22000m3／h空分裝置安全排液加溫及節(jié)能分析

蘇禮勇，周 程

（靖遠(yuǎn)煤業(yè)集團(tuán)劉化化工有限公司，甘肅白銀 730900）

0 引 言

我國(guó)是能源消費(fèi)大國(guó)，能源消費(fèi)約占全球能源消費(fèi)總量的23%，但能源利用效率卻僅約33%，比發(fā)達(dá)國(guó)家低約10%，差距明顯。國(guó)家在“十三五”提出“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開(kāi)放、共享”的發(fā)展理念，以開(kāi)源、節(jié)流、減排為重點(diǎn)，將著力提高能源使用效率列為國(guó)家能源發(fā)展戰(zhàn)略。石化產(chǎn)業(yè)所涉及的工業(yè)氣體主要有壓縮空氣、氧氣、氮?dú)?、氬氣等，而空分裝置是產(chǎn)業(yè)鏈中最大的耗能者，在我國(guó)，合成氣的生產(chǎn)成本中制氧（氧氣）成本占比達(dá)30%以上，高出發(fā)達(dá)國(guó)家約30%，我國(guó)工業(yè)氣體領(lǐng)域的節(jié)能還有較大的提升空間。

近幾年來(lái)，靖遠(yuǎn)煤業(yè)甘肅劉化（集團(tuán)）有限責(zé)任公司（簡(jiǎn)稱甘肅劉化）對(duì)其園區(qū)空分裝置從技術(shù)優(yōu)化改造和加強(qiáng)基礎(chǔ)管理兩個(gè)方面開(kāi)展降本工作。

（1）大力推行操作技術(shù)創(chuàng)新和“小改小革”合理化建議活動(dòng)，研究開(kāi)發(fā)了系列節(jié)能新措施，主要成果有22000m3／h空分裝置啟動(dòng)操作全過(guò)程優(yōu)化、氬精餾系統(tǒng)臨時(shí)停車后冷態(tài)投氬8h內(nèi)產(chǎn)品合格的操作實(shí)踐（冷態(tài)投氬指氬精餾系統(tǒng)臨時(shí)停車后進(jìn)行冷凍操作、積液調(diào)純、產(chǎn)品合格的歷程，用時(shí)一般在36h；通過(guò)技術(shù)探索、優(yōu)化工藝操作步驟，抓住投氬操作的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，8h內(nèi)就能順利產(chǎn)出產(chǎn)品）、氬產(chǎn)量達(dá)標(biāo)達(dá)產(chǎn)工況考核、增壓機(jī)級(jí)間氣體冷卻器在線酸洗及上水／回水管線改造、水冷塔進(jìn)水系統(tǒng)優(yōu)化改造、分子篩純化器配套蒸汽加熱器泄漏分析及處理、200m3液氬貯槽防污染措施落實(shí)等。

（2）在基礎(chǔ)管理中創(chuàng)新管理思維，全面落實(shí)崗位責(zé)任制，對(duì)關(guān)鍵設(shè)備、崗位實(shí)行工作票制度，深入推進(jìn)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化、精細(xì)化管理，尤其是在空分裝置生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)、液體產(chǎn)品充裝區(qū)域、壓縮廠房空壓崗位等巡檢崗位，全面推行節(jié)能降耗的勞動(dòng)競(jìng)賽機(jī)制和標(biāo)準(zhǔn)化操作（如設(shè)定了空分裝置啟動(dòng)達(dá)標(biāo)時(shí)間跟蹤、氬精餾系統(tǒng)啟動(dòng)達(dá)標(biāo)、停車排液加溫模式的對(duì)標(biāo)管理，推行機(jī)電化儀多工種聯(lián)合巡檢的生產(chǎn)管理機(jī)制），解放思想、轉(zhuǎn)變思路，為甘肅劉化渡危求存、轉(zhuǎn)型發(fā)展進(jìn)程中在技術(shù)創(chuàng)新、人才培養(yǎng)、規(guī)范運(yùn)作、精細(xì)管理等方面打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 22000m3／h空分裝置及其排液加溫簡(jiǎn)況

