空分裝置預(yù)冷系統(tǒng)改進(jìn)及分析

曹寶喜

（中冶南方工程技術(shù)有限公司上海分公司，上海 201900）

引言

由于空分設(shè)備的進(jìn)氣溫度過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致能耗增大，空氣中含水量增大，進(jìn)而導(dǎo)致主熱交換器的熱負(fù)荷增高，整個(gè)系統(tǒng)設(shè)備工作條件惡化[1]。為了降低分子篩吸附器的進(jìn)氣溫度與含水量，在現(xiàn)代空分設(shè)備空壓機(jī)的出口端設(shè)置空氣預(yù)冷系統(tǒng)。從減少投資和運(yùn)行費(fèi)用角度考慮，在工藝流程中，常使用富余的氮?dú)猓ㄎ鄣筒糠旨兊┻M(jìn)入水冷塔，與水直接接觸，制取冷凍水[2]。在冶金企業(yè)中，制氧機(jī)的氧氮產(chǎn)量按照用戶(hù)的使用量來(lái)確定，通常為 1∶1～1.2。隨著市場(chǎng)行情的變化，對(duì)工業(yè)氣體的需求正不斷發(fā)生變化，主要體現(xiàn)在氮?dú)庑枨罅坎粩嗌仙?，而氧氣?shí)際使用較計(jì)劃減少，氧氮的使用比例已逐步超過(guò) 1∶1.2，常導(dǎo)致用戶(hù)氮?dú)馄胶饩o張。為了保證氮?dú)獾墓┬杵胶猓S持整個(gè)工廠的氧氮供應(yīng)，根據(jù)目前制氧工藝，可以通過(guò)增設(shè)冷凍機(jī)組置換去水冷塔的純氮?dú)猓黾拥獨(dú)猱a(chǎn)量的同時(shí)保證進(jìn)入空冷塔上部的冷凍水溫度。

筆者對(duì)某工廠原有預(yù)冷系統(tǒng)的改進(jìn)，在原有生產(chǎn)工況不變及氧氣產(chǎn)量不變的前提下，大幅度提高產(chǎn)品氮?dú)獾漠a(chǎn)量，同時(shí)滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)型冷凍機(jī)運(yùn)行需求。通過(guò)分析冷凍水溫度、氮?dú)饬髁康葏?shù)對(duì)工藝流程的影響，為空分設(shè)備預(yù)冷系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、設(shè)備選型及運(yùn)行提供理論基礎(chǔ)。

1 工藝流程改造方案

圖1為改造前的空氣預(yù)冷系統(tǒng)流程，來(lái)自空壓機(jī)的高溫空氣進(jìn)入空冷塔的下部，首先與常溫冷卻水在空冷塔下段直接接觸，進(jìn)行初步冷卻；再上升到上段與冷凍水進(jìn)一步熱交換，最后出空冷塔去分子篩系統(tǒng)[3]。從冷箱出來(lái)的氮?dú)猓上孪蛏洗┻^(guò)水冷卻塔的塔板或填料層。由于氮?dú)鉃楦稍餁怏w，相對(duì)于當(dāng)?shù)販囟仁遣伙柡偷模谒渌信c向下噴淋的水進(jìn)行熱質(zhì)交換過(guò)程中，有一部分水吸收大量潛熱，蒸發(fā)成水蒸汽進(jìn)入氮?dú)庵?，同時(shí)使水得到冷卻。由于進(jìn)入水冷塔的氮?dú)饬恳呀?jīng)確定，如果進(jìn)入水冷塔的冷卻水溫度較高，尤其在夏季時(shí)，經(jīng)過(guò)水冷塔預(yù)冷后的冷凍水溫度還較高，不能直接進(jìn)入空分塔，還需進(jìn)冷凍機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的冷卻方能滿(mǎn)足后續(xù)工況對(duì)空氣溫度的需求[4]。

圖1 改造前空氣預(yù)冷系統(tǒng)

由于氮?dú)庑枨罅坎粩嗌仙?，原進(jìn)入水冷塔的氮?dú)鈱⒆鳛楫a(chǎn)品氮?dú)廨敵?。此時(shí)由于沒(méi)有氮?dú)庾鳛槔湓椿虻獨(dú)饬繙p少，原進(jìn)冷凍機(jī)的冷凍水從16℃～18℃上升到 33℃，與標(biāo)準(zhǔn)型冷凍機(jī)的常規(guī)制冷工況（蒸發(fā)側(cè)進(jìn)口溫度為12℃，出口為7℃）嚴(yán)重偏離，冷凍機(jī)已經(jīng)無(wú)法運(yùn)行，因此原有的預(yù)冷系統(tǒng)需進(jìn)行一定的改進(jìn)。

