20000 m3/h空分裝置提升產(chǎn)能分析總結(jié)

袁苑，黃春濤，王鳳鐵，唐友軍，孟繁濤

20000 m3/h空分裝置提升產(chǎn)能分析總結(jié)

袁苑，黃春濤，王鳳鐵，唐友軍，孟繁濤

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司氣體銷售分公司，安徽馬鞍山243011）

馬鋼20000 m3/h制氧機(jī)運行多年來存在下塔精餾工況不穩(wěn)定，易發(fā)生液懸，氧氣產(chǎn)量達(dá)不到設(shè)計值，液氧泵出口壓力低，氮壓機(jī)易進(jìn)入喘振區(qū)等問題，造成機(jī)組并網(wǎng)能力低，運行能耗高。詳細(xì)分析了制氧機(jī)產(chǎn)能低的原因，介紹了提升產(chǎn)能所采取的措施，以及措施實施效果。

液氧內(nèi)壓縮；液氧泵；下塔；液懸；喘振；提升產(chǎn)能

1 前言

馬鞍山鋼鐵股份有限公司氣體銷售分公司（簡稱馬鋼）KDON-20000/20000型空分設(shè)備，為國內(nèi)某空分公司首套大型內(nèi)壓縮流程空分裝置，于2004年建成投產(chǎn)。由于工藝設(shè)計和儀控程序等原因，運行十多年以來，氧氣產(chǎn)量一直達(dá)不到設(shè)計值，氧、氮產(chǎn)品并網(wǎng)能力低，機(jī)組運行能耗高。因此，增加有效產(chǎn)量是降本增效的最有效途徑。

現(xiàn)就20000 m3/h空分設(shè)備產(chǎn)能低的原因及所采取的措施進(jìn)行分析總結(jié)。

2 20000 m3/h空分設(shè)備產(chǎn)品指標(biāo)及流程特點

2.1 20000 m3/h空分設(shè)備產(chǎn)品指標(biāo)（見表1）

2.2 流程特點

（1）馬鋼20000 m3/h制氧機(jī)為內(nèi)壓縮流程，下塔采用的是篩板塔，上塔、粗氬塔、精氬塔采用的是規(guī)整填料塔，配有提取貧氪氙和粗氖氦裝置，采用分子篩吸附凈化、增壓透平膨脹機(jī)制冷、液氧內(nèi)壓縮及全精餾制氬流程。凈化后的空氣分三路進(jìn)入下塔：一路直接在主換熱器中與返流氣體換熱后進(jìn)下塔；一路經(jīng)增壓機(jī)一段增壓，再到增壓膨脹機(jī)增壓膨脹后進(jìn)下塔；另一路繼續(xù)進(jìn)增壓機(jī)二段增壓，在主換熱器中冷卻經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流后進(jìn)下塔。該流程液體產(chǎn)量大。

表1 20000 m3/h空分設(shè)備產(chǎn)品指標(biāo)

（2）氮水塔除了污氮氣外，增加一股純氮氣與水進(jìn)行熱質(zhì)交換，氮水預(yù)冷系統(tǒng)冷卻效果好，出空冷塔的空氣溫度在15℃以下。

（3）配有提取貧氪氙和粗氖氦裝置。貧氪氙塔的原料分別來自粗氬Ⅱ塔冷凝蒸發(fā)器液空蒸氣、下塔液空和粗氬Ⅱ塔冷凝蒸發(fā)器回流液空。精餾后的氣體進(jìn)入上塔作為上升氣，貧氪氙被引出作為副產(chǎn)品。從主冷和下塔頂部以及貧氪氙蒸發(fā)器、精氬蒸發(fā)器中抽取氖氦含量較高的壓力氮氣進(jìn)入粗氖氦塔，用過冷后的液氮作冷源，提取粗氖氦。但由于空分精餾系統(tǒng)操作彈性小，氮氣純度不穩(wěn)定，貧氪氙和粗氖氦裝置無法提取稀有氣體，一直作為通道使用。