空分裝置停車時(shí)，甘肅劉化原通常采用帶壓（空壓機(jī)在線）排液加溫操作，其缺點(diǎn)或不足是，空分裝置上下塔不能同時(shí)排液，易發(fā)生竄壓而引發(fā)事故；液體流路排放死角多，容易出現(xiàn)汽化及噴濺現(xiàn)象，排液后要適當(dāng)靜置使得主空壓機(jī)空轉(zhuǎn)而消耗電能，液體噴射器處要有專人看守且不能動(dòng)火等。近年來(lái)，受原料天然氣冬季“限工保民”政策的影響，甘肅劉化組織生產(chǎn)負(fù)荷季節(jié)性調(diào)整，其22000m3／h空分裝置與7000 m3／h空分裝置需進(jìn)行切換，無(wú)法實(shí)現(xiàn)單套空分裝置的長(zhǎng)周期運(yùn)行。而空分裝置在低溫工況下運(yùn)行，反復(fù)加溫冷凍操作易造成設(shè)備、管線、閥門的泄漏，影響其安全性；通過(guò)對(duì)空分裝置排液加溫特殊操作過(guò)程中風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行辨識(shí)等，決定對(duì)其排液加溫操作模式進(jìn)行調(diào)整。

甘肅劉化22000m3／h空分裝置由杭州杭氧股份有限公司設(shè)計(jì)制造，采用中壓膨脹空氣進(jìn)下塔、液氧液氮雙泵內(nèi)壓縮、全精餾無(wú)氫制氬工藝（其工藝流程見(jiàn)圖1）。22000m3／h空分裝置自2012年1月8日建成投產(chǎn)以來(lái)，在其停車排液加溫吹除操作過(guò)程中，甘肅劉化生產(chǎn)部門依托已有的空壓站（空壓站是建廠初期建成投用的，多年來(lái)經(jīng)過(guò)不斷改造目前只保留原過(guò)濾干燥、貯存分配系統(tǒng)，通常作為提供工廠空氣、儀表空氣的附屬裝置，經(jīng)其壓縮的濕空氣后續(xù)經(jīng)過(guò)空冷、過(guò)濾干燥系統(tǒng)，滿足主生產(chǎn)系統(tǒng)用氣需求）、7000m3／h空分裝置分子篩純化系統(tǒng)提供的加溫吹掃氣源進(jìn)行22000m3／h空分裝置排液加溫。

圖1 22000m3／h空分裝置工藝流程框圖

空分裝置在冷箱內(nèi)低溫環(huán)境下將空氣液化后，再利用氧、氮的沸點(diǎn)不同將它們予以分離，制取氧、氮、氬產(chǎn)品。同步停車排液加溫操作是空分裝置同步積液調(diào)純啟動(dòng)操作的逆過(guò)程，雖然停車費(fèi)用不可避免，但是不同排液加溫操作模式產(chǎn)生的費(fèi)用卻大相徑庭，值得摸索與總結(jié)。通過(guò)分析22000m3／h空分裝置主空壓機(jī)在線與不在線兩種操作方法在安全停車過(guò)程中的應(yīng)用模式，經(jīng)過(guò)對(duì)裝置停車排液、靜置、加溫吹除等特殊工藝操作環(huán)節(jié)風(fēng)險(xiǎn)因素的辨識(shí)，創(chuàng)新管理思路，培育創(chuàng)新思維，制定措施付諸實(shí)踐，對(duì)標(biāo)分析實(shí)施效果，在空分裝置安全停車、節(jié)約停車費(fèi)用等方面取得了明顯的成效，具有很強(qiáng)的引領(lǐng)與示范作用。

2 空分裝置排液加溫的原因及分類

正常情況下，空分裝置經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行后，在分餾塔系統(tǒng)的低溫容器和管道內(nèi)可能產(chǎn)生冰、干冰或機(jī)械粉末的沉積，精餾塔阻力會(huì)逐步增大，因此一般空分裝置運(yùn)轉(zhuǎn)2a后需要對(duì)分餾塔系統(tǒng)進(jìn)行加溫解凍以去除這些沉積物。如果在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)熱交換器阻力和精餾塔阻力增大，導(dǎo)致氣體產(chǎn)量和純度達(dá)不到指標(biāo)要求（此種情況往往與操作維護(hù)不當(dāng)有關(guān)），就要提前對(duì)分餾塔系統(tǒng)進(jìn)行加溫解凍。

