制氧廠氮?dú)饫猛跐摳脑鞂?shí)踐

位天時(shí)，蔣衛(wèi)兵，劉江淮，黃春濤

(馬鋼股份氣體銷售分公司，安徽 馬鞍山 243000)

制氧廠氮?dú)饫猛跐摳脑鞂?shí)踐

位天時(shí)，蔣衛(wèi)兵，劉江淮，黃春濤

(馬鋼股份氣體銷售分公司，安徽 馬鞍山 243000)

介紹制氧廠以氮氧液化裝置為中心的氮?dú)庋h(huán)壓縮利用工藝流程及改造實(shí)踐活動(dòng)。解決動(dòng)力介質(zhì)管網(wǎng)供需矛盾，靈活組織生產(chǎn)模式。充分挖潛氮?dú)饫?，同時(shí)降低氧氣放散率。提升液體外銷產(chǎn)能的同時(shí)，設(shè)備運(yùn)行更經(jīng)濟(jì)可靠。

氧氮液化裝置；循環(huán)氮?dú)鈮嚎s；氮?dú)庥行Ю?；氮壓機(jī)互連互備

0 引言

近幾年來，隨著馬鋼公司生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，氧氣、氮?dú)庑枨罅坎黄ヅ涿茱@現(xiàn)，尤其氮?dú)赓Y源短缺的問題日益突出。位于北區(qū)的2套大型空分裝置(杭氧KON-20000/20000、法液空KON-35000/40000)產(chǎn)品氣配比一定，長期處于“一開一備”保供模式。再者，如要保證中壓氮?dú)夤芫W(wǎng)壓力，氧氣放散率可達(dá)8%以上，制氧廠產(chǎn)品單耗居高不下。眾所周知，采用液化和汽化后備系統(tǒng)能及時(shí)有效平衡動(dòng)力介質(zhì)管網(wǎng)壓力波動(dòng)，已成為提高管網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的有效途徑。為此馬鋼氣體公司因地制宜，以氧氮液化裝置為中心，綜合統(tǒng)籌中壓氮?dú)夤芫W(wǎng)保供、低壓氮?dú)赓Y源循環(huán)壓縮利用、液態(tài)產(chǎn)品外銷等方面，于2012年對已建成投產(chǎn)的“二液化站”進(jìn)行“氮?dú)庋h(huán)壓縮利用”系統(tǒng)改造實(shí)踐。

1 項(xiàng)目簡介

1.1 氧氮液化流程(圖1)

YPON-3750/1710型氧氮液化裝置工作介質(zhì)是來自動(dòng)力管網(wǎng)的中壓氮?dú)?1.3～1.6 MPa)、氧氣(1.8～2.1 MPa)。原料氮?dú)饨?jīng)透平膨脹機(jī)BC端增壓至2.50 MPa，冷卻后進(jìn)入板式換熱器E4001換熱后分為兩路，一路進(jìn)入ET端絕熱膨脹后獲取液化系統(tǒng)所需的冷量，與此同時(shí)產(chǎn)生的推動(dòng)功又被BC端所吸收。膨脹后的低溫低壓氮?dú)?40 kPa)作為返流氣依次進(jìn)入板式換熱器E4002/E4001復(fù)熱后出冷箱，而后經(jīng)循環(huán)氮壓機(jī)升壓并入中壓氮?dú)夤芫W(wǎng)。另一路增壓氮?dú)饨?jīng)板式換熱器E4002、過冷器E4003后冷卻液化為液氮進(jìn)入集液罐SV4002，而后帶壓輸入液氮儲(chǔ)槽。液氮過冷器E4003冷端抽取少量液氮，經(jīng)節(jié)流閥HC4001降溫進(jìn)入E4003/E4002/E4001作為返流氣復(fù)熱后出冷箱，而后經(jīng)循環(huán)氮壓機(jī)升壓并入中壓氮?dú)夤芫W(wǎng)。

來自中壓管網(wǎng)的氧氣經(jīng)E4001/E4002被逐步冷卻液化為液氧入集液罐SV4001，而后帶壓輸入液氧儲(chǔ)槽。根據(jù)管網(wǎng)介質(zhì)富裕情況，調(diào)控過冷器E4003及節(jié)流閥HC4001運(yùn)行工況，既可實(shí)現(xiàn)單通道，又可雙通道氮、氧液化生產(chǎn)。