3 存在的問題

（1）20000 m3/h空分設(shè)備在運行過程中，容易出現(xiàn)下塔液空液位持續(xù)上漲，阻力升高現(xiàn)象，精餾工況不穩(wěn)定，嚴(yán)重時會發(fā)生液懸。

（2）增壓機(jī)出口壓力低，主換熱器中部溫度低，為防止增壓膨脹機(jī)進(jìn)口溫度過低，出裝置氧氣量減至18000 m3/h左右，氧氣產(chǎn)量達(dá)不到設(shè)定值，氧氣綜合單耗超過0.82 kW·h/m3。

（3）中壓氧氣并網(wǎng)能力低。管網(wǎng)壓力小于2.2 MPa時，氧氣并網(wǎng)量約18000 m3/h，管網(wǎng)壓力超過2.2 MPa時，氧氣開始放散（見圖1）。

圖1 優(yōu)化措施實施前氧氣并網(wǎng)量與管網(wǎng)壓力柱狀圖（2014年6月8日采集）

（4）氮壓機(jī)易進(jìn)入喘振區(qū)，氮氣并網(wǎng)量少。20000 m3/h空分設(shè)備配有一臺流量為14500 m3/h的氮壓機(jī)，運行過程中，排氣壓力達(dá)到1.70 MPa時，氮壓機(jī)工作點就靠近防喘振控制線。為防止氮壓機(jī)運行至喘振區(qū)，操作人員將防喘振閥保持30%的開度，氮壓機(jī)最大并網(wǎng)量只有11200 m3/h左右。

4 原因分析及解決措施

4.1 下塔精餾工況不穩(wěn)定

4.1.1 原因分析

由于液空節(jié)流閥V1流通能力不足，液空來不及轉(zhuǎn)移到上塔，造成下塔液位滿量程，阻力上升，嚴(yán)重時會發(fā)生液懸。為減少下塔回流液，保證下塔精餾工況穩(wěn)定，只能減少進(jìn)塔空氣量，根據(jù)物料平衡原則，氧、氮產(chǎn)量也相應(yīng)減少。

4.1.2 解決措施

（1）考慮貧氪氙塔只作粗氬冷凝器液空蒸氣通道使用，而液空管線不使用，在2010年20000 m3/h空分設(shè)備扒砂檢修時，對液空管道進(jìn)行如下改造：將下塔過冷液空到貧氪氙塔?70的管道，連同調(diào)節(jié)閥V1603拆除，并重新裝配到過冷器后?208液空管道上，作為V1閥旁通管路，增加進(jìn)上塔液空流量；拆除粗氬冷凝器到貧氪氙塔?45的液空管路。貧氪氙塔原液空進(jìn)料口用盲板堵?。ㄒ妶D2、圖3）。

圖2 液空管線改造前流程圖

圖3 液空管線改造后流程圖

（2）采取全開V1、V1603以及粗氬冷凝器液空回上塔V704閥，進(jìn)上塔液空流量增多，在保證下塔液空液位穩(wěn)定，阻力在16.5～18.5 kPa的前提下，進(jìn)下塔低壓空氣流量逐漸增加到49000 m3/h。

4.2 增壓機(jī)出口壓力低

4.2.1 原因分析

增壓機(jī)在防喘振調(diào)試時，設(shè)置的安全裕量過大，防喘振控制線距離實測喘振線較遠(yuǎn)，增壓機(jī)工作點接近防喘振控制線。為增加防喘振流量，保持增壓機(jī)工作點在非喘振區(qū)域，增壓機(jī)一、二段防喘振閥有15%的開度，二段出口壓力只有5.1 MPa左右，主換熱器中高壓空氣吸收液氧冷量的能力低，為保證主換熱器的溫差，氧氣取出量相應(yīng)減少，只有18000 m3/h左右。

