大型空分設備設計及安裝質量控制

余劍鋒

安徽萬緯工程管理有限責任公司　（安徽　安慶　246001）

大型空分設備是石油化工工程建設廣泛使用的關鍵設備，為生產(chǎn)流程提供氧氣、氮氣和氬氣。中國石化某石油化工工程大型空分設備規(guī)模為產(chǎn)氧能力328 000 m3/h，產(chǎn)氮能力148 000 m3/h，產(chǎn)液氮能力4 000 m3/h。整套裝置包括4套產(chǎn)氧能力82 000 m3/h的空分單元，每套單元由空氣壓縮、空氣預冷、空氣凈化、膨脹制冷、冷箱及分餾等系統(tǒng)組成。生產(chǎn)工藝為空氣壓縮、空氣循環(huán)、氮水預冷、分子篩前端空氣凈化、中壓空氣膨脹、液氧液氮內(nèi)壓縮、雙級精餾的深冷工藝，引進國外某液化空氣公司的氮水預冷、分子篩前端空氣凈化、帶增壓透平膨脹機和液體膨脹機的液氧、液氮泵內(nèi)壓縮的空分技術，配置空壓機、增壓機及汽輪機機組、冷箱等空分設備。

1　工作原理

空氣經(jīng)空氣過濾器被去除灰塵和其他雜質后，經(jīng)過多級離心主空壓機壓縮，進入冷卻塔清洗冷卻后，送至吸附器去除H2O、CO2和碳氫化合物等雜質，得到凈化空氣。

凈化空氣一部分直接進入冷箱主換熱器與返流產(chǎn)品進行熱交換冷卻至接近露點，然后進入中壓塔底部作首次分離；另一部分凈化空氣經(jīng)增壓機壓縮后，其中一部分送入透平膨脹機的增壓端增壓后送入冷箱，在冷箱的主換熱器中與高壓氧、氮換熱被液化，然后經(jīng)過液體膨脹機膨脹進入中壓塔和低壓塔，剩余部分增壓空氣在主換熱器中冷卻后被抽出，然后經(jīng)透平膨脹機膨脹端膨脹后送入中壓塔，在塔中從上到下分別得到液氮產(chǎn)品、污氮回流液和富氧液空，從低壓塔底部得到液氧產(chǎn)品，從頂部得到污氮，

2　設備設計與選型

2.1　關鍵設備設計

采用低溫精餾技術的大型空分設備[1]，最關鍵的靜設備是精餾塔，它是整個空分設備的核心靜設備。本空分設備的精餾塔采用低壓塔和中壓塔雙級精餾，二者均設計為填料塔，既減少投資，又降低能耗。

空分設備的壓縮機機組（空氣壓縮機、增壓機及蒸汽透平）是最關鍵的動設備，它的設計關系到整個空分設備運行的穩(wěn)定性及可靠性。因本裝置是大型空分設備，選擇了進口壓縮機機組，進口壓縮機機組的高穩(wěn)定性和低能耗對大型空分設備的運行和節(jié)能降耗是至關重要的。

2.2　低溫材料選擇

本空分設備冷箱內(nèi)低溫設備的設計溫度為-196℃，屬于深冷設備。低溫設備的材料選擇鋁鎂合金或不銹鋼，其中板式換熱器材料選擇鋁鎂合金，其余設備材料均為不銹鋼。

2.3　設備配置和選型

空分設備的設備類型、數(shù)量及選型[2]見表1。

表1　空分設備的設備類型、數(shù)量和選型　/臺

表1中靜設備主要包括換熱器、空氣過濾器、消聲器、塔器等，冷箱系統(tǒng)的高壓板式換熱器選擇進口產(chǎn)品?？绽渌捎弥苯咏佑|式，充分利用冷卻水的汽化潛熱，以提高換熱效率，降低水耗；中壓塔和低壓塔采用規(guī)整填料塔，以降低全塔阻力，降低空壓機的排壓；空氣純化系統(tǒng)采用立式徑向雙層床吸附器，全面凈化空氣，減少系統(tǒng)阻力，減小設備占地面積。