圖1 YPON-3750/1710型氧氮液化裝置工藝流程簡圖

1.2 氮?dú)庋h(huán)壓縮流程

目前位于氣體公司北區(qū)的2套大型空分裝置(杭氧KON-20000/20000、法液空KON-35000/40000)，其中杭氧二萬液氧內(nèi)壓縮空分機(jī)組滿負(fù)荷生產(chǎn)時(shí)，僅有14 500 m3/h產(chǎn)品氮經(jīng)氮壓機(jī)壓縮并入中壓氮?dú)夤芫W(wǎng)，空分產(chǎn)能未完全釋放。法液空KON35000/40000型液氧部分外壓縮空分配有2臺(tái)20 000 m3/h氮?dú)鈮嚎s機(jī)。顯而易見，液化站透平膨脹機(jī)冷量的獲取，受限于中壓氮?dú)夤芫W(wǎng)壓力。在管網(wǎng)氮?dú)庑枨缶o張、空分需滿負(fù)荷生產(chǎn)的時(shí)候，二液化開機(jī)率明顯降低，致使馬鋼北區(qū)氧氣放散率居高不下。再加之動(dòng)力管網(wǎng)介質(zhì)平衡波動(dòng)較大，嚴(yán)重危及中壓氮?dú)馔钙脚蛎洐C(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，外銷液體產(chǎn)量深受牽制。此次改造，作為連通介質(zhì)(低壓氮?dú)?不僅要滿足流量的連續(xù)穩(wěn)定，還要能保證透平壓縮機(jī)吸入工況匹配。

通過設(shè)備實(shí)際運(yùn)行工藝數(shù)據(jù)采集，液化站循環(huán)中壓氮?dú)?6 250～25 000 m3/h，膨脹制冷量15 000～23 000 m3/h。在保證透平膨脹機(jī)吸入壓力1.3～1.7 MPa條件下，膨脹后氮?dú)鈮毫?0～40 kPa。二萬空分配套的IngersollRand 14 500 m3/h離心壓縮機(jī)吸入壓力4～15 kPa，排氣設(shè)計(jì)壓力2.0 MPa。三萬五空分配套的兩臺(tái)氮壓機(jī)分別為：Cooper 20 000 m3/h離心壓縮機(jī)吸入壓力4～19 kPa，排氣壓力設(shè)計(jì)2.0 MPa；IngersollRand 20 000 m3/h離心壓縮機(jī)吸入壓力7～30 kPa，排氣設(shè)計(jì)壓力2.0 MPa。通過對比分析，3臺(tái)氮?dú)鈮嚎s機(jī)均能實(shí)現(xiàn)液化系統(tǒng)氮?dú)庋h(huán)的功能。

2 原氮?dú)庋h(huán)系統(tǒng)缺陷

借二萬空分機(jī)組計(jì)劃性停機(jī)檢修之際，停運(yùn)14 500 m3/h氮透。對原廠區(qū)內(nèi)低壓氮?dú)膺B通系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)。

2.1 連通試驗(yàn)記錄

關(guān)閉產(chǎn)品氮?dú)馊ニ渌106閥，打開低壓氮?dú)夤芫W(wǎng)連通閥。逐步關(guān)閉產(chǎn)品氮?dú)夥趴臻y，C60吸入壓力可保持在10～14.8 kPa，滿足氮壓機(jī)啟運(yùn)條件。漸開C60導(dǎo)葉升壓并網(wǎng)，并進(jìn)行加負(fù)荷操作。