空分裝置同步加溫吹除大體可分為原始安裝吹除及裸冷啟動(dòng)加溫吹除、檢修及技改后加溫吹除、備用機(jī)組熱啟動(dòng)加溫吹除、達(dá)到運(yùn)行周期后加溫吹除、設(shè)備故障狀態(tài)加溫吹除、系統(tǒng)局部處理加溫吹除、低溫液體泵加溫吹除等幾類。加溫吹除過(guò)程中，須嚴(yán)格控制空分冷箱內(nèi)單元設(shè)備、閥門管線升溫速率在30℃／h以內(nèi)（加溫吹除初期的升溫速率控制在10℃／h左右），使空分冷箱內(nèi)高壓板式換熱器、低壓板式換熱器、氧氮精餾塔、氬精餾塔、過(guò)冷器、膨脹機(jī)、液體泵（液氧泵、液氮泵、液氬泵）、液體貯槽單元設(shè)備及工藝管線、閥門、絕熱材料珠光砂等通過(guò)徹底的加溫吹除恢復(fù)至常溫狀態(tài)；加溫結(jié)束后，要用干空氣保持系統(tǒng)處于正壓狀態(tài)，防止外界不純物質(zhì)侵入而形成污染。

3 空分裝置排液加溫的安全規(guī)則

空分裝置排液加溫之本質(zhì)安全（涵蓋運(yùn)行本質(zhì)安全、設(shè)備本質(zhì)安全、人員本質(zhì)安全、環(huán)境本質(zhì)安全、管理本質(zhì)安全），是將低溫單元設(shè)備、低溫液體特性、氧氮?dú)褰橘|(zhì)的安全特性融入到裝置加溫吹除實(shí)施過(guò)程當(dāng)中，消除風(fēng)險(xiǎn)和危害，預(yù)防事故，避免產(chǎn)生嚴(yán)重的后果，如此可以使應(yīng)急準(zhǔn)備工作更有針對(duì)性和實(shí)效性。

眾所周知，氧、氮可以以任意比例混合，構(gòu)成不同濃度的氣體混合物及溶液，若把氧、氮溶液置于一封閉容器內(nèi)，在溶液上方也會(huì)產(chǎn)生其蒸氣，即為氧、氮蒸氣組成的氣態(tài)混合物?？辗盅b置排液時(shí)，附近的空氣中有異常富氧風(fēng)險(xiǎn)、火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，冷箱內(nèi)有低溫凍傷的風(fēng)險(xiǎn)，在加溫設(shè)備周邊有氮?dú)?、氬氣窒息的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)于分子篩等受限空間存在氮?dú)饴┤氲娘L(fēng)險(xiǎn)，有加溫超壓爆炸的風(fēng)險(xiǎn)、加溫過(guò)程中設(shè)備和管線熱脹冷縮拉裂的風(fēng)險(xiǎn)，因此須落實(shí)排液加溫操作中的各項(xiàng)安全措施：人員進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)均須穿戴好勞保用品，如安全帽、防護(hù)鞋、耳塞、工作服、防護(hù)面罩、安全眼鏡；在使用氮?dú)饧訙貢r(shí)，防止氮?dú)庵舷⒌奈ｋU(xiǎn)；加溫設(shè)備所在的密閉空間，如需進(jìn)人，必須辦理受限空間作業(yè)票證、增設(shè)通風(fēng)設(shè)備，以防止氮?dú)飧患?，作業(yè)過(guò)程中須有專人監(jiān)護(hù)；要防止高空墜落及低溫凍傷。

4 空分裝置排液加溫操作步驟及注意事項(xiàng)

