2000年11月，杭州制氧機(jī)集團(tuán)有限公司簽訂了為金川集團(tuán)公司提供一套KDON-14000／14000型內(nèi)壓縮空分設(shè)備合同，并于次年續(xù)簽了一套為該空分配套的全精餾制氬裝置。成套空分設(shè)備在2002年底安裝完畢，進(jìn)行單機(jī)及聯(lián)動(dòng)負(fù)荷調(diào)試，并于2003年1月17日順利完成對(duì)成套空分設(shè)備的72小時(shí)性能考核。
本套裝置是杭氧首套中壓內(nèi)壓縮大型空分設(shè)備，為使廣大關(guān)心杭氧技術(shù)發(fā)展的朋友們進(jìn)一步了解該設(shè)備的情況，我們?cè)谶@里對(duì)這套設(shè)備的研制情況作一系統(tǒng)的介紹。
1 設(shè)備的主要性能指標(biāo)
金川“14000”空分設(shè)備性能指標(biāo)見(jiàn)表1。
表1 金川14000m3／h內(nèi)壓縮空分設(shè)備主要指標(biāo)
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產(chǎn)品名稱 |
產(chǎn)量 m3／h |
純度 |
出裝置壓力 MPa(G) |
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低壓氧氣 |
6700(8350) |
99．6％02 |
0．05 |
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中壓氧氣 |
8000(6500) |
99．7％02 |
1．8 |
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液 氧 |
300(150) |
99．7％02 |
0．17 |
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氮 氣 |
(14000) |
<10×10-602 |
0．017 |
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液 氬 |
(420) |
≤2×10-602，3×10-6N2 |
0．16 |
*( )內(nèi)為產(chǎn)液氬時(shí)工況指標(biāo)
2 流程的組織
大型內(nèi)壓縮流程的空分設(shè)備，在20世紀(jì)80年代初主要是由于大型合成氨工程的上馬，才由德國(guó)林德公司引入我國(guó)。到了90年代，隨著我國(guó)大型冶金、石化企業(yè)的發(fā)展，相繼引進(jìn)了一批大型內(nèi)壓縮空分設(shè)備，此時(shí)的工藝流程形式已經(jīng)取得了飛速的發(fā)展，空氣凈化采用分子篩吸附，制氬采用了全精餾無(wú)氫制氬流程。同時(shí)這種新的流程形式也得到了國(guó)內(nèi)冶金、石化企業(yè)的普遍關(guān)注。正是由于內(nèi)壓縮流程的一些新穎的特點(diǎn)，如用增壓空氣壓縮機(jī)+液氧泵+中壓換熱器取代了較為復(fù)雜的氧透，在客觀上為制氧行業(yè)提供了一個(gè)新的流程選擇形式。
目前國(guó)內(nèi)外空分制造廠家，所采用的內(nèi)壓縮流程絕大部分是空氣增壓流程，在這類流程中根據(jù)用戶的不同需要大體可分為兩種形式：一種是膨脹空氣進(jìn)上塔，另一種是膨脹空氣進(jìn)下塔。