動設備主要由空冷器、機泵、壓縮機、膨脹機等設備組成，空冷器采用變頻風機，節(jié)約能耗。

2.4　超大型設備及規(guī)格

由于本空分設備屬于大型空分設備，設備尺寸較大，部分設備超出了整體運輸限制，這些設備要在現(xiàn)場組焊和組裝?？辗衷O備超大型設備及規(guī)格見表2，其中吸附器組焊和組裝后，充填氧化鋁和分子篩吸附材料。

2.5　冷箱系統(tǒng)設備設計

冷箱系統(tǒng)由主換熱器、主冷凝蒸發(fā)器、過冷器、高壓換熱器、中壓塔、低壓塔、汽液分離器、高壓液氧泵、低壓液氮泵、高壓液氮泵等設備組成。其中主要設備設計參數(shù)見表3。

表2　空分設備超大型設備及規(guī)格

表3　冷箱系統(tǒng)主要設備設計參數(shù)

冷箱系統(tǒng)主換熱器和高壓換熱器采用板翅式換熱器，以減小換熱溫差，降低傳熱的不可逆性和能耗；液氧、液氮低溫液體泵均采用變頻調(diào)節(jié)，在增加可操作性的同時，有效地降低電耗；大功率液氧泵采用兩開一備設置，與兩開兩備相比，減少設備投資。

2.6　空氣壓縮機機組設備選型及技術參數(shù)

空氣壓縮機機組是高能耗設備，其性能和效率直接影響空分設備的運行和能耗。在設備選型中注重設備的安全可靠和節(jié)能降耗性能。

2.6.1空氣過濾器

空氣過濾器4臺，選用自潔式空氣過濾器，能自動根據(jù)設定壓差自潔，以保證空壓機吸入量和空氣質量。同時過濾器的能力按照200%的空壓機的能力設計，以減少正常操作壓差，降低能耗。

2.6.2空氣壓縮機

空氣壓縮機4臺，選用蒸汽透平驅動多級離心壓縮機。技術參數(shù)為：流量400 677 Nm3/h，過濾器前進口壓力0.086 1 MPa，進口溫度22.5℃，相對濕度59%，出口止回閥后壓力0.53 MPa；冷卻水進口設計溫度30℃，最大出口溫度40℃，總流量1 810 m3/h；壓縮機葉輪數(shù)3個，中間冷卻器2臺，軸功率30 941 kW。

2.6.3空氣增壓機

空氣增壓機4臺，選用蒸汽透平驅動多級離心增壓機，采用整體齒輪式機型，比單軸機型提高壓縮效率約10%。技術參數(shù)為：流量216 800 Nm3/h，進口壓力0.51 MPa，進口溫度21.5℃；出口壓力5.0 MPa，出口溫度40℃；冷卻水進口設計溫度30℃，最大出口溫度40℃，總流量1 225 m3/h；壓縮機葉輪數(shù)4個，中間冷卻器3臺，后冷卻器1臺，軸功率18 600 kW。

2.6.4蒸汽輪機

蒸汽輪機4臺，選用空冷全凝式蒸汽輪機，全凝式透平比抽凝式透平的效率提高約8%；采用11.0 MPa高壓蒸汽驅動，以提高高位能源的利用率，節(jié)約能耗；凝汽系統(tǒng)采用大型空冷器代替水冷器，節(jié)約用水。技術參數(shù)為：蒸汽流量162.2 t/h，進汽溫度535℃，進汽壓力11.0 MPa。

2.6.5液體膨脹機

液體膨脹機4臺，選用帶制動發(fā)電機的液體膨脹機，以代替高壓液空節(jié)流閥，以等熵膨脹代替節(jié)流膨脹，效率增加約2%。技術參數(shù)為：進口壓力7.2 MPa，進口溫度-174℃；出口壓力0.6 MPa，出口溫度-177℃。

3　設備安裝質量控制

3.1　空氣壓縮機機組安裝及試車

3.1.1機組初找正和精對中

空氣壓縮機機組安裝就位后進行初找正。先對機組整體橫向水平度、縱向水平度進行找正；找正后檢查地腳螺栓，其光桿部分應無油污和氧化皮，螺栓應垂直無歪斜；再進行墊鐵組檢查，其表面清潔度、位置、間距、層數(shù)等要符合標準規(guī)范和設計要求[3]。

