環(huán)境因素對空分設(shè)備運(yùn)行影響的分析

王 釗，葛偉偉，劉躍康，周黎躍

(酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，甘肅 酒泉 732750)

1 前 言

KDON-400Y/400Y型空分設(shè)備投產(chǎn)運(yùn)行于某制氧車間，通過一系列的空分設(shè)備適應(yīng)性改造工作，確保了該套設(shè)備的安全運(yùn)行，且生產(chǎn)能力得到穩(wěn)步提高。但是因環(huán)境溫度升高而降低設(shè)備本身的運(yùn)行可靠性問題仍需做進(jìn)一步改進(jìn)，因此，對該套設(shè)備的運(yùn)行節(jié)點(diǎn)以及工藝流程進(jìn)行了分析，并提出具體可行的方案，確保系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。

2 空分流程簡介

制氧生產(chǎn)使用的是空分設(shè)備，其中4臺空壓機(jī)在生產(chǎn)中為用3備1，2臺膨脹機(jī)用1備1，純化器1組再生切換使用。生產(chǎn)流程為：1臺空壓機(jī)提供原料氣體，通過預(yù)冷機(jī)機(jī)組使原料氣體降溫，經(jīng)油水分離器后進(jìn)入純化器進(jìn)行干燥凈化，去除水分、二氧化碳和碳?xì)浠衔锖蟮臐崈艨諝膺M(jìn)入主換熱器，經(jīng)過熱交換溫度降至-173℃后進(jìn)入空分塔進(jìn)行精餾；冷卻原料氣體的冷量由制冷循環(huán)系統(tǒng)提供，制冷循環(huán)系統(tǒng)使用的氣體為經(jīng)過純化器凈化后的潔凈空氣，由2臺空壓機(jī)循環(huán)氣體，加壓后的潔凈空氣進(jìn)入增壓機(jī)增壓后進(jìn)入膨脹端，壓力下降，氣體對外做功，溫度下降，膨脹后的空氣溫度在-183℃左右進(jìn)入主換熱器用于冷卻原料空氣，換熱后的氣體再由空壓機(jī)壓縮提高壓力。在循環(huán)過程中，損耗的氣體用原料氣體進(jìn)行補(bǔ)充。

3 環(huán)境因素分析

通過對空分流程的簡要介紹，可以對水、電、環(huán)境溫度以及濕度、工藝流程因素等方面逐一進(jìn)行分析。

3.1 環(huán)境溫度和濕度對系統(tǒng)的影響

空分系統(tǒng)生產(chǎn)使用的原料就是普通的空氣，在正常情況下，一方面環(huán)境空氣溫度越高單位氣體的含濕量就越高，對空分設(shè)備的除濕凈化系統(tǒng)而言，負(fù)荷也就越大；另一方面空氣溫度越高，空分制冷系統(tǒng)的工作負(fù)荷也就越大，對冷卻系統(tǒng)而言，環(huán)境溫度越高，水溫越高，對設(shè)備的冷卻效果就會越差,相對于整體產(chǎn)量有所不同。冬季、夏季的環(huán)境溫度和濕度對比情況如表1、表2所示。

表1 夏季溫、濕度對比數(shù)值Table 1 Comparison value of temperature and humidity in summer

表2 冬季溫、濕度對比數(shù)值Table 2 Comparison value of temperature and humidity in winter

根據(jù)溫度與濕度對比數(shù)值分析，夏季溫度、濕度對比數(shù)值與冬季溫度、濕度對比數(shù)值相差較大，夏季大氣中水分子明顯比冬季水分子多。因同一體積空氣中水分子含量比重較大，致使同一體積空氣中相對空分需要的氣體含量減少。圖1為循環(huán)氣體壓力對比值。

圖1 循環(huán)氣體壓力對比值Fig.1 Cyclic gas pressure pair ratio

3.1.1對空壓機(jī)的影響

環(huán)境溫度對壓縮機(jī)的運(yùn)行溫度影響較大，一般情況下，環(huán)境溫度越高，壓縮空氣的溫度也就越高，壓縮空氣的熱量也就越多。以某次開機(jī)原料氣壓縮機(jī)為例，同一臺原料氣壓縮機(jī)在吸入壓力、排氣壓力、冷卻水壓力均相同的情況下，在環(huán)境溫度較高和較低兩個環(huán)境下運(yùn)轉(zhuǎn)的參數(shù)對比情況如表3所示。

表3 原料氣壓縮機(jī)不同環(huán)境下的運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)Table 3 Operating parameters of gas compressor in different environments 單位：℃

可見環(huán)境溫度越高，冷卻水的進(jìn)水溫度也就越高，壓縮機(jī)各溫度運(yùn)行參數(shù)也越高。根據(jù)操作規(guī)定，ZW-48/7-Ⅱ型空氣壓縮機(jī)一級排氣溫度不超過160℃，然而在夏季高溫時段，壓縮機(jī)在一級排氣溫度159℃長期運(yùn)轉(zhuǎn)，導(dǎo)致磨損、泄漏、氣閥損壞等故障發(fā)生率呈上升趨勢。

