降低，節(jié)能降耗。

（3）在氧產(chǎn)量減少的同時，控制氮氣產(chǎn)量盡可能減少，以使空壓機(jī)導(dǎo)葉盡可能關(guān)小，電流更低，能耗更小。

（4）由于降低空壓機(jī)的出口壓力，減少了空壓機(jī)的空氣輸出量，進(jìn)而使進(jìn)入下塔的空氣量減少。根據(jù)物料平衡，進(jìn)塔空氣量減少，所產(chǎn)生的氧氣、氮氣產(chǎn)量也會隨之減少。在下塔頂部的冷凝氮氣量隨之減少，在V3閥開度不變的情況下，液氮的純度下降，隨之也影響到氣氮純度。因此，需要調(diào)節(jié)閥V3開度，減少液氮的提取量。

通過幾次變負(fù)荷操作，產(chǎn)生表1記錄。

6 變負(fù)荷操作過程優(yōu)化

由記錄表1可以看出，雖然實現(xiàn)了變負(fù)荷操作，但是效果不是很明顯。制訂了以下優(yōu)化方案，以減負(fù)荷操作方案為例。

6.1 減空壓機(jī)負(fù)荷優(yōu)化方案

（1）首先保持空壓機(jī)出口壓力設(shè)定值不變，減少氧氣產(chǎn)量（42000～35000 m3/h），減少氮氣產(chǎn)量（82 000～70000 m3/h），大約需要1 h。

（2）關(guān)小V3閥，減小幅度不能太大，每次最多0.5%（67.8%～60%），大約需要1 h，并注意液空及液氮純度的變化。

（3）增加單臺膨脹機(jī)膨脹量至最大，超過27500 m3/h需要旁通一部分膨脹空氣量（此過程大約10 min），并根據(jù)主冷液位及時開關(guān)V7閥（開一臺膨脹機(jī)）。

（4）減少粗氬量，逐漸降低粗氬冷凝器液空液位（317～266 mm，根據(jù)液空純度的高低來降低粗氬冷凝器熱負(fù)荷）。

（5）穩(wěn)定氬餾分，穩(wěn)定氬產(chǎn)量（1000～1100 m3/h）。

（6）氧氣產(chǎn)量減少時應(yīng)注意氬餾分含氬量，維持在5%～7%為宜；氧氣產(chǎn)量減少時要適當(dāng)提高上塔壓力由正常的38 kPa提高到40 kPa，并保持穩(wěn)定。

6.2 理論分析

（1）減少氧氣氮氣產(chǎn)量，會提升上下塔壓力，促使空壓機(jī)入口導(dǎo)葉關(guān)小，空壓機(jī)空氣輸出量減少（空氣量由208000 m3/h減少到195000 m3/h），空壓機(jī)電流下降（可降低50 A），節(jié)約能耗；氧氮產(chǎn)量減少，氧氣放散率降低，節(jié)能降耗。

（2）空壓機(jī)的空氣輸出量減少，進(jìn)而使進(jìn)入下塔的空氣量減少。根據(jù)物料平衡，進(jìn)塔空氣量減少，所產(chǎn)生的氧氣、氮氣產(chǎn)量也會隨之減少。在下塔頂部的冷凝氮氣量隨之減少，在V3閥開度不變的情況下，液氮的純度下降，隨之也影響到氣氮純度。因此，需要調(diào)節(jié)閥V3開度，減少液氮的提取量。

（3）膨脹空氣量的增大可以充分利用上塔的精餾潛力，又可以為空分提供足夠的冷量。但是，上塔精餾潛力是有限的，當(dāng)膨脹空氣進(jìn)上塔量超過27500 m3/h時，會導(dǎo)致上塔工況變壞，氧的提取率降低，氬餾分含氧含氮增多，一提高氬餾分氬系統(tǒng)容易產(chǎn)生氮塞。