1.吸入流量18 500 m3/h、壓力9.8～10.32 kPa。出二萬冷箱產(chǎn)品氮?dú)鈮毫?3.5～14.1 kPa。

2.吸入流量19 000 m3/h、壓力7.1 kPa。出二萬冷箱產(chǎn)品氮?dú)鈮毫?1.3 kPa。

3.吸入流量19 500 m3/h時(shí)，二萬產(chǎn)品氮?dú)饬髁?、壓力出現(xiàn)波動(dòng)。

4.試驗(yàn)期間環(huán)境溫度17℃，水冷塔水溫由12.3℃上升至13.0℃。

2.2 系統(tǒng)缺陷

實(shí)現(xiàn)二萬、三萬五空分氮壓機(jī)互連、互通、互備，有效組織生產(chǎn)模式應(yīng)對管網(wǎng)保供及液化站循環(huán)壓縮原料氣，原廠區(qū)內(nèi)低、中壓氮管線互連系統(tǒng)存在以下幾點(diǎn)缺陷。

1.采用三萬五(二萬)空分低壓氮連通，保證機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行前提下，可釋放二萬空分產(chǎn)能至少4500 m3/h，解決二萬空分產(chǎn)品氮?dú)鈮簷C(jī)配型過小的問題。

2.雖然以液化站為中轉(zhuǎn)，出兩套空分裝置的低壓氮?dú)獠]有直接連通路徑。如液化站處于加溫備用狀態(tài)，3臺(tái)氮?dú)鈮嚎s機(jī)之間不能實(shí)現(xiàn)互連、互通、互備，氮?dú)赓Y源全量并網(wǎng)輸送成為問題。

3.原二萬產(chǎn)品氮?dú)饬髁坑?jì)靠近低壓放散口，連通運(yùn)行后孔板流量計(jì)所在管段被短路，無量顯。需在新敷設(shè)管道上安裝孔板流量計(jì)1套，實(shí)時(shí)監(jiān)控二萬空分產(chǎn)品氮?dú)獬槿×?，以免空分主塔工況波動(dòng)。

4.原二萬空分至液化系統(tǒng)DN500氮?dú)夤芫€輸送能力偏小,出二萬空分冷箱低壓氮?dú)?10～14 kPa)在輸送管阻損失后，造成C60氮壓機(jī)吸入壓力偏低，壓差損失可達(dá)5 kPa。為保持氮壓機(jī)出口壓力不變，壓縮比增加，能耗也相應(yīng)增加。

5.原連通路徑并未完全繞開二液化冷箱系統(tǒng)。若長周期運(yùn)行會(huì)將大氣中的濕空氣通過放散口倒吸入液化站冷箱內(nèi)及板式換熱器內(nèi)，造成冷箱保冷下降，板式換熱器有冰堵隱患，危及液化站膨脹機(jī)安全啟停。

6.若二液化板式通道出現(xiàn)內(nèi)漏，很可能將氧氣帶入低壓氮?dú)庀到y(tǒng)，污染中壓氮?dú)夤芫W(wǎng)。

7.C60氮壓機(jī)無回流防喘振調(diào)節(jié)功能，工況異常跳車后，低壓氮?dú)夥派⒕徛妆飰?，危及二萬空分穩(wěn)定。故將二萬產(chǎn)品氮?dú)夥趴臻y改為壓力聯(lián)鎖自動(dòng)控制。

8.二萬空分配套循環(huán)水泵房，僅有2臺(tái)軸流冷卻風(fēng)機(jī)，高溫季節(jié)調(diào)控水溫能力已至極限。在釋放氮?dú)猱a(chǎn)能的同時(shí)，需增加至少1000 kW大溫差冷水機(jī)組一套，使空氣出空冷塔的溫度不高于18℃，確保分子篩吸附器工作負(fù)荷。

3 改造實(shí)施

3.1 液化系統(tǒng)優(yōu)化

1.中壓氮?dú)馔钙脚蛎洐C(jī)可謂是液化系統(tǒng)的心臟部件，為了保證運(yùn)行工況的連續(xù)穩(wěn)定，且能為液化站提供滿負(fù)荷的冷量需求，設(shè)備選型必須具備：大膨脹比有效應(yīng)對管網(wǎng)壓力波動(dòng)、可調(diào)噴嘴負(fù)荷調(diào)整空間大、最佳特性等熵比焓降高、可靠軸承潤滑系統(tǒng)、精密減壓密封氣系統(tǒng)、啟動(dòng)/跳車連鎖保護(hù)完善等要求(透平膨脹機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)見表1)。