膨脹空氣進(jìn)上塔流程，主要針對(duì)產(chǎn)品液體量需求不大的用戶，產(chǎn)品液體總量一般是產(chǎn)品氧氣量的3％~5％。它的優(yōu)點(diǎn)是：流程簡(jiǎn)單；采用常規(guī)增壓透平膨脹機(jī)，操作方便；中壓換熱器單個(gè)設(shè)計(jì)，可靠性強(qiáng)，液氧不會(huì)產(chǎn)生偏流；裝置的氧、氬提取率大致與常規(guī)外壓縮空分相當(dāng)。
膨脹空氣進(jìn)下塔流程，主要針對(duì)產(chǎn)品液體量需求大的用戶，產(chǎn)品液體總量可達(dá)到產(chǎn)品氧氣量的10％以上。它的優(yōu)點(diǎn)是提取率高，這是因?yàn)樗羞M(jìn)冷箱的空氣都可參加精餾；相對(duì)而言，流程較為復(fù)雜，操作考慮的因素較多，設(shè)備的投資增大。
針對(duì)金川14000m3／h內(nèi)壓縮空分設(shè)備，我們對(duì)多種內(nèi)壓縮方案進(jìn)行了比較論證，最終選擇了膨脹空氣進(jìn)上塔流程，并得到了實(shí)踐的驗(yàn)證。
金川“14000”空分流程簡(jiǎn)圖如圖1所示。
AF—空氣過(guò)濾器 MS—分子篩吸附器 TC2—中壓空氣透平壓縮機(jī) K2—氧增壓器 K702—粗氬液化器 TCl—空氣透平壓縮機(jī) EH—電加熱器 E3—氧熱交換器 C701—粗氬塔I K703—精氬冷凝器 AC—空氣冷卻塔 ET—增壓透平膨脹機(jī) K1—冷凝蒸發(fā)器 C702—精氬塔Ⅱ K704-精氬蒸發(fā)器 WC—水冷卻塔 E1—主熱交換器 C1—下塔 C703—精氬塔 AP—液氬泵 WP-水泵 E2—液空液氮過(guò)冷器 C2—上塔 K701—粗氬冷凝器 OP—掖氧泵
圖1 KDON—14000／14000型分子篩增壓全精餾制氬內(nèi)壓縮空分設(shè)備流程簡(jiǎn)圖
在內(nèi)壓縮流程中，還有一個(gè)十分重要的參數(shù)需要確定，那就是空氣增壓機(jī)的出口壓力。這個(gè)壓力設(shè)計(jì)得是否合理，直接關(guān)系到流程設(shè)計(jì)的合理性以及設(shè)備的一次投資及運(yùn)行成本的高低。眾所周知，所謂的內(nèi)壓縮就是在冷箱內(nèi)用液氧泵將液氧加壓到所需壓力，然后通過(guò)中壓換熱器與經(jīng)過(guò)增壓壓縮機(jī)增壓后的中壓空氣進(jìn)行換熱，復(fù)熱后送至用戶。作為熱源的中壓空氣的壓力是可變的，在一定的壓力范圍內(nèi)，壓力低所需的空氣量就要大，壓力高所需的空氣量相對(duì)要小，這與空分設(shè)備的投資、能耗直接相關(guān)。我們?cè)谝M(jìn)林德公司精餾計(jì)算軟件的基礎(chǔ)上，針對(duì)性地開(kāi)發(fā)了內(nèi)壓縮流程的計(jì)算模塊，該模塊可將熱力平衡計(jì)算、物料平衡計(jì)算及換熱器熱力計(jì)算(引進(jìn)美國(guó)S—W公司軟件)與林德的精餾計(jì)算軟件有機(jī)地聯(lián)系起來(lái)，并可同時(shí)完成精氬的計(jì)算，這就有條件對(duì)增壓機(jī)的出口壓力進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。我們通過(guò)選擇不同的出口壓力進(jìn)行計(jì)算，綜合壓縮機(jī)制造商普遍的制造水平、裝置能耗水平、投資的因素及中壓換熱器的因素，確定了合理的出口壓力，相應(yīng)地也確定了所需的中壓空氣量及中壓換熱器的參數(shù)。這些經(jīng)優(yōu)化的參數(shù)在以后的調(diào)試過(guò)程中證明與我們的設(shè)計(jì)思路是十分吻合的，裝置運(yùn)行的參數(shù)是十分準(zhǔn)確的。
