空分裝置夏季空分氣量不足的影響及改造措施

楊飛

摘要：為了保證各裝置滿負荷運行的用氣需求，使整套系統(tǒng)產(chǎn)生最大的經(jīng)濟效益，我們對空分裝置進行了一系列的改造。

關(guān)鍵詞：空分系統(tǒng);空氣量;措施;效益

1 裝置概況

河南煤業(yè)化工集團中原大化公司空分裝置采用杭州制氧股份有限公司設(shè)計制造的KDON-52000/61100型空分裝置 。設(shè)計氧氣產(chǎn)量52000Nm3/h（純度99.6%），氮氣產(chǎn)量61100 Nm3/h（含氧量10ppm），氬氣產(chǎn)量1600 Nm3/h（含氧量1ppm含氮量2ppm）。該空分裝置采用離心式空氣壓縮、常溫分子篩凈化、增壓透平膨脹機、填料型上塔、全精餾無氫制氬、液氧（氮）泵增壓的內(nèi)壓縮工藝技術(shù)。系統(tǒng)控制采用先進的DCS微機控制技術(shù)。

配套的空壓機組由沈陽鼓風機廠設(shè)計制造，單套的膨脹機組和兩臺液氧泵、兩臺液氮泵、兩臺液氬泵及一臺事故液氮泵均由法國CRYOSTAR原裝進口。冷箱外圍設(shè)備、管線由中國五環(huán)科技股份有限公司設(shè)計，由中石化四公司負責現(xiàn)場安裝。

整套空分裝置包裹下列各系統(tǒng)：01：空氣預冷系統(tǒng)（KLT27）;02：分子篩純化系統(tǒng)（KJT27）;03：增壓透平膨脹機組（PZYZ192）;04：高低壓板式換熱器系統(tǒng)，05：精餾系統(tǒng);06：氬系統(tǒng);07：液氧貯槽系統(tǒng)（ZO1321A）;08：液氮貯槽系統(tǒng)（ZN133）;09：液氬貯槽系統(tǒng)（ZA122R）等。

2 存在的問題及原因分析

本套裝置按照原始的設(shè)計要求所產(chǎn)的氧氣和氮氣能夠滿足氣化和甲醇的滿負荷運行，但是隨著后系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈的不斷延伸（乙二醇裝置投用），使用氣總量快速上漲，大大超出了系統(tǒng)的承載能力，因空氣量不足間接的引發(fā)了數(shù)起事故，嚴重制約了裝置的長滿優(yōu)運行。

2.1 空氣量不足導致氧純度下降的事故

2017年5月10日，當天空氣溫度高、濕度大，從空壓機高壓缸抽取的儀表風和工廠風外送量較大，最高達到18000Nm3/h，遠超設(shè)計值的5000 Nm3/h，致使高壓氣壓力僅有5.56MPa，遠低于設(shè)計的6.96MPa，主冷液位逐漸開始不好維持，19時18分氬系統(tǒng)出現(xiàn)氮塞現(xiàn)象，操作人員緊急干預但氬系統(tǒng)氮塞現(xiàn)象并未好轉(zhuǎn)，且氧純度開始急劇下降，氣化爐工況出現(xiàn)大幅波動，后系統(tǒng)被迫降負荷，一天后氧氣純度恢復正常，氣化爐氧負荷提升至100%，系統(tǒng)全面恢復正常。

2.2 空氣量不足導致系統(tǒng)降負荷

2017年8月3日，當天外界氣溫較高，13時20分操作人員發(fā)現(xiàn)主冷液位持續(xù)緩慢下降，就立即對系統(tǒng)進行優(yōu)化，并且緩慢將粗氬Ⅱ塔底部液位打至主冷以減緩主冷下降的速度，19時50分純化系統(tǒng)充壓后，主冷液位最低降至2100mm，為避免液氧液位過低造成聯(lián)鎖停車，氣化降負荷至96%，同時減少外送的工廠風和高壓氮氣的量，系統(tǒng)于次日才恢復正常。