3.1.2對純化器的影響

空分設(shè)備純化器是采用分子篩吸附空氣中的水分、二氧化碳和碳?xì)浠衔锏入s質(zhì)。對相對濕度、溫度(<30℃)越低的氣體，分子篩的吸附能力越強(qiáng)。根據(jù)ZW-48/7-Ⅱ型空氣壓縮機(jī)換熱部件目前的性能狀況，在高溫季節(jié)運(yùn)行時，原料氣空壓機(jī)二級冷卻后溫度比較高。經(jīng)油水分離器吹除掉的水分相對較少，而更多的水分就會隨壓縮氣體進(jìn)入純化器?？諝庠诓煌瑴囟认碌乃诛柡秃咳绫?所示。

表4 空氣在不同溫度下的飽和水分含量Table 4 Saturated moisture content of air at different temperatures

溫度越高，空氣含水量就越高，純化器的運(yùn)行負(fù)荷越大，縮短其再生周期降低了對二氧化碳及碳?xì)浠衔锏入s質(zhì)的吸附效率。

3.2 系統(tǒng)流程中的影響因素分析

空分系統(tǒng)主體由空氣壓縮系統(tǒng)、空氣凈化系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、熱交換系統(tǒng)和精餾系統(tǒng)組成，從系統(tǒng)啟動到正常運(yùn)行輸出產(chǎn)品的過程中，各分系統(tǒng)之間的相互關(guān)系對空分系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，重點(diǎn)對制冷循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行分析。

3.2.1環(huán)境溫度對膨脹機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定的影響

3.2.1.1膨脹機(jī)機(jī)前溫度與制冷量的關(guān)系

當(dāng)進(jìn)、出口壓力一定時，機(jī)前溫度越高，焓降越大，也就是單位制冷量越大。但是提高膨脹機(jī)的進(jìn)口溫度，在膨脹機(jī)結(jié)構(gòu)、導(dǎo)流器開度一定的情況下，因進(jìn)膨脹機(jī)氣體的比容增大，而使流量減少，即膨脹量減少，總的制冷量增加還是減少要通過計算確定。公式(1)～(2)表明：膨脹機(jī)的進(jìn)口溫度越是高于設(shè)計溫度，實際制冷量與設(shè)計制冷量的比值越大，也就是總的制冷量增加[1]。

(1)

(2)

這表明膨脹機(jī)的高溫高焓降作用大于使膨脹量減少的反作用。因此，欲使制冷量增加，在操作中應(yīng)盡量的發(fā)揮膨脹機(jī)的高溫焓降的作用[2]。但是在啟動操作中必須使設(shè)備不斷降溫，膨脹機(jī)的進(jìn)口溫度也隨之下降，溫度無法升高。在實際操作中只能通過調(diào)節(jié)各道閥門，設(shè)法讓膨脹機(jī)在進(jìn)口溫度較高的情況下運(yùn)行時間盡可能長一些，即使進(jìn)口溫度下降慢一些，以充分發(fā)揮膨脹機(jī)高溫焓降的作用。

應(yīng)當(dāng)注意的是：機(jī)前溫度提高，膨脹后的溫度也會提高，在正常生產(chǎn)時，溫度的提高幅度是有限的，在操作時，應(yīng)在不影響工況的前提下，通過適當(dāng)提高機(jī)前溫度來達(dá)到增加單位制冷量的目的，要綜合考慮主換熱器的換熱效率和進(jìn)下塔空氣溫度，盡可能避免單純依靠增壓機(jī)旁通閥來提高機(jī)前溫度。

3.2.1.2環(huán)境濕度導(dǎo)致膨脹機(jī)堵塞的因素

冷卻原料空氣的冷量由制冷循環(huán)系統(tǒng)提供，制冷循環(huán)系統(tǒng)使用的氣體為經(jīng)過純化器凈化后的潔凈空氣，由兩臺空壓機(jī)作為循環(huán)氣體空壓機(jī)，加壓后的潔凈空氣進(jìn)入增壓機(jī)增壓后，經(jīng)主換熱器預(yù)冷溫度達(dá)-135℃左右，進(jìn)入膨脹端壓力下降，氣體對外做功，溫度下降，經(jīng)膨脹后的空氣溫度在-185℃左右進(jìn)入主換熱器用于冷卻原料空氣，換熱后的氣體再由空壓機(jī)壓縮提高壓力。在循環(huán)過程中，損耗的氣體用原料氣體進(jìn)行補(bǔ)充?？辗衷O(shè)備制冷工藝流程氣路是閉合運(yùn)行的，首先考慮原料氣體固體雜質(zhì)的影響，壓差增大是一個累積的過程，檢查更換增壓機(jī)前及膨脹機(jī)前過濾器濾芯，堵塞問題依然發(fā)生。堵塞源應(yīng)為水分和二氧化碳等有害雜質(zhì)。循環(huán)空氣主要有3處可能引入水分和二氧化碳等有害雜質(zhì)的部位：一是循環(huán)管路密封不嚴(yán)，大氣中的水分進(jìn)入循環(huán)氣；二是冷卻器微漏；三是分子篩吸附不徹底，造成有害雜質(zhì)進(jìn)入主換熱器發(fā)生堵塞。