另外對(duì)于金川“14000”空分設(shè)備的低壓氧氣的制取，我們利用液氧的液位差，采用液氧自增壓的方法得到所需壓力的氧氣，熱源是低壓空氣，低壓氧氣經(jīng)過(guò)換熱器復(fù)熱后送至用戶。這就同時(shí)滿足了用戶對(duì)產(chǎn)品不同壓力等級(jí)的需要。
3 裝置的安全性考慮
我們一直認(rèn)為，空分的設(shè)計(jì)安全性是第一的，有了安全保障，才能去談性能的先進(jìn)性。常規(guī)的外壓縮空分設(shè)備最不安全的因素在主冷，在這方面采取的主要措施是排放1％的液氧及定期分析液氧中的碳?xì)浠衔锖鸵胰驳暮�。而�?nèi)壓縮空分設(shè)備，由于主冷中的液氧被大量抽取去液氧泵加壓，因此，在主冷中碳?xì)浠衔锎罅烤奂遣豢赡艿摹?/P>
金川公司“14000”空分設(shè)備中壓氧壓力為1．8MPa(G)，液氧在中壓換熱器中復(fù)熱蒸發(fā)，在此壓力下，所對(duì)應(yīng)的沸點(diǎn)溫度為—141．3℃，在此溫度碳?xì)浠衔?甲烷、乙烷、丙烷、乙烯)不可能出現(xiàn)固態(tài)析出，它們是隨著液氧的蒸發(fā)而蒸發(fā)，不會(huì)聚集，因而中壓換熱器是處于安全狀態(tài)的。
對(duì)于金川“14000”空分設(shè)備的低壓氧制取部分，由于是采用液氧蒸發(fā)器增壓，液氧蒸發(fā)的工作狀態(tài)同主冷基本相同，碳?xì)浠衔锛耙胰簿奂目赡苄允谴嬖诘�。針�?duì)這個(gè)問(wèn)題，我們?cè)谠O(shè)計(jì)中考慮了1％液氧安全排放，蒸發(fā)器為全浸式操作，并要求設(shè)置碳?xì)浠衔锛耙胰苍诰�分析。另外，除了針對(duì)液氧的安全性考慮外，還將液氧泵的啟動(dòng)和操作設(shè)在遠(yuǎn)離液氧泵的室內(nèi)。其余還設(shè)置了必要的安全閥，尤其是在液氧管路上。
4 裝置的特點(diǎn)
膨脹空氣進(jìn)上塔流程的內(nèi)壓縮空分設(shè)備，原料空氣的壓縮、冷卻和產(chǎn)冷的手段基本與常規(guī)外壓縮流程相同，不同的是凈化后的原料空氣被抽取了一部分去空氣增壓機(jī)增壓，作為汽化經(jīng)加壓后的液氧的熱源，這個(gè)過(guò)程在中壓換熱器中進(jìn)行。
相對(duì)來(lái)說(shuō)，內(nèi)壓縮流程所設(shè)置的增壓壓縮機(jī)，從國(guó)外引進(jìn)的占大多數(shù)，各種壓力等級(jí)均有相應(yīng)的成熟產(chǎn)品。關(guān)鍵的設(shè)備(中壓換熱器、抽取液體形式的分餾塔及給液氧加壓的液氧泵)基本上在冷箱內(nèi)。
金川“14000”空分設(shè)備的中壓換熱器設(shè)計(jì)的熱源空氣壓力是超臨界狀態(tài)的，物性參數(shù)的準(zhǔn)確性對(duì)中壓換熱器的設(shè)計(jì)十分重要。我們?cè)谝M(jìn)美國(guó)S—W公司換熱器計(jì)算軟件基礎(chǔ)上，運(yùn)用杭氧自行開(kāi)發(fā)的內(nèi)壓縮計(jì)算模塊及美國(guó)Aspen計(jì)算軟件，對(duì)中壓換熱器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定了各截面的設(shè)計(jì)參數(shù)。同時(shí)，為了進(jìn)一步提高裝置的可靠性，中壓換熱器選擇了國(guó)外知名品牌產(chǎn)品。通過(guò)對(duì)國(guó)外公司反饋的各截面的參數(shù)的對(duì)比分析，證明我們的計(jì)算軟件是可靠準(zhǔn)確的。
