內(nèi)壓縮空分裝置高、低壓板式換熱器配置討論

潘 明，于德明，王 波

(中國(guó)空分設(shè)備有限公司，浙江杭州 310051)

國(guó)內(nèi)煤化工裝置工藝的多樣性以及規(guī)模不斷趨于大型化，與之匹配的內(nèi)壓縮空分裝置亦隨之產(chǎn)品形式多樣化、規(guī)模等級(jí)大型化。至今“6萬(wàn)”～“10萬(wàn)”以及“10萬(wàn)”以上等級(jí)大型、特大型內(nèi)壓縮空分裝置陸續(xù)投入使用或在設(shè)計(jì)、制造中。

本文僅就內(nèi)壓縮空分裝置主要工藝設(shè)備，高、低壓板翅式換熱器(以下簡(jiǎn)稱高、低壓板式)設(shè)計(jì)、配置存在某些不足以及由此造成實(shí)際運(yùn)行偏離設(shè)計(jì)工況進(jìn)行一些分析討論。以期引起空分制造廠家，設(shè)計(jì)者關(guān)注，找到更加合理的設(shè)計(jì)、配置方案。

1 目前國(guó)內(nèi)大型內(nèi)壓縮空分裝置高、低壓板式配置方式

內(nèi)壓縮空分裝置主換熱器組一般由多個(gè)高壓板式和多個(gè)低壓板式分別并聯(lián)組合而成。低壓板式中，各換熱流體工作壓力都在0.6 MPa(A)以下，國(guó)內(nèi)制造廠家已掌握成熟制造工藝，可以做到質(zhì)量完全過(guò)關(guān)。高壓板式中，有多股換熱流體，工作壓力達(dá)到4.0 ～9.8 MPa(A)，甚至更高(因用戶對(duì)產(chǎn)品規(guī)格要求不同，隨之各換熱流體壓力等級(jí)也各不相同)。某些壓力等級(jí)較高的高壓板式，國(guó)內(nèi)制造廠家還未完全掌握成熟制造工藝，特別是對(duì)大尺寸規(guī)格高壓板式還做不到每個(gè)板式制造質(zhì)量完全合格(時(shí)有補(bǔ)焊、堵焊、質(zhì)量不穩(wěn)定情況發(fā)生)。因此，對(duì)高壓板式，空分制造廠家尤其是最終用戶往往要求向國(guó)外專業(yè)制造廠采購(gòu)，比如法國(guó)NORDON公司、美國(guó)CHART公司等廠家。

高、低壓板式設(shè)計(jì)制造程序一般是由空分制造廠家專業(yè)人員提出高、低壓板式技術(shù)參數(shù)一覽表及技術(shù)要求，低壓板式自行設(shè)計(jì)、制造。國(guó)外廠家則根據(jù)高壓板式技術(shù)參數(shù)一覽表和技術(shù)要求完成各換熱流體傳熱學(xué)計(jì)算及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括各換熱流體換熱翅片選型、通道排列等一系列內(nèi)容在內(nèi)的圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，并完成制造、檢驗(yàn)合格、運(yùn)抵用戶現(xiàn)場(chǎng)。

內(nèi)壓縮空分裝置因流程、熱平衡需要有一股換熱流體一般是返流常壓氮?dú)?或是返流污氮?dú)?，同時(shí)出現(xiàn)在高、低壓板式中參與換熱。不同制造廠家在高、低壓板式的設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)同一種返流常壓氮?dú)庠谝欢ǚ秶鷥?nèi)是可以自行確定某些過(guò)程參數(shù)的。因此，兩家不同的廠家在選擇同一過(guò)程參數(shù)時(shí)，極可能是完全不一樣的。這在高、低壓板式設(shè)計(jì)原則上是正常的。

為進(jìn)一步說(shuō)明，下面以我司2011年成套川空廠兩套“4萬(wàn)”等級(jí)內(nèi)壓縮空分裝置的高、低壓板式設(shè)計(jì)、配置為例進(jìn)行說(shuō)明。

2 “4萬(wàn)”等級(jí)內(nèi)壓縮空分裝置高、低壓板式配置

“4萬(wàn)”等級(jí)內(nèi)壓縮空分裝置高壓板式為美國(guó)CHART公司制造，低壓板式為川空廠制造。用戶現(xiàn)場(chǎng)高、低壓板式各換熱流體及常壓氮?dú)鈱?shí)際配置簡(jiǎn)圖(據(jù)川空廠提供資料)，見(jiàn)圖1。

圖1 “4萬(wàn)”內(nèi)壓縮空分實(shí)際配管示意圖Fig.1 “40000”Internal compression air separation of actual piping diagram

表1 高、低壓板式廠家部分參數(shù)Table 1 High and low pressure plate manufacturer part parameters

圖1中，僅標(biāo)出高、低壓板式中各換熱流體、名稱、工作壓力。其中返流常壓氮?dú)?.1 MPa(A)，通入高、低壓板式流量分別為36 800 Nm3/h，46 200 Nm3/h。