3.2.2影響循環(huán)空氣因素的分析

循環(huán)空氣氣路是閉合運(yùn)行的，經(jīng)過啟動調(diào)整后的循環(huán)空氣量相對穩(wěn)定，經(jīng)兩臺循環(huán)空壓機(jī)壓縮后進(jìn)入增壓機(jī)，再經(jīng)過冷卻器冷卻后進(jìn)入膨脹機(jī)，空氣膨脹對外做功溫度下降成為低溫氣體，在主熱交換器熱交換后返回空壓機(jī)完成1次循環(huán)。在不考慮原料氣體影響的前提下，循環(huán)空氣主要有3處可能引入水分和二氧化碳等有害雜質(zhì)的部位，空壓機(jī)空氣過濾器由于循環(huán)空氣壓力調(diào)節(jié)或其他操作引起的一級吸入壓力波動過大可能導(dǎo)致頂蓋破裂漏氣使未經(jīng)凈化處理的空氣帶入水分和二氧化碳等雜質(zhì)，空壓機(jī)一、二級冷卻器和增壓機(jī)后冷卻器屬于水冷裝置，內(nèi)部出現(xiàn)裂縫或因銹蝕出現(xiàn)針眼都有可能將水分帶入循環(huán)空氣。引入的水分等雜質(zhì)凍結(jié)在膨脹機(jī)前過濾器等較易結(jié)霜的部位導(dǎo)致膨脹機(jī)不能正常運(yùn)行。如果進(jìn)入主熱換器，輕則導(dǎo)致?lián)Q熱效果下降、產(chǎn)品產(chǎn)量下降，嚴(yán)重情況下將導(dǎo)致膨脹機(jī)無法正常運(yùn)行、整個精餾系統(tǒng)無法正常運(yùn)作進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)量下降。

4 改進(jìn)措施

提高膨脹機(jī)的機(jī)前溫度、機(jī)前壓力和降低機(jī)后壓力都可以提高膨脹機(jī)的單位制冷量，目前在實際操作中使用的2臺增壓透平膨脹機(jī)，應(yīng)盡可能考慮這3個方面對膨脹機(jī)單位制冷量的影響，在保證全系統(tǒng)工況穩(wěn)定的前提下，使膨脹機(jī)能夠高效運(yùn)轉(zhuǎn)，提高整個空分裝置的穩(wěn)定性和生產(chǎn)效率。

1. 系統(tǒng)熱負(fù)荷的大小對產(chǎn)量有一定的影響，冷卻水的水質(zhì)和環(huán)境溫度對系統(tǒng)的影響較大，必須嚴(yán)格使用軟化水，同時盡可能的提高冷卻塔的降溫效果，降低冷卻水的溫度，確保空壓機(jī)一級吸入環(huán)境溫度低于15℃。對冷卻器芯進(jìn)行定期檢修檢測，確保冷卻效果。

2. 結(jié)合設(shè)備使用的實際情況，要充分認(rèn)識到系統(tǒng)啟動加熱吹除階段的關(guān)鍵性作用，切實做到對系統(tǒng)全面有效的加溫吹除，尤其是對膨脹機(jī)段管路的吹除，利用正反兩種吹除方法對重點(diǎn)管路進(jìn)行吹除。

3. 循環(huán)氣冷卻器后增設(shè)露點(diǎn)在線分析采樣點(diǎn)，對循環(huán)氣體露點(diǎn)在線監(jiān)測；檢修檢測時應(yīng)嚴(yán)格按檢修檢測規(guī)范進(jìn)行，對每個部位檢測到位，重點(diǎn)是水冷卻器密封性檢測。

4. 認(rèn)識到環(huán)境溫度對全系統(tǒng)的熱負(fù)荷影響，膨脹機(jī)在發(fā)揮了最大制冷功效后，能夠提供的冷量一定在純化器再生周期允許的范圍內(nèi)，盡可能的降低上塔壓力，可以保證全系統(tǒng)在相對較低的壓力下運(yùn)行，系統(tǒng)的熱負(fù)荷降低，冷量的有效利用率提高，與此同時產(chǎn)量也有所提高。

5 結(jié) 論

為保證空分設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，對開機(jī)生產(chǎn)過程中的季節(jié)環(huán)境變化、供水供電保障、制冷循環(huán)系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行全面分析，發(fā)現(xiàn)：一是在保證試驗任務(wù)完成的前提下盡量避免高溫季節(jié)生產(chǎn)；二是盡可能的通過對整個系統(tǒng)的調(diào)節(jié)減少高溫環(huán)境帶來的整套設(shè)備負(fù)荷的增大；三是環(huán)境濕度高時及時排水避免制冷系統(tǒng)堵塞；不同的情況所采取的措施也有較大的差別，但最終的目的是一致的，即盡可能的保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行或最大限度的降低系統(tǒng)非正常運(yùn)行的時間。