另一關(guān)鍵設(shè)備就是分餾塔，對(duì)于抽取大量液體的分餾塔，從流程計(jì)算的角度來(lái)看，要比常規(guī)外壓縮空分設(shè)備復(fù)雜得多，尤其是對(duì)帶氬的空分設(shè)備。通過(guò)對(duì)林德公司精餾計(jì)算軟件近二十年的使用開(kāi)發(fā)，我們已經(jīng)對(duì)各種流程工況的計(jì)算運(yùn)用十分成熟；另一方面填料塔的設(shè)計(jì)通過(guò)與法液空及蘇爾壽公司的技術(shù)合作，也充分掌握了抽取大液體量的填料塔的設(shè)計(jì)，保證了填料塔各進(jìn)出口的準(zhǔn)確性，尤其是氬餾分抽口的準(zhǔn)確性。這一點(diǎn)我們?cè)谠沏~“16000”內(nèi)壓縮空分、京聯(lián)“1500”液體設(shè)備及以后安彩“10000”空分設(shè)備上得到了實(shí)踐的證明，裝置的氬提取率都能超過(guò)我們的設(shè)計(jì)要求。金川“14000”的填料上塔采用的是法液空的填料。
金川“14000”內(nèi)壓縮空分的液體泵，我們經(jīng)過(guò)多方的實(shí)地考察與方案比較，選用的是法國(guó)Cryostar公司的帶變頻調(diào)節(jié)的離心式單級(jí)低溫液氧泵，流程的配置采用了一用一備形式，即一臺(tái)使用另一臺(tái)拎備用。這也是國(guó)際上內(nèi)壓縮流程采用的通行的方法，這充分保證了中壓氧的連續(xù)供應(yīng)，提高了裝置整體的可靠性。
內(nèi)壓縮空分設(shè)備另一特點(diǎn)是帶壓低溫管道多。目前我們冷箱的管道設(shè)計(jì)采用的是PDMS軟件，并可進(jìn)行三維造型，單線圖自動(dòng)輸出。這保證了管道在安裝過(guò)程中走向的準(zhǔn)確性。同時(shí)對(duì)液體管道、帶壓的低溫管道等主要管線采用MSC／NASTRAN應(yīng)力分析、計(jì)算軟件進(jìn)行分析計(jì)算，確定關(guān)鍵點(diǎn)支架位置及形式，保證了裝置在低溫狀態(tài)下，管系有良好的受力狀態(tài)。另外對(duì)主要的管道我們選用高強(qiáng)度鋁合金材料，同時(shí)配備了專用焊絲，這從客觀上保證了管道焊縫的強(qiáng)度。
5 關(guān)鍵部機(jī)的控制方式
在大型外壓縮常規(guī)流程中，控制的關(guān)鍵點(diǎn)是在氧氣透平壓縮機(jī)上。這基本上是圍繞安全這一出發(fā)點(diǎn)設(shè)置的，監(jiān)控點(diǎn)大至有一百個(gè)以上，控制回路有十多個(gè)。從我們參與的空分設(shè)備調(diào)試情況看，目前氧透的控制是十分完善的，自動(dòng)化程度也很高，不需人在現(xiàn)場(chǎng)操作。
在大型內(nèi)壓縮空分設(shè)備中，我們認(rèn)為控制的關(guān)鍵點(diǎn)在增壓機(jī)的恒壓控制及液氧泵的邏輯控制上。對(duì)于增壓機(jī)的控制，各壓縮機(jī)制造廠家都有自己的成熟的控制方式，也基本都能滿足空分設(shè)備的運(yùn)行要求。在這不作 進(jìn)一步的探討。
液氧泵的控制方式，對(duì)我們來(lái)說(shuō)是新鮮 事物，不光需要理論上的設(shè)計(jì)，還需要實(shí)際 運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)來(lái)完善。