據(jù)空分裝置操作技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，裝置開(kāi)車前（不包括臨時(shí)停車后的重啟）須進(jìn)行全系統(tǒng)的吹除，其目的是清除裝置內(nèi)可能存在的灰塵以及水分等雜質(zhì)。熱態(tài)下的全面加溫包括加溫和吹除兩步，而冷態(tài)下的全面加溫由停機(jī)→排液→靜置→冷吹加溫→系統(tǒng)吹除等步驟組成。加溫完成標(biāo)準(zhǔn)為加溫氣出口處溫度大于0℃且時(shí)間大于2h、露點(diǎn)低于-60℃，當(dāng)各加溫氣出口溫度基本接近進(jìn)口溫度時(shí)，全系統(tǒng)加溫即告結(jié)束。每一只吹除閥均應(yīng)得到吹除，當(dāng)所有吹除氣體的出口潔凈且達(dá)到露點(diǎn)要求時(shí)，即氣體中含水量＜1mg／L時(shí)，吹除即告結(jié)束。排液加溫操作中的注意事項(xiàng)如下。

（1）排液加溫前必須做好全面的準(zhǔn)備工作及安全防護(hù)措施，液體必須排放至排放槽內(nèi)或由蒸氣抽射器引射，不得直接向周邊環(huán)境排放。排液過(guò)程中由于排液的次序，存在液體倒灌的風(fēng)險(xiǎn)，因此每一部位排完液后應(yīng)立即將排液閥關(guān)閉，加溫到每一個(gè)容器時(shí)，要將與容器底部及與容器相連的主管道的低點(diǎn)排放閥打開(kāi)。

（2）雖然空分裝置已進(jìn)行了排液，但是主冷凝器、下塔、粗氬冷凝器、高壓板式換熱器氧氮通道、液氧液氮液空兩相流管道等還存有一些死角，死角處積存的液體沒(méi)有排出，因此22000 m3／h空分裝置排液后一般需要靜置24h，靜置的目的是將塔盤(pán)、填料間的低溫液體盡量從塔底排出、讓塔板上的液體全部汽化，若排液不徹底，加溫空氣進(jìn)入冷箱后會(huì)加速液體汽化，局部壓力瞬間升高，液體大量汽化而致超壓，造成設(shè)備損壞，嚴(yán)重時(shí)有發(fā)生冷箱物理爆炸的可能；液體排完后需有一個(gè)塔器溫度自然回升的過(guò)程（不能讓其溫度迅速回升），使材料的應(yīng)力變化不大，與其他管道的溫度同步回升。

（3）加溫時(shí)，加溫氣的流向要始終保持從干凈的流路到未被加溫的流路，主換熱器的加溫一定要從熱端到冷端；應(yīng)盡量做到各部分溫度緩慢且均勻回升，以免由于溫差過(guò)大形成應(yīng)力而損壞設(shè)備或管道；加溫時(shí)，所有的測(cè)量、分析等檢測(cè)管線也需加溫和吹除；在空分設(shè)備冷備排液后進(jìn)行全面加溫時(shí)，須注意加溫氣量要少、速度要慢，切不可一開(kāi)始就用大氣量加溫。

（4）單元設(shè)備的加溫按照相應(yīng)操作步驟進(jìn)行，合理進(jìn)行各閥門的開(kāi)關(guān)，杜絕開(kāi)太平車，使冷箱內(nèi)溫度均勻回升——嚴(yán)禁出現(xiàn)大的溫差而造成應(yīng)力過(guò)大，繼而損壞管道及設(shè)備；加溫過(guò)程中加強(qiáng)檢查，不得遺漏或留有死角（包括任何一個(gè)引壓點(diǎn)、分析點(diǎn)），要定期到現(xiàn)場(chǎng)巡檢，防止因塔內(nèi)部件熱膨脹造成管道或部件損壞；加溫過(guò)程中，要定時(shí)檢測(cè)加溫氣出口的露點(diǎn)和溫度，依據(jù)高壓板式換熱器、低壓板式換熱器、氧氮精餾塔、氬精餾塔、過(guò)冷器、膨脹機(jī)、液體泵、液體貯槽等單元設(shè)備溫度測(cè)點(diǎn)判斷設(shè)備的加溫效果。