根據(jù)CHART公司和川空廠提供的圖紙(兩制造廠部分參數(shù)不對(duì)外提供)以及筆者根據(jù)常規(guī)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算結(jié)果，見(jiàn)表1。

3 配置方案及對(duì)上塔精餾工況影響討論

1.圖1中，高、低壓板式常壓氮?dú)鈫挝幻娣e體積流量分別為 V高=14.6 m3/(m2·s)，V低=5.96 m3/(m2·s)。高壓板式單位面積體積流量是低壓板式的2.45 倍，即 V高/V低=14.6 ÷5.96=2.45。

這是因?yàn)椴煌圃鞆S家所選擇過(guò)程參數(shù)不同而造成的，這在設(shè)計(jì)上是允許的。而且都滿足設(shè)計(jì)給定阻力降≤15 kPa。但按圖1配管后，高、低壓板式返流常壓氮?dú)舛紝?duì)原設(shè)計(jì)流量產(chǎn)生嚴(yán)重偏流。

2.如圖1配置，最佳運(yùn)行狀態(tài)是低壓板式常壓氮?dú)獬隹陂yHV105全開，高壓板式常壓氮?dú)獬隹陂yHV106和出口閥HV107全開。常壓氮?dú)庠诟摺⒌蛪喊迨搅髁恐豢赡苁悄骋黄骄髁?，?/p>

該流速遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于高壓板式自定過(guò)程參數(shù)14.6 m3/(m2·s)，且高于低壓板式自定過(guò)程參數(shù)5.96 m3/(m2·s)。高、低壓板式都偏離設(shè)計(jì)流量，高壓板式嚴(yán)重偏少，低壓板式則偏高。高、低壓板式都達(dá)不到原設(shè)計(jì)熱平衡及冷、熱端溫差要求。

3.對(duì)上述偏離設(shè)計(jì)工況的糾偏，原則上只能漸次關(guān)小常壓氮?dú)獬龅蛪喊迨匠隹陂yHV105，盡量開大常壓氮?dú)獬龈邏喊迨匠隹陂yHV106和HV107(實(shí)際已全開狀態(tài))，以使得更多的常壓氮?dú)膺M(jìn)入高壓板式。與此同時(shí)，相應(yīng)調(diào)節(jié)(漸次關(guān)小)由上塔引出所有其它返流氣體出冷箱對(duì)應(yīng)控制調(diào)閥(包括返流污氮?dú)庹{(diào)閥、返流粗氬調(diào)閥、上塔底部氧氣旁通入污氮管道調(diào)閥)。

內(nèi)壓縮空分流程，當(dāng)下塔各股液體(包括液氮、污液氮、液空)純度、流量穩(wěn)定節(jié)流進(jìn)入上塔各相應(yīng)精餾區(qū)段條件下，通過(guò)調(diào)節(jié)以上各調(diào)節(jié)閥是使得上塔各精餾區(qū)段

實(shí)際液汽比盡可能維持在原設(shè)計(jì)值的唯一手段。由空分精餾原理知道，上塔各精餾區(qū)段實(shí)際液汽比即L/V接近設(shè)計(jì)點(diǎn)的液汽比值是滿足產(chǎn)品純度達(dá)到設(shè)計(jì)要求且保證上塔氬餾分抽口處組分穩(wěn)定在設(shè)計(jì)值范圍內(nèi)的必要條件。

通過(guò)以上調(diào)節(jié)，迫使返流常壓氮?dú)獗M量地進(jìn)入高壓板式并滿足設(shè)計(jì)流量36 800 Nm3/h要求，見(jiàn)圖1。

以上操作最終結(jié)果是上塔實(shí)際操作壓力趨于增高。本司成套兩套“4萬(wàn)”內(nèi)壓縮空分裝置上塔實(shí)際運(yùn)行操作壓力在58～62 kPa(G)，大于一般正常操作壓力38～42 kPa(G)。

4.一套大型空分裝置是有各種設(shè)備、機(jī)組以及冷箱內(nèi)一系列單元設(shè)備組合而成。實(shí)際運(yùn)行過(guò)程是一個(gè)相互關(guān)聯(lián)且相互影響的有機(jī)整體。隨上塔實(shí)際操作壓力的提高，最直接明顯的是由上塔所有引出產(chǎn)品氣體及其它返流氣體帶出冷箱的冷損增加，包括出冷箱返流氣復(fù)熱不足損失和出冷箱壓力增高額外帶走的所謂“壓力損失”兩部分，尤其是后者明顯增加。實(shí)際上由于上塔操作壓力的增高，對(duì)整個(gè)空分裝置運(yùn)行工況連帶影響是多方面的，此處不展開討論。

從空分原理知道，由于上塔操作壓力的提高，由上塔引出冷箱各返流氣體冷損增加都會(huì)使主空透的排壓、增壓機(jī)的排壓都有不同程度的提高，同時(shí)要適當(dāng)增加膨脹機(jī)的制冷量，因此，空分裝置將在偏離原設(shè)計(jì)點(diǎn)工況下運(yùn)行。