圖2為改進(jìn)預(yù)冷系統(tǒng)流程，在預(yù)冷系統(tǒng)中需增加效率較高的板式換熱器作為外部換熱器進(jìn)行輔助換熱，同時(shí)設(shè)置相關(guān)的輔助制冷水循環(huán)泵，高位膨脹水箱等。

圖2 改進(jìn)空氣預(yù)冷系統(tǒng)

板式換熱器是由一系列具有一定波紋形狀的金屬片疊裝而成的一種高效換熱器。各種板片之間形成薄矩形通道，通過(guò)板片進(jìn)行熱量交換，具有換熱效率高、熱損失小、結(jié)構(gòu)緊湊輕巧、占地面積小、應(yīng)用廣泛、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。在本項(xiàng)目中板式換熱器將來(lái)自氮水塔的高溫冷凍水與來(lái)自冷凍機(jī)的低溫制冷水進(jìn)行熱交換。

膨脹水箱是收容和補(bǔ)償系統(tǒng)中水的脹縮量，亦用作系統(tǒng)供水。由膨脹水箱容納系統(tǒng)的水膨脹量，可減小系統(tǒng)因水的熱脹冷縮而造成的水壓波動(dòng)，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的安全、可靠性，當(dāng)系統(tǒng)由于某種原因漏水或系統(tǒng)降溫時(shí)，膨脹水箱水位下降，還為系統(tǒng)補(bǔ)水。膨脹水箱還可以起到穩(wěn)定系統(tǒng)的壓力和排除水在溫度變化過(guò)程中所釋放出來(lái)的空氣。一般都將膨脹水箱設(shè)在系統(tǒng)的最高點(diǎn)，接在循環(huán)水泵吸水口附近的回水干管上，保證水泵有足夠的吸入壓頭，避免汽蝕。

2 物理和數(shù)學(xué)模型分析

對(duì)冷凍機(jī)蒸發(fā)側(cè)分析，冷凍機(jī)制冷量：式中，E2——冷凍機(jī)制冷量，kW；

QE——蒸發(fā)側(cè)循環(huán)水流量，kg/s；

CPW——水的定壓比熱，kJ/kg·℃；

TE1——制冷水進(jìn)冷凍機(jī)溫度，℃；

TE2——制冷水出冷凍機(jī)溫度，℃。

對(duì)板式換熱器進(jìn)行能量守恒分析，忽略板式換熱器與環(huán)境之間的換熱，有：

式中，QW——冷凍水流量，kg/s；

TW，2——冷凍水出水冷塔的溫度，即冷凍水進(jìn)板式換熱器的溫度，℃；

TW，3——冷凍水出板式換熱器溫度，即冷凍水進(jìn)水冷塔的溫度，℃。

在水冷塔中有：

式中，QN——氮?dú)饬髁?，m3/s；

ρN——氮?dú)饷芏?，kg/m3；

TN，1——進(jìn)水冷塔的溫度，℃；

TN，2——出水冷塔的溫度，℃；

ρv——水蒸汽密度，kg/m3；

γ——水蒸汽汽化潛熱，J/kg。

由于氮?dú)獾娘@熱遠(yuǎn)小于水蒸汽的蒸發(fā)潛熱，因此可以忽略氮?dú)獾娘@熱。

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程可得，在濕飽和氮?dú)獾慕^對(duì)濕度為：

式中，Ps——蒸汽的飽和壓力，Pa；

Rg，v——蒸汽的氣體常數(shù)，J/kg·K。

同時(shí)有：

式中，QN0——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氮?dú)饬髁?，m3/s。

聯(lián)系（3）、（4）、（5）可得：

（2）+（6）有：

冷凍機(jī)能效比：

式中，W——冷凍機(jī)的額定輸入功率，kW。

所以可得：

蒸發(fā)側(cè)循環(huán)水量：

循環(huán)水泵的總軸功率：

式中，N——軸功率，kW；

H——水泵的揚(yáng)程，m；

k——富余系數(shù)，通常為10%～15%；

η——效率，通常為0.65～0.75。

從以上幾式可以看出所需冷凍機(jī)制冷量、電機(jī)功率、制冷水流量及循環(huán)水泵功率等參數(shù)與氮?dú)饬?、進(jìn)水冷塔的冷凍水的溫度成線(xiàn)性關(guān)系，隨提氮量增大（進(jìn)塔氮?dú)饬繙p少）和進(jìn)水冷塔的冷凍水的溫度升高而增大。