（5）拆卸全部的分析、引壓點(diǎn)接頭進(jìn)行吹除工作時(shí)，須在這些點(diǎn)的溫度已達(dá)0℃以上時(shí)方可進(jìn)行。

（6）排液加溫操作中，要關(guān)注冷箱的情況，特別注意消除冷箱泄漏的風(fēng)險(xiǎn)——泄漏介質(zhì)如果是液氧或氧氣，遇明火、雷電、儀表電源、低壓電源等有極大的風(fēng)險(xiǎn)；低溫液體泄漏會(huì)導(dǎo)致冷箱基礎(chǔ)溫度下降，基礎(chǔ)凍壞、冷箱板凍裂；珠光砂可能會(huì)從漏點(diǎn)部位進(jìn)入管線、精餾塔、主冷及換熱器通道內(nèi)部而造成污染和堵塞；泄漏的液體汽化或啟動(dòng)時(shí)吹入熱空氣，會(huì)引起冷箱與冷箱內(nèi)設(shè)備、管道夾層壓力急劇上漲而超壓，誤操作也會(huì)導(dǎo)致設(shè)備超壓；泄漏介質(zhì)流動(dòng)夾帶珠光砂，會(huì)因氣流擾動(dòng)而形成“氣鋸”，對(duì)附近設(shè)備管道造成沖刷和“氣割”；儀表導(dǎo)壓管泄漏，漏量大會(huì)造成儀表指示嚴(yán)重失真，危及系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行；液體漏量大而大量汽化，冷箱內(nèi)壓力會(huì)升高，嚴(yán)重時(shí)有引起砂爆的可能——液體能在珠光砂內(nèi)形成“液池”，如果裝置停車后引入空氣加溫重啟，液體會(huì)快速蒸發(fā)，致使冷箱損壞。

5 排液加溫節(jié)能模式及可節(jié)約費(fèi)用測(cè)算

22000m3／h空分裝置需要的加溫氣源由空壓機(jī)來(lái)的空氣經(jīng)空氣預(yù)冷系統(tǒng)和分子篩吸附器干燥而成，另外由空壓站供送或7000m3／h空分裝置供應(yīng)。

過(guò)去，22000m3／h空分裝置采用空壓機(jī)在線的帶壓排液加溫、靜置3～4h實(shí)施氣量分步調(diào)整的加溫吹除操作，以便將空分裝置盡早交付檢修或技改工作。近年來(lái)，通過(guò)對(duì)空分裝置排液加溫特殊操作過(guò)程中風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行辨識(shí)等，排液加溫全過(guò)程本著節(jié)約費(fèi)用、杜絕開(kāi)太平車的思想，22000m3／h空分裝置多采用空壓機(jī)離線的靜壓排液（空分裝置停車前將主塔下塔液體、粗氬Ⅱ塔底部液體全部打入主塔上塔）、靜置24h后實(shí)施最小氣量（額定）加溫吹除模式，相較于空壓機(jī)在線模式可節(jié)電。

以下對(duì)22000m3／h空分裝置空壓機(jī)在線的帶壓排液加溫之消耗進(jìn)行測(cè)算（調(diào)整空壓機(jī)負(fù)荷、加溫吹除氣體流路優(yōu)化、下塔回流閥不同工況的調(diào)整、合理調(diào)配加溫氣量、節(jié)約使用公用物料等節(jié)能舉措取得的效益暫不作統(tǒng)計(jì)），以掌握直接費(fèi)用的發(fā)生情況以及排液加溫節(jié)能模式的費(fèi)用節(jié)約情況。

5.1 節(jié)約的電費(fèi)

5.1.1 空壓機(jī)系統(tǒng)的電耗

據(jù)電機(jī)功率的計(jì)算公式P＝1.732×U×I×cos?，計(jì)算得空壓機(jī)電機(jī)功率P1＝1.732×U×I×cos?＝1.732×6000×1340×0.924÷1000＝12866.9587kW、油泵電機(jī)功率P2＝18.5kW、排煙風(fēng)機(jī)電機(jī)功率P3＝1.1kW，則合計(jì)空壓機(jī)在線模式下的排液加溫之空壓機(jī)系統(tǒng)的功率P空＝P1+ P2+ P3＝12866.9587+18.5+1.1＝12886.56kW。