2.3 事故的原因分析

夏季，空氣密度低、濕度大，額定轉(zhuǎn)速下空壓機打氣量不足，致使低壓、中壓、高壓空氣壓力與設(shè)計值相差較大;中壓空氣壓力下降使膨脹機的制冷量下降，總制冷量不足會造成主冷液氧液位的下降;高壓空氣壓力下降使節(jié)流制冷的效果下降，下塔氣液混合物中氣體較多，進上塔液空量減少，從而導致上塔氣化率較大，氧不容易洗滌下來，在氧抽取量不變的情況下，勢必會影響到主冷液氧液位;精餾塔工況的異常容易使氬系統(tǒng)出現(xiàn)氮塞，甚至是氬系統(tǒng)整體的被迫停運，上塔中的氬無法提取，直接導致氧氣純度的下降;根據(jù)物料平衡的原則，加工空氣量不足，必然造成氧氣、氮氣產(chǎn)品的減少，肯定無法滿足后系統(tǒng)的滿負荷運行。

上述兩起事故充分暴露了加工空氣量不足對空分系統(tǒng)穩(wěn)定運行的嚴重影響。

3 主要改造

為了保證各分廠滿負荷運行的用氣需求，使整套系統(tǒng)產(chǎn)生最大的經(jīng)濟效益，我們對空分裝置進行了一系列的改造。

3.1 倒灌液氧

倒灌液氧是一種常用的能迅速提升主冷凝蒸發(fā)器液氧液位的方法。在裝置開車階段，為了縮短開車時間往往采用這種手段。但是，在正常生產(chǎn)中如果直接采用這種方法，很容易造成液氧液位的大幅波動，進而影響到主塔的精餾工況，造成產(chǎn)品純度的下降。

因此，采用了新的方案來進行操作。將粗氬Ⅱ塔底部排液導淋割開，與氧儲槽泵的出口相連，使氧儲槽與粗氬Ⅱ塔相通，啟動氧儲槽泵后，首先將液氧打至粗氬Ⅱ塔底部儲存起來，這樣可以時刻保證粗氬Ⅱ塔底部有較高的液位。一旦主冷液氧液位出現(xiàn)下降時，就可以通過操作氬泵轉(zhuǎn)速及出口閥位來控制回主冷凝蒸發(fā)器的液體量，既保證了液氧液位的穩(wěn)定又不會造成主塔精餾工況的異常。

采用這種方法，避免了只有在主冷液氧液位較低時才能倒灌液氧的弊端，提升了系統(tǒng)的抗風險能力。同時，從氬系統(tǒng)進入到主冷的液氧，參與了系統(tǒng)的精餾，使氧氮產(chǎn)品的純度都有了提高。

3.2 改造工廠風管線

全廠所用的工廠風和儀表風都來自于空壓機高壓缸，原設(shè)計是在空壓機高壓缸一段出口抽取5000Nm3/h氣體作為全廠的儀表風和工廠風，但是隨著后系統(tǒng)用氣量的不斷增加，最高時抽取量達到18000Nm3/h，造成高壓氣壓力下降較多。為了保證高壓氣的節(jié)流效果，只能通過提高機組轉(zhuǎn)速來解決。而提高轉(zhuǎn)速又容易造成低壓氣超壓，必須通過關(guān)小機組進口導葉來降低低壓氣壓力，這樣做使整個機組的能耗迅速增加。

所以要根據(jù)儀表風和工廠風的特點來進行改造，兩者的區(qū)別在于儀表風的總用量變化不大，關(guān)鍵要求是氣源壓力穩(wěn)定。而工廠風平時多用于吹掃、置換裝置，用量較大且不穩(wěn)定，對壓力的要求不高。

因此，依舊在空壓機高壓缸一段出口抽取儀表風，工廠風則從其它地方抽取。在分子篩出口管線上帶壓開兩個DN200的孔，其中一根管線由閘閥控制直接與工廠風管線相連，另一根管線由調(diào)節(jié)閥控制與工廠風管線相連，將分子篩后凈化過的低壓氣作為工廠風。這樣做不僅使高壓氣的壓力得到了很大提升，而且工廠風的大量使用，也解決了機組提轉(zhuǎn)速時低壓氣容易超壓的問題。