4.2.2 解決措施

（1）與廠家溝通后，儀控人員重新設(shè)置增壓機(jī)防喘振安全裕量，使防喘振控制線向左移動（見圖4、圖5），增壓機(jī)工作點遠(yuǎn)離防喘振控制線。將防喘振閥關(guān)到7%，增壓機(jī)一、二段出口壓力分別提高至1.76 MPa和5.27 MPa，其工作點保持在非喘振區(qū)域，防喘振閥處于關(guān)閉狀態(tài)，出口壓力穩(wěn)定。

圖4 增壓機(jī)一段防喘振圖

圖5 增壓機(jī)二段防喘振圖

（2）合理匹配高壓空氣與液氧流量。高壓節(jié)流閥V15由53.3%開到54.2%，高壓空氣流量由27500 m3/h提高至29500 m3/h。同時將出裝置氧氣量由18000 m3/h逐漸提到設(shè)計值20000 m3/h（見表2）。

表2 優(yōu)化操作前后增壓機(jī)運行參數(shù)對比

4.3 氧氣并網(wǎng)量少的原因

4.3.1 液氧泵出口壓力低

4.3.1.1 原因分析

液氧泵變頻器轉(zhuǎn)速與DCS轉(zhuǎn)速指示不匹配，DCS各轉(zhuǎn)速值與實際轉(zhuǎn)速函數(shù)對應(yīng)關(guān)系不明顯，液氧泵實際轉(zhuǎn)速低，出口壓力只有2.30 MPa左右。加上冷箱內(nèi)液氧泵后低溫管道走向不合理，液氧流動阻力大（約0.1 MPa）。管網(wǎng)壓力達(dá)到2.2 MPa以上時，出空分裝置氧氣壓力與管網(wǎng)壓力差減小，氧氣自動退網(wǎng)。

4.3.1.2 解決措施

（1）2014年8月杭氧技術(shù)人員分析設(shè)備運行參數(shù)，以及查閱20000 m3/h空分設(shè)備原始資料后，制定了液氧泵后管路優(yōu)化設(shè)計方案，將于2015年空分設(shè)備改造性大修時實施。

（2）重新設(shè)定液氧泵頻率器參數(shù)，使變頻器轉(zhuǎn)速與DCS轉(zhuǎn)速相匹配。液氧泵轉(zhuǎn)速提高到2990 r/min，電機(jī)頻率增加到49.6 Hz，液氧出口壓力由2.30 MPa提高到2.48 MPa。氧氣管網(wǎng)壓力在2.35 MPa時，并網(wǎng)量仍然保持在19200 m3/h以上（見圖6）。

圖6 優(yōu)化措施實施后氧氣并網(wǎng)量與管網(wǎng)壓力關(guān)系（2014年9月18日采集）

4.3.2送氧閥調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)質(zhì)量不好

4.3.2.1 原因分析

送氧閥調(diào)節(jié)器PID參數(shù)設(shè)置存在缺陷，使得V102閥門動作慢，當(dāng)氧氣管網(wǎng)壓力上漲較快時，送氧閥V102開啟速度慢，氧氣并網(wǎng)量減少，放散量增加。

4.3.2.2 解決措施

重新設(shè)定送氧閥V102的PID調(diào)節(jié)參數(shù)（見表3），使調(diào)節(jié)器跟蹤速度加快，氧氣管網(wǎng)壓力快速變化時，V102閥門調(diào)節(jié)速度也相應(yīng)加快，氧氣并網(wǎng)量保持穩(wěn)定。

表3 V102調(diào)節(jié)參數(shù)調(diào)整對比

4.4 氮氣并網(wǎng)量少的原因

4.4.1 原因分析

（1）氮壓機(jī)在運行過程中，工作點總是靠近防喘振控制線，為防止氮壓機(jī)工作點進(jìn)入喘振區(qū)，操作人員將防喘振閥手動開到30%以上，氮氣并網(wǎng)量只有11200 m3/h左右。14500 m3/h氮壓機(jī)防喘振曲線是根據(jù)DCS系統(tǒng)中氮壓機(jī)出口壓力PI1581與電機(jī)電流IIC1548計算得到，PI1581和IIC1548分別由壓力變送器和電流變送器轉(zhuǎn)換而來，轉(zhuǎn)換后的壓力偏高或電流偏低，都會造成氮壓機(jī)工作點進(jìn)入喘振區(qū)。電氣儀控人員仔細(xì)校核轉(zhuǎn)換前后的壓力和電流，并對接線端子絕緣、氧化、松動情況進(jìn)行檢查，最終確認(rèn)電流變送器轉(zhuǎn)換單元出錯，轉(zhuǎn)換后電流顯示偏低（差值約30 A），造成氮壓機(jī)工作點靠近防喘振控制線。