表1 中壓氮?dú)馔钙脚蛎洐C(jī)技術(shù)參數(shù)

2.為確保氧氮液化單/雙通道靈活組產(chǎn)切換，液氮節(jié)流閥HC4001更換為進(jìn)口閥門。提升該閥節(jié)流降溫效果，能有效避免液氮節(jié)流汽化引起的超壓風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，增強(qiáng)過冷器E4003的換熱效率，液化系統(tǒng)液體產(chǎn)量得到提升。

3.出液化站冷箱低壓氮?dú)夥趴臻yV4113為氣閉式電磁閥，若20 000 m3/h氮?dú)鈮嚎s機(jī)出現(xiàn)異常工況運(yùn)行時(shí)，操作人員需要手動(dòng)失電。另外，該閥無快開特性，屢次出現(xiàn)放散不及時(shí)，膨脹機(jī)出口超壓聯(lián)鎖液化系統(tǒng)跳停。故將低壓氮?dú)夥趴臻yV4113更換為氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥，與膨脹機(jī)出口壓力形成聯(lián)鎖自動(dòng)調(diào)節(jié)，防止超壓傷及板式換熱器。

4.設(shè)置中壓氮?dú)膺M(jìn)氣閥V4101與膨脹機(jī)快切閥HC4401聯(lián)鎖同時(shí)切斷，確保透平膨脹機(jī)安全啟停。

3.2 低壓氮?dú)膺B通方案優(yōu)化

1.本著節(jié)約、便于改造施工的原則，保留原DN500(液化站至二萬14 500 m3/h氮壓機(jī))管線。新增一路DN600低壓氮?dú)夤芫€，短路連接至三萬五低壓氮并入二液化DN600管路。并增設(shè)DN600蝶閥、孔板流量計(jì)，部分管道支架利舊?？紤]到低壓氮?dú)饬鲃?dòng)阻力損失，管道盡量平直少彎頭，碰管方式采用變徑、T型三通方式(如圖2所示)。

2.出二液化冷箱低壓氮?dú)膺M(jìn)連通管網(wǎng)(并設(shè)有進(jìn)口放散)，經(jīng)循環(huán)氮壓機(jī)升壓后既可并入中壓氮?dú)夤芫W(wǎng)對外輸送，又可直接送入液化系統(tǒng)，成為原料氣循環(huán)再使用。低壓氮?dú)忾]路循環(huán)系統(tǒng)，既可降低產(chǎn)品氮?dú)獾姆派p失，又可平衡中壓氮?dú)夤芫W(wǎng)需求。

3.原二液化原料氣來自于中壓氮?dú)夤芫W(wǎng)，受管網(wǎng)壓力波動(dòng)牽制，液化站膨脹機(jī)最佳工況難以保持。故保留現(xiàn)有三萬五空分中壓管道，并增設(shè)蝶閥V14。在管網(wǎng)壓力較高時(shí)，關(guān)閉V14閥，廠區(qū)內(nèi)中壓氮?dú)饪尚纬砷]路循環(huán)。

圖2 低壓氮?dú)夤艿肋B通示意圖

3.3 冷水機(jī)組安裝

冷凍機(jī)制冷無級連續(xù)調(diào)節(jié)范圍在15%～100%，從原水冷塔水路系統(tǒng)并聯(lián)接入?？紤]到新增冷水機(jī)組及其相應(yīng)配管后，系統(tǒng)管路特性將發(fā)生變化，管路的沿程阻力損失增加。為此更換2臺(tái)節(jié)能型循環(huán)冷凍水泵，提升揚(yáng)程及流量。部分管路、閥門進(jìn)行優(yōu)化配置。

4 氮?dú)庋h(huán)壓縮利用組產(chǎn)模式(圖3)

4.1 以14 500 m3/h氮壓機(jī)作“循環(huán)壓縮”

打開二萬空分中壓氮?dú)獠⒕W(wǎng)閥V1、V2，關(guān)閉V3、V7、V8、V106。打開二液化進(jìn)口閥V4、出口閥V6、二萬氮壓機(jī)進(jìn)口閥V104、放空閥V105。啟動(dòng)二液化，低壓氮?dú)馔ㄟ^二萬機(jī)組V105閥放空。調(diào)整二液化工況至膨脹量穩(wěn)定時(shí)啟動(dòng)14 500 m3/h氮壓機(jī)實(shí)現(xiàn)氮?dú)庋h(huán)使用。