3.3 新加一臺空壓機

一系列的改造雖然解決了后系統(tǒng)滿負荷用氣的需求，但是在夏季空分裝置由于受制于總氣量及冷量的不足，不能夠生產(chǎn)液氮、液氬等副產(chǎn)品。而夏季幾個月中副產(chǎn)品的價格往往處于全年的高位，利潤空間巨大，為了創(chuàng)造更多的經(jīng)濟效益，添加了一臺小型空壓機。

新加空壓機出口與空冷塔進口管線相連，使這部分氣體經(jīng)過空氣預冷系統(tǒng)，一方面可以進一步降低這部分空氣的溫度，減少氣體的含水量，另一方面，還可以除去機械雜質(zhì)及能溶于水中的NO2、SO2等對分子篩有毒害作用的物質(zhì)，同時，這部分氣體經(jīng)過空冷塔后再進入分子篩系統(tǒng)，也減少了對分子篩的沖擊。

改造需要注意的問題：充分評估增加的氣量對空冷系統(tǒng)和分子篩系統(tǒng)的影響，特別注意分子篩出口二氧化碳分析的變化情況，不要超過分子篩的承載能力;啟動新加空壓機向系統(tǒng)進氣時一定要緩慢，密切關(guān)注空冷塔壓差的變化，避免進氣速度過快夾帶水分，造成分子篩帶水;新加空壓機向系統(tǒng)進氣時，要密切監(jiān)護低壓氣壓力，避免超壓;新加空壓機出口管線要設(shè)置止回閥，避免機組停運時，空冷塔內(nèi)氣體倒流至機組;新加空壓機運行過程中一旦發(fā)生停車，要及時調(diào)整系統(tǒng)工況，查明原因，盡快啟動。

4 改造后的效果

經(jīng)過改造，本套空分裝置在外界氣溫較高時也能正常運行，再也沒有出現(xiàn)因主冷液氧液面過低而使后系統(tǒng)減負荷的現(xiàn)象，困擾空分氣量不足的問題得到了徹底地解決，使整套裝置的抗風險能力得到了明顯的提升。

從表中可以發(fā)現(xiàn)，改造前，在循環(huán)水溫度30℃時，高壓氣的壓力基本上在6.5 MPa，經(jīng)過工廠風和新加空壓機的改造后，空壓機高壓缸一段出口的抽取量降到了3000Nm3/h，即使循環(huán)水溫度上升到35℃，高壓氣壓力還能維持在6.6MPa，使高壓空氣的節(jié)流制冷效果大大提升，最為明顯的是，在保證主冷液氧液位較高的情況下，投用了精氬系統(tǒng)，日產(chǎn)液氬30噸以上。

5 效益分析

本次改造共投入費用花費30萬元/年（租賃的），管線配置和電纜線及其他費用大約20萬元。改造后空分每天多產(chǎn)液氬在30噸左右，按照夏季液氬平均價格為1500元/噸，每天收入為4.5萬元，除去新加空壓機每天耗電花費的1萬元，凈利潤為3.5萬元，按照每年夏季運行四個月計算，直接增加收益約為540萬元。同時，改造工廠風后，產(chǎn)氧量相同的情況下能使空壓機的轉(zhuǎn)速降低20轉(zhuǎn)，每小時節(jié)約蒸汽2噸，按照每噸高壓蒸汽180元計算，估計節(jié)約103.6萬元。

6 總結(jié)

倒灌液氧雖然能滿足后系統(tǒng)滿負荷運行，核算后能夠產(chǎn)生一定的經(jīng)濟效益，但是根據(jù)近幾年夏季低溫液體的行情判斷，價格往往會有較大上漲，致使倒灌液氧成本較高，降低了裝置整體的盈利能力，因此，僅將倒灌液氧作為一個應急方法。

對比倒灌液氧和新加空壓機，倒灌液氧雖然效果顯著，但不具有連續(xù)性，空壓機雖然一次性投入相對較大，但配合改造后的工廠風管線使用，經(jīng)濟效益可觀。

總之，改造后徹底解決了系統(tǒng)空氣量不足的問題，不僅使整套裝置運行更加穩(wěn)定，又生產(chǎn)出了大量副產(chǎn)品，還可以避免后系統(tǒng)降負荷，增加了企業(yè)的經(jīng)濟效益，同時也為其它單位空分裝置的改造提供了參考。