（2）環(huán)境溫度低時，氮壓機(jī)入口導(dǎo)葉氣缸內(nèi)壁密封橡膠硬度變大，轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)阻力增大，導(dǎo)葉有卡阻現(xiàn)象，造成現(xiàn)場實際開度小于DCS開度（相差約20%），加上出空分裝置低壓氮氣放空閥V105有10%的開度，致使氮壓機(jī)入口流量小，并網(wǎng)量隨之減少。

4.4.2 解決措施

（1）電氣人員更換整套電流變送器。更換之后，高壓控制柜電流指示與DCS電流指示一致。

（2）氮壓機(jī)導(dǎo)葉氣缸用伴熱帶纏繞并包上保溫材料，每次啟動氮壓機(jī)之前，校驗導(dǎo)葉。啟動后，將導(dǎo)葉開到70%以上，關(guān)閉出裝置低壓氮氣閥V105，出裝置流量由V106（氮氣到氮水塔）控制，逐漸關(guān)閉防喘振閥，氮氣并網(wǎng)量達(dá)到14500 m3/h，電機(jī)電流上升到138 A，氮壓機(jī)工作點遠(yuǎn)離防喘振控制線（見圖7）。

圖7 更換電流變送器后氮壓機(jī)運行防喘振圖

5 效果

通過液空管線改造及優(yōu)化操作，20000 m3/h空分設(shè)備氧氣產(chǎn)量基本達(dá)到設(shè)計值，產(chǎn)品并網(wǎng)能力同步提高，氮壓機(jī)并網(wǎng)量保持在設(shè)計值14500 m3/h左右；氧氣綜合單耗降至0.78 kW·h/m3以下，經(jīng)濟(jì)效益明顯。單耗與產(chǎn)量統(tǒng)計見圖8。

圖8 氧氣綜合單耗和氧氣平均產(chǎn)量圖

6 結(jié)束語

通過操作調(diào)整摸索，制氧機(jī)產(chǎn)能提升明顯，但是下塔液空轉(zhuǎn)移能力不足問題依然存在，2015年20000 m3/h空分設(shè)備改造性大修時，將對下塔液空、污液氮管道重新配管，液空節(jié)流閥、污液氮節(jié)流閥更換為大口徑閥門，以提高液體流通能力。

Analysis and Summarization of Capacity Upgrading of the 20000 m3/h Air Separator

YUAN Yuan，HUANG Chuntao，WANG Fengtie，TANG Youjun，MENG Fantao
(Gases Sales Co.of MaSteel Co.,Ltd.,Maanshan,Anhui 243011,China)

Problems such as instability of the lower tower rectification,tendency of liquid suspension,oxygen production capacity short of designed value,lower pressure at the exit of liquid oxygen pump and nitrogen compressor entering the surge area existed in the 20000 m3/h oxygen generator of MaSteel for years,resulting in loWcapability of grid connection of the unit and high operation consumption of energy.The causes of the loWcapacity of the oxygen generator were analyzed in detail and the measures taken for enhancing production capacity and the result were introduced.

liquid oxygen internal compression;liquid oxygen pump;lower tower;liquid suspension;surge;upgrading capacity

TB657.7

B

1006-6764(2015)09-0033-04

2015－06－04

袁苑（1971-），女，1993年畢業(yè)于浙江大學(xué)制冷設(shè)備與低溫技術(shù)專業(yè)，高級工程師，現(xiàn)從事生產(chǎn)技術(shù)管理工作。