設(shè)計(jì)中如果把氮?dú)馊孔鳛楫a(chǎn)品輸出，因此上面幾式可簡(jiǎn)化為：

3 設(shè)備選型

考慮制氧機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行情況，在空分裝置流程參數(shù)確定后，有如下幾個(gè)參數(shù)為定值，很少發(fā)生變化：以某企業(yè) 3萬(wàn)m3/h空分為例，氮?dú)膺M(jìn)水冷塔的溫度TN，1=25℃；冷凍水流量為QW=29.17 kg/s（105 t/h），進(jìn)空冷塔的溫度為T(mén)W，3=10℃；冷凍機(jī)蒸發(fā)側(cè)進(jìn)水溫度與出水溫度標(biāo)準(zhǔn)工況ΔTE=TE1-TE2=5℃。

其他幾個(gè)參數(shù)則會(huì)隨著氣象條件、季節(jié)以及用戶(hù)需求等發(fā)生變化，如氮?dú)獾牧髁縌N，冷凍水進(jìn)水冷塔的溫度 TW，1，出水冷塔的溫度 TW，2；冷凍機(jī)蒸發(fā)側(cè)的制冷水流量為QE。

常規(guī)3萬(wàn)m3/h空分機(jī)組，除作為產(chǎn)品氮?dú)狻⒎肿雍Y再生用氣，尚有約4萬(wàn)m3/h的氮?dú)膺M(jìn)入水冷塔，可通過(guò)一定技術(shù)手段全部變?yōu)榧兊?，本例中原進(jìn)入水冷塔的全部為純氮，氮?dú)獾淖畲罂捎昧髁繛镼N0=11.11 m3/s（4萬(wàn) m3/h）；在夏季氮?dú)獬鏊渌臏囟葹門(mén)N，2=33℃；冷凍水進(jìn)水冷塔的溫度為T(mén)W，1=33 ℃。

在設(shè)備選型時(shí)，考慮氮?dú)馊孔鳛楫a(chǎn)品輸出，沒(méi)有氮?dú)膺M(jìn)入水冷塔，可得：所需冷凍機(jī)制冷量E2≈2800 kW，板式換熱器的換熱量與之相同。制冷水流量QE=483 t/h；選擇循環(huán)水泵時(shí)，還需考慮～10%的富余系數(shù)，總計(jì)約530 t/h。循環(huán)泵的揚(yáng)程與管網(wǎng)和設(shè)備運(yùn)行狀況相關(guān)，此處冷凍機(jī)10 m，板式換熱器6 m，管網(wǎng)損失6 m，另外考慮10%～15%的富余系數(shù)，總計(jì)H=24 m 。

根據(jù)以上參數(shù)，可選出合適的冷凍機(jī)組、板式換熱器以及循環(huán)水泵。

在本項(xiàng)目中根據(jù)制氧機(jī)組的空氣預(yù)冷系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、可靠性以及現(xiàn)場(chǎng)的位置，選擇了2臺(tái)額定制冷量為1400 kW的冷凍機(jī)，COP為5.1，每臺(tái)制冷機(jī)的額定輸入功率為275 kW。板式換熱器額定換熱量為2800 kW，2臺(tái)（一用一備）。制冷水泵選擇了3臺(tái)離心循環(huán)水泵（兩用一備），單臺(tái)額定流量265 t/h，揚(yáng)程24 m，所配電機(jī)功率37 kW。膨脹水箱采用不銹鋼沖壓焊接水箱，有效容積為1 m3。

改造后2臺(tái)冷凍機(jī)可同時(shí)使用，也可單臺(tái)使用。在正常氣體工況下（或冬季運(yùn)行）只開(kāi)1臺(tái)冷凍機(jī)，滿(mǎn)足制氧機(jī)組正常氣體工況下的要求；需要提取大量氮?dú)猓ㄌ貏e是在夏季）時(shí)，2臺(tái)冷凍機(jī)同時(shí)開(kāi)啟。在夏季時(shí)，提取全部4萬(wàn)m3/h的氮?dú)夂?，進(jìn)空冷塔的水溫可維持在10℃左右，達(dá)到了改造目標(biāo)。

4 結(jié)論

通過(guò)在空分裝置預(yù)冷系統(tǒng)中增設(shè)冷凍機(jī)組，及輔助換熱設(shè)施，可在氧氣產(chǎn)量不變的條件下，將至水冷塔的氮?dú)庵脫Q出來(lái)，大幅度增加氮?dú)猱a(chǎn)量，降低分子篩的進(jìn)氣溫度，保證空分設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。隨著冶金行業(yè)的高附加值產(chǎn)品的不斷開(kāi)發(fā)和產(chǎn)能提高，所帶來(lái)的產(chǎn)能提高和節(jié)能效益，具有較高的推廣價(jià)值和應(yīng)用前景。

膨脹水箱可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，安全性，是不可缺少的重要組成部分。 所需冷凍機(jī)制冷量、電機(jī)功率、制冷水流量、冷凍機(jī)冷卻水流量等參數(shù)均隨提氮量增大而增大，隨進(jìn)水冷塔的冷凍水的溫度升高而升高。

收稿日期：2018－06－12