5.1.2 蒸汽加熱器系統(tǒng)的電耗

1t蒸汽相當(dāng)于137kg標(biāo)煤，1kW·h電相當(dāng)于0.1229kg標(biāo)煤。分子篩再生系統(tǒng)再生時(shí)蒸汽流量Q1＝3.8t／h、分子篩再生系統(tǒng)備用時(shí)蒸汽流量Q2＝2.75t／h，即蒸汽加熱器系統(tǒng)的蒸汽消耗Q＝（Q1＋Q2）÷2＝（3.8＋2.75） ÷2＝3.275t／h，折算為蒸汽加熱器系統(tǒng)的功率P蒸＝3.275×（137÷0.1229）＝3650.73kW。

5.1.3 空氣預(yù)冷系統(tǒng)的電耗

空氣預(yù)冷系統(tǒng)有1臺(tái)大泵（功率75kW）、1臺(tái)小泵（功率55kW）、1臺(tái)冷凍機(jī) （功率71kW），則空氣預(yù)冷系統(tǒng)的功率P泵＝P大泵+P小泵+P冷凍機(jī)＝75+55+71＝201kW。

5.1.4 儀空系統(tǒng)的電耗

儀空系統(tǒng)電源由UPS供送，電器功率P儀空＝1.732×U×I×cos?＝1.732×228×6×0.9÷1000＝2.13kW。

合計(jì)空分裝置采用帶壓（空壓機(jī)在線）排液加溫模式消耗的功率P合＝P空＋P蒸＋P泵＋P儀空＝12886.56 ＋3650.73 ＋201 ＋2.13 ＝16740.42kW，按空分裝置排液加溫期間空壓機(jī)操作負(fù)荷70%、排液加溫時(shí)間36h、電價(jià)0.43元／（kW·h）計(jì)，則22000m3／h空分裝置采用排液加溫節(jié)能模式（空壓機(jī)離線）節(jié)約的電費(fèi)F1＝16740.42×70% ×36×0.43÷10000＝18.14萬(wàn)元。

5.2 節(jié)約的水費(fèi)

22000m3／h空分裝置采用帶壓（空壓機(jī)在線）排液加溫模式時(shí)，主空壓機(jī)用水量為1180＋60＝1240m3／h，預(yù)冷系統(tǒng)用水量為310＋80＝390m3／h，按排液加溫時(shí)間36h、循環(huán)水價(jià)格0.25元／m3計(jì)，空分裝置采用排液加溫節(jié)能模式（空壓機(jī)離線）節(jié)約的水費(fèi)F2＝（1240＋390）×36×0.25÷10000＝1.467萬(wàn)元。

5.3 綜合效益

綜上，22000m3／h空分裝置采用排液加溫節(jié)能模式（空壓機(jī)離線），相較于采用帶壓（空壓機(jī)在線）排液加溫模式，合計(jì)可節(jié)約停車費(fèi)用F＝F1＋F2＝18.14＋1.467＝19.607萬(wàn)元。

6 結(jié)束語(yǔ)

甘肅劉化在22000m3／h空分裝置排液加溫過(guò)程中應(yīng)用不同的操作方法，通過(guò)采取一系列的安全節(jié)能措施，合理控制冷箱內(nèi)設(shè)備的關(guān)鍵部位、閥門及管線盲點(diǎn)排液，加快操作速度，達(dá)到了空分裝置排液加溫安全控制與節(jié)能降耗的目的，整個(gè)排液加溫操作過(guò)程符合22000m3／h空分裝置操作標(biāo)準(zhǔn)要求、《深度冷凍法生產(chǎn)氧氣及相關(guān)氣體安全技術(shù)規(guī)程》（GB16912—2016）相關(guān)技術(shù)要求，可為業(yè)內(nèi)提供一些參考與借鑒。