機組精對中。對機組的徑向位移、軸向位移、端面間隙、墊鐵組的松緊度等進行調(diào)整和檢查，直至各項技術參數(shù)符合機組安裝說明書中的要求。

3.1.2油、水系統(tǒng)安裝

油系統(tǒng)中的管道焊接采用氬弧焊打底，管道安裝標高、間距、坡度要符合設計圖紙要求。安裝完后，進行潤滑油、密封油系統(tǒng)的沖洗和水系統(tǒng)的沖洗檢查和確認，并檢查油箱的清潔度。

3.1.3管道與機組連接

與機組相關的管道與其連接時，管道焊口盡量遠離機組，以減小焊接應力的影響；配對法蘭面自由狀態(tài)下法蘭平行度、徑向位移符合機組安裝標準規(guī)范和設計文件要求；法蘭面的間距，以能順利插入墊片的最小間距為宜；管道與機組連接后進行徑向位移檢查。

3.1.4機組試車

機組試車注重檢查和確認以下試車情況：①檢查機組軸承溫升、軸承振動、軸位移值[4]；②檢查油箱油面的高度和機組各部位的供油、潤滑油的壓力和溫度、水系統(tǒng)的溫度和壓力等狀況；③檢查管道有無漏氣、漏水、漏油現(xiàn)象，軸承密封有無泄漏現(xiàn)象；④檢查電氣、儀表、自控保護裝置運行狀況；⑤檢查機組入口及出口的壓力和溫度、冷凝系統(tǒng)的真空度。

3.2　換熱器安裝

換熱器的管道為鋁鎂合金或不銹鋼材質，安裝時要注意管道連接和焊接質量控制，盡量減小焊接處的局部應力，嚴格按照標準規(guī)范和設計要求進行安裝[5-6]。換熱器的管線介質主要為高氧氣體，因此對管線內(nèi)部清潔度要求極高，所有管道、管件、閥門安裝前必須經(jīng)過酸洗、脫脂、清洗，清洗干凈的管道、配件必須用塑料布將管口封閉，嚴禁臟物進入。管工配管、對口時必須戴干凈、無油污手套，焊接前焊絲必須經(jīng)過脫脂處理以去除焊絲上的浮銹和油污，并在自然條件下風干。換熱器安裝質量控制見表4。

表4　換熱器安裝質量控制

4　結束語

1）本空分設備設計中注重設備的安全穩(wěn)定運行和節(jié)能降耗性能[7]，冷箱系統(tǒng)采用低壓和中壓填料塔雙級精餾，提高了精餾效率；采用板式換熱器，降低了冷箱系統(tǒng)能耗，且運行穩(wěn)定可靠。

2）壓縮機機組的空氣過濾器選用自潔式空氣過濾器，空氣增壓機選用整體齒輪式機型，蒸汽輪機選用空冷全凝式蒸汽輪機，且采用11.0 MPa高壓蒸汽驅動，降低了壓縮機機組能耗，保證了機組安全穩(wěn)定運行。

3）在設備安裝中注重壓縮機機組和換熱器的安裝質量，使本空分設備開車一次成功，生產(chǎn)出合格的氣、液產(chǎn)品。

參考文獻：

[1]徐建平.大型空分設備國產(chǎn)化現(xiàn)狀與展望[J].通用機械,2016（8）：15-18.

[2]中國石油化工集團公司物資裝備部.重要石化設備監(jiān)造大綱[M].北京：中國石化出版社,2010.

[3]住房與城鄉(xiāng)建設部、國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局.壓縮機、風機、泵安裝工程施工及驗收通用規(guī)范：GB 50275—2010[S].北京：中國計劃出版社,2010.

[4]方紫咪.空氣壓縮機軸位移升高故障分析及處理[J].大氮肥,2017,40（2）：106-110.

[5]蘇紅霞.空分裝置換熱器開孔接管開裂失效事故的應力分析[J].化工設備與管道,2013,50（6）：79-80.

[6]袁昭,徐學利,張驍勇.大型焊接工程結構施工過程中的焊接質量控制[J].石油工業(yè)技術監(jiān)督,2012,28（12）：25-27.

[7]潘明,許峰杰,徐華珍.空分設備的節(jié)能降耗綜述[J].通用機械,2016（3）：61-63.