（4）由于整體入塔空氣量的減少，根據(jù)物料平衡勢必減少氬產(chǎn)量。減少氬產(chǎn)量的有效措施之一是降低粗氬冷凝器熱負(fù)荷。由于V3閥開度的關(guān)小，下塔壓力的不變，下塔回流比會稍微變大，下塔液空純度會降低，進(jìn)而增大了粗氬冷凝器換熱溫差，增大了粗氬冷凝器熱負(fù)荷。因此，要通過降低粗氬冷凝器液空液位的方式，減小粗氬冷凝器換熱面積，即降低了粗氬冷凝器熱負(fù)荷，減少粗氬量。

（5）由于上塔壓力的提高，上塔精餾潛力的充分利用，上塔富氬區(qū)域的變化，氬餾分會降低，氬產(chǎn)量需要降低。

優(yōu)化方案后并對記錄表進(jìn)行了改進(jìn)，幾次變負(fù)荷產(chǎn)生的記錄見表2。

7 效果總結(jié)

（1）對比2013年1～6月份和2013年9～10月份氧氣放散率由4.52%下降到4.34%。

（2）通過對變負(fù)荷操作過程的優(yōu)化，統(tǒng)計了10月10日～10月31日的歷次減負(fù)荷操作空壓機(jī)電流降低平均值為50 A。

（3）在滿足公司需求的情況下，近半年來共進(jìn)行減負(fù)荷操作200余次，累計減負(fù)荷運行約1600 h，每小時節(jié)約電流50 A，空壓機(jī)電壓10 kV，由此可以計算標(biāo)準(zhǔn)化以來空壓機(jī)共節(jié)約電能1600×50× 10×1.732×0.98=133.28萬kW·h，共節(jié)約電費133.28×0.44=58.64萬元（注：1.732為線電壓/相電壓，0.44為電價，0.98為功率因數(shù)，單位：元）。

[1]尹超，涂后沅.變負(fù)荷操作對空分裝置制氬系統(tǒng)工況的影響[J].河南化工，2008，25（10）：43.

5 改造效果

1#機(jī)主油泵在運行一個月以后，對另一臺機(jī)的油系統(tǒng)進(jìn)行了改造。到目前為止，2臺空壓機(jī)的油系統(tǒng)已安全運行1年，運行參數(shù)非常穩(wěn)定，這標(biāo)志著SVK20-3S型離心式壓縮機(jī)油系統(tǒng)改造獲得成功。這對空壓機(jī)的長周期運行將起到關(guān)鍵性的作用。

6 結(jié)論

SVK20-3S型離心式壓縮機(jī)主油泵頻繁發(fā)生故障的主要原因是原主油泵的傳動齒輪嚙合不好，而采用2臺電動油泵作為主、輔油泵配合高位油箱向壓縮機(jī)供油后，保證了壓縮機(jī)油系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，從而確保了壓縮機(jī)的正常生產(chǎn)。

收稿日期：2014－09－25

作者簡介：魏鵬（1980－），男，大學(xué)本科學(xué)歷，工程師，現(xiàn)從事設(shè)備管理工作。

Duty-varying Operation and Process Optimization of 40000 m3/h Air Separator

XI Jiangang，ZHAO Xinyi
(The Oxygen Plant of Baotou Steel Union Co.,Ltd.,Baotou,Inner Mongolia 014010,China)

This article mainly discusses on metallurgical oxygen generating units adapting to the changing oxygen consumption of steelmaking and ironmaking and reducing oxygen release loss.Through duty-varying operation of the 40000 m3/h oxygen generating unit and optimization of operating process,the purpose of energy saving and reduction of oxygen loss has been achieved.

V3 valve;duty-varying;air compressor;loss rate

TB657.7

B

1006-6764(2015)01-0013-04

2014－10－27

習(xí)建剛（1971－），男，研究生學(xué)歷，制氧工程師，現(xiàn)從事氧氣生產(chǎn)和設(shè)備管理工作。