4.2 以20 000 m3/h氮壓機(jī)作“循環(huán)壓縮”

打開管網(wǎng)連通閥門V3，關(guān)閉V4、V6、V12閥門。打開二液化出口手動(dòng)閥V11、自動(dòng)放空閥V7。啟動(dòng)二液化，低壓氮?dú)馔ㄟ^二液化V7放空，調(diào)整二液化工況至膨脹量穩(wěn)定時(shí)，啟動(dòng)三萬五20 000 m3/h 氮壓機(jī)升壓送管網(wǎng)，同時(shí)二液化放空閥V7自動(dòng)關(guān)閉，二液化氮?dú)庋h(huán)使用。

4.3 廠區(qū)內(nèi)中壓氮?dú)忾]路循環(huán)

若中壓氮?dú)夤芫W(wǎng)壓力波動(dòng)較大時(shí)，可關(guān)閉V1、V2、V6、V14閥門。打開V3、V11、V13，出二萬空分機(jī)組20 000 m3/h氮?dú)饨?jīng)三萬五氮壓機(jī)升壓，直接送入二液化作原料氣。啟動(dòng)二液化，低壓氮?dú)饨?jīng)V7閥放空，調(diào)整二液化工況至膨脹量穩(wěn)定。此時(shí)，廠區(qū)內(nèi)氮?dú)庑纬砷]路循環(huán)，液化站可實(shí)現(xiàn)氮氧雙通道液化生產(chǎn)。

4.4 液化站停運(yùn)，氮壓機(jī)之間“互連互備”

如液化系統(tǒng)停運(yùn)，三萬五空分停機(jī)備用，關(guān)閉V3、V4、V106，打開連通閥V13。出二萬冷箱20 000 m3/h低壓氮?dú)馑椭寥f五氮壓機(jī)升壓并網(wǎng)。

圖3 液化站氮?dú)庋h(huán)壓縮系統(tǒng)圖

5 結(jié)論

通過連通改造，三萬五、二萬兩套制氧機(jī)和液化站，產(chǎn)品氮?dú)猱a(chǎn)能被充分釋放。整個(gè)制氧廠區(qū)內(nèi)低壓、中壓氮?dú)夤芫€互連互通，既能確保中壓氮透平膨脹機(jī)穩(wěn)定安全運(yùn)行，氮壓機(jī)之間互備更可靠，又能使制氧廠生產(chǎn)組織更靈活，氧氣放散率明顯下降。液化站已具備長周期可靠運(yùn)行的條件，通過實(shí)際運(yùn)行測算，液氧、液氮平均產(chǎn)量已分別提升至3.74 m3/h與3.22 m3/h，改造投入短期內(nèi)可全部回收。

位天時(shí)(1986)，空分助理工程師，2010年畢業(yè)于北京科技大學(xué)熱能系低溫工藝與裝置專業(yè)，現(xiàn)馬鋼氣體銷售分公司從事空分工藝技術(shù)、設(shè)備可靠性、安全標(biāo)準(zhǔn)化管理等工作。電子郵箱：2079464655@qq.com。

Practice of Tapping The Potential Utilization ofNitrogen in Oxygen Plant

WEI Tianshi，JIANG Weibing，LIU Jianghuai，HUANG Chuntao

(Gas Sales Division, Maanshan Iron & Steel Co.,Ltd., Maanshan 243000,China)

This paper introduces the design of nitrogen circulation compression process and the reform practice in the ASU plant. According to the dynamic change of the pipe network, flexible production mode. Fully explore the existing equipment to protect the potential, reduce the oxygen release rate, enhance the operation of the network economy. Increase the export capacity of liquid, while improving equipment reliability.

oxygen nitrogen liquefaction plant；cyclic nitrogen compression；nitrogen utilization；nitrogen compressor interconnection

2017-04-05

TQ116.1

B

1007-7804(2017)03-0022-05

10.3969/j.issn.1007-7804.2017.03.007