針對(duì)金川“14000”內(nèi)壓縮空分設(shè)備的 液氧泵的控制原則。我們從五個(gè)方面來(lái)考 慮：第一，外部因素對(duì)液氧泵的運(yùn)行及中壓臣換熱器液氧汽化的影響；第二，液氧泵自身因素對(duì)成套空分的影響；第三，兩臺(tái)液氧泵互為備用的方式；第四，液氧泵在運(yùn)行過(guò)程中的調(diào)節(jié)方式；第五，液氧泵操作的安全考慮。第一、二點(diǎn)因各制造廠考慮的因素不同，在這里不作具體說(shuō)明，第五點(diǎn)在裝置的安全性考慮中已有述說(shuō)。
這里對(duì)第三、四點(diǎn)做一些簡(jiǎn)要說(shuō)明，液氧泵互為備用方式，我們是采取冷備用方式，這其中有多種模式可以選擇，如低速備用、半負(fù)荷備用。從實(shí)際運(yùn)行來(lái)看，備用泵從冷備狀態(tài)啟動(dòng)達(dá)到負(fù)荷運(yùn)行的時(shí)間是很短的(3~5秒)。液氧泵的負(fù)荷調(diào)節(jié)，我們?cè)O(shè)計(jì)了就地及中控均可調(diào)節(jié)；液氧泵的開(kāi)停車在中控及就地均可實(shí)現(xiàn)；液氧泵的出口采用恒壓控制。通過(guò)對(duì)整套設(shè)備的調(diào)試，我們?cè)O(shè)計(jì)的控制方案是較為完善的，基本達(dá)到了國(guó)外內(nèi)壓縮空分設(shè)備對(duì)液氧泵的控制水平。
6 結(jié)束語(yǔ)
目前，杭氧大型內(nèi)壓縮空分設(shè)備的成套設(shè)計(jì)已趨完善，并制定了相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范。到目前為止，杭氧已為多家用戶開(kāi)發(fā)了多種形式的內(nèi)壓縮流程：膨脹空氣進(jìn)上塔的有浩良河“18000” [氧氣壓力達(dá)6．4MPa(G))化工型內(nèi)壓縮空分；營(yíng)口“15000”[氧氣壓力為3．0MPa(G))冶金型內(nèi)壓縮空分等；膨脹空氣進(jìn)下塔的有馬鋼“20000”全提取內(nèi)壓縮空分，萊鋼“12000"、杭鋼“20000”等冶金型內(nèi)壓縮空分設(shè)備。
在這里順便也談一下研制過(guò)程中的一些粗淺感想。內(nèi)壓縮流程的組織形式不象常規(guī)流程那么整齊劃一，它的選擇是多種多樣的，這主要取決于用戶對(duì)產(chǎn)品品種的要求及設(shè)備制造廠的技術(shù)方案的比較分析結(jié)果。我們認(rèn)為滿足同一要求的合理的技術(shù)方案應(yīng)該具有安全可靠、投資省、流程簡(jiǎn)潔、可操作性強(qiáng)、維護(hù)簡(jiǎn)單方便、運(yùn)行成本低等特點(diǎn)。
另外，隨著內(nèi)壓縮流程不斷成熟，選用可靠的國(guó)產(chǎn)化關(guān)鍵部機(jī)是可行的，如原料壓縮機(jī)、增壓壓縮機(jī)、膨脹機(jī)、中壓換熱器、閥門(mén)等，這不僅降低了設(shè)備的投資費(fèi)用，還可以帶動(dòng)相關(guān)的成套設(shè)備的技術(shù)進(jìn)步。
最后，在此我們對(duì)給金川“14000”內(nèi)壓縮空分設(shè)備的設(shè)計(jì)、調(diào)試工作大力支持的金川集團(tuán)公司及中國(guó)空分設(shè)備公司，表示謝意。