4 高、低壓板式配置改善方法

1.對(duì)新建大型內(nèi)壓縮空分裝置，采用混合式板式配置方案。即所有板式單元各換熱流體都是一樣的，因而規(guī)格也是一樣的。同一流體在各單元體積流量也是一樣的，因此，可認(rèn)為所有混合式板式單元都是高壓板式(都有相同的高壓換熱流體)。這就增加了制造困難。若采用國(guó)外訂貨則大幅增加制造成本。帶來(lái)的優(yōu)點(diǎn)是各股換熱流體容易操作調(diào)節(jié)，混合式板式各單元熱平衡、熱端溫差易于達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2.若新設(shè)計(jì)同樣一套“4萬(wàn)”內(nèi)壓縮空分裝置，仍采用如圖1所示高、低壓板式配置方式，由國(guó)外廠家制造高壓板式，國(guó)內(nèi)廠家自行制造低壓板式組織生產(chǎn)。

空分裝置流程設(shè)計(jì)、計(jì)算及主體設(shè)備制造廠家，例如川空廠在向國(guó)外廠家提供高壓板式的技術(shù)參數(shù)一覽表及技術(shù)要求時(shí)(如表1內(nèi)容)，除對(duì)返流常壓氮?dú)庠O(shè)定阻力降≤15 kPa外，還要額外限制制造廠家自定的高壓板式中常壓氮?dú)庠O(shè)計(jì)過(guò)程參數(shù)g值大小。原則是高、低壓板式自定過(guò)程參數(shù)值大小盡可能一致，或者限制高壓板式常壓氮?dú)鈫挝幻娣e體積流量是低壓板式單位面積體積流量的1.2～1.5倍(該比值需制造廠之間反復(fù)協(xié)調(diào)商定，以上僅為暫定值。該值和兩制造廠的翅片制造質(zhì)量、換熱流體股數(shù)及流量、通道排列的匹配等因素以及制造廠傳統(tǒng)習(xí)慣有關(guān)，影響因素較多，是綜合考量提出的一個(gè)數(shù)值)。

依據(jù)上述原則，對(duì)現(xiàn)已投入運(yùn)行的“4萬(wàn)”空分裝置進(jìn)行重新測(cè)算，表1中取 V高壓/V低壓=1.22，則高壓板式的單位面積體積流量為

高壓板式中常壓氮?dú)鈫挝幻娣e體積流量由原來(lái)的 14.6 m3/(m2·s)降低為 7.3 m3/(m2·s)，由此高壓板式單元的常壓氮?dú)馔ǖ罃?shù)由36層增至72層，這樣與低壓板式的5.96 m3/(m2·s)數(shù)值較為接近。如圖1配置后，高、低壓板式常壓氮?dú)饬髁糠峙湔{(diào)節(jié)比較容易達(dá)到設(shè)計(jì)流量，上塔壓力亦不會(huì)大幅提高。這時(shí)若高壓板式單元數(shù)兩只仍不變，則單元橫截面尺寸變大?；蛘呤窃黾痈邏喊迨絾卧獢?shù)為三只，通過(guò)重新排列通道數(shù)后，橫截面尺寸可能減小。兩種方法雖都將使制造成本有所增加，但對(duì)長(zhǎng)期運(yùn)行的節(jié)能降耗仍是有利的。以上僅是作為一種對(duì)高、低壓板式優(yōu)化配置的思路探討，供相關(guān)設(shè)計(jì)人員參考。

3.對(duì)本案兩套“4萬(wàn)”等級(jí)內(nèi)壓縮空分裝置現(xiàn)已安裝好進(jìn)入正常運(yùn)行期，已經(jīng)沒(méi)有從設(shè)計(jì)源頭上進(jìn)一步改進(jìn)的余地，為盡量降低上塔操作壓力，可對(duì)高、低壓板式管路系統(tǒng)進(jìn)行一些改進(jìn)，去掉一些阻力附件，加大高壓板式出口管徑尺寸，以減少沿程阻力損失，增加高壓板式常壓氮?dú)饬髁?，但效果不?huì)很大。

去掉FI-104和FI-105兩只流量孔板，增加去氮壓機(jī)總管流量孔板。兩套“4萬(wàn)”空分并網(wǎng)至總管網(wǎng)，管網(wǎng)系統(tǒng)容量大，壓力穩(wěn)定，這樣對(duì)增加高壓板式體積流量也是有利的。

以上為大型內(nèi)壓縮空分裝置高、低壓板式在不同制造廠設(shè)計(jì)生產(chǎn)過(guò)程，因返流常壓氮?dú)庠诓煌圃鞆S選取的過(guò)程參數(shù)不同(相差較大)，致使空分裝置安裝運(yùn)行后上塔壓力升高的原因進(jìn)行了分析，以期引起國(guó)內(nèi)空分制造廠家和設(shè)計(jì)者關(guān)注，不當(dāng)之處，請(qǐng)指正。