聶輔亮 張宏偉

(浙江浙能技術(shù)研究院有限公司)

國內(nèi)空分系統(tǒng)設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀*

聶輔亮 張宏偉

(浙江浙能技術(shù)研究院有限公司)

以某煤制氣項(xiàng)目配套內(nèi)壓縮空分系統(tǒng)為例，簡要介紹空分系統(tǒng)的制氧流程和設(shè)備運(yùn)行狀況，詳細(xì)闡述了國內(nèi)空分系統(tǒng)中板翅式換熱器、分子篩吸附器、精餾塔、離心壓縮機(jī)、透平膨脹機(jī)及低溫液體泵等主要設(shè)備的發(fā)展歷程，最后對國內(nèi)空分裝置動(dòng)靜設(shè)備常見選用概況進(jìn)行了總結(jié)。

空分系統(tǒng) 制氧流程 動(dòng)靜設(shè)備 發(fā)展現(xiàn)狀

氧氣是一種無色、無味，比空氣略重的氣體，它廣泛應(yīng)用于人們的日常生活和各行業(yè)部門中。氧氣的制取主要有化學(xué)法、電解法和空氣分離法3種。低溫空氣分離法是指將空氣冷卻至120K以下的低溫狀態(tài)再通過精餾獲取高純度氧氮產(chǎn)品，由于低溫空氣分離法具有產(chǎn)量大、純度高及能耗低等其他制氧方法所不具備的優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于煤化工、冶煉鋼鐵及IGCC等高耗氧量行業(yè)。經(jīng)百余年的發(fā)展，低溫空氣分離法經(jīng)歷了6次巨大的變革，制氧機(jī)的容量由最初的10m3/h發(fā)展到如今的150 000m3/h，其能耗也由最初的3.00kW·h/Nm3O2降至0.37kW·h/Nm3O2。同時(shí)近年來煤化工行業(yè)的迅速發(fā)展也促進(jìn)了空分行業(yè)向著全自動(dòng)化、低壓、節(jié)能、大型化的方向發(fā)展[1]。

空分系統(tǒng)設(shè)備主要包含動(dòng)設(shè)備和靜設(shè)備。動(dòng)設(shè)備主要有離心壓縮機(jī)、工業(yè)汽輪機(jī)、透平膨脹增壓機(jī)及低溫液體泵等；靜設(shè)備主要有各類管殼式換熱器、板翅式換熱器、分子篩、精餾塔、粗氬塔、冷卻塔、管道及儲(chǔ)氣罐等。空分設(shè)備之間環(huán)環(huán)相扣，其穩(wěn)定可靠運(yùn)行是全廠正常生產(chǎn)的前提，因而了解各設(shè)備的性能與運(yùn)行特點(diǎn)至關(guān)重要。以某個(gè)煤制天然氣項(xiàng)目配套內(nèi)壓縮空分系統(tǒng)的試運(yùn)行階段情況為例，就出現(xiàn)過空壓機(jī)振動(dòng)偏大、高速齒輪箱高速軸部件磨損、透平膨脹增壓機(jī)喘振、油溫偏高致使跳車及工業(yè)汽輪機(jī)軸溫偏高聯(lián)鎖停車等動(dòng)設(shè)備故障和過空壓機(jī)內(nèi)置換熱器左右兩側(cè)換熱不均勻、粗氬塔氮塞、法蘭和閥門泄漏、分子篩冷吹時(shí)未出現(xiàn)“冷吹峰值”及油冷卻器油側(cè)壓力高致使換熱器破壞等靜設(shè)備故障進(jìn)行介紹。此外有文獻(xiàn)報(bào)道在運(yùn)行比較穩(wěn)定的預(yù)冷系統(tǒng)中水冷卻塔、空冷塔等設(shè)備也出現(xiàn)過比較嚴(yán)重的運(yùn)行故障[2，3]。

1 空分系統(tǒng)制氧流程簡介

圖1為某煤化工項(xiàng)目配套內(nèi)壓縮空分設(shè)備的PFD圖。空氣首先經(jīng)過自潔式空氣過濾器，吸附機(jī)械雜質(zhì)后進(jìn)入離心式空氣壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮，壓縮后的空氣經(jīng)過空冷塔進(jìn)行冷卻后進(jìn)入分子篩吸附空氣中的CO2和水分，分子篩在低溫高壓狀態(tài)吸附，在低壓高溫狀態(tài)下脫附再生。脫除水分和CO2后的空氣分為3股：第1股作裝置空氣；第2股直接經(jīng)過低壓換熱器后進(jìn)入兩級精餾塔的下部作精餾所需的上升氣；第3股氣體去離心式增壓機(jī)，在增壓機(jī)二段入口處抽出一部分作儀表空氣，其余空氣進(jìn)入第2段壓縮，在增壓機(jī)三段入口處再抽出一部分空氣去透平膨脹機(jī)的增壓端，增壓后被水冷卻至進(jìn)入增壓端前的溫度，然后再進(jìn)入高壓換熱器冷卻，冷卻后的空氣去透平膨脹機(jī)的膨脹端，膨脹后空氣的溫度進(jìn)一步下降，成為氣液混合狀態(tài)，再進(jìn)氣液分離器，氣態(tài)部分進(jìn)入兩級精餾塔的下部作精餾所需的上升氣，液態(tài)部分進(jìn)入粗氬塔的頂部作物料參與精餾。經(jīng)增壓機(jī)第2段壓縮后剩余的空氣進(jìn)入增壓機(jī)三段壓縮后進(jìn)高壓換熱器冷卻，再經(jīng)節(jié)流閥后，成為氣液混合狀態(tài)，進(jìn)入兩級精餾塔的下部參與精餾，這樣就在下塔底部形成了富氧液空。高壓換熱器中返流的低溫流體是來自上塔頂部的污氮?dú)夂蛠碜韵滤敳康牡獨(dú)夂蛷纳纤撞砍槌龅囊貉?；低壓換熱器中返流的低溫流體是來自于上塔頂部的污氮?dú)夂蛠碜源謿逅拇謿濉?/p>

圖1 某煤化工項(xiàng)目配套內(nèi)壓縮空分設(shè)備的PFD圖

2 靜設(shè)備

2.1 板翅式換熱器

板翅式換熱器在空分系統(tǒng)中有非常廣泛的應(yīng)用，主要有高/低壓換熱器、過冷器、上下塔之間的主冷凝蒸發(fā)器及粗氬塔冷凝器等，板翅式換熱器中往往有多股冷熱流體同時(shí)換熱。板翅式換熱器傳熱效率高，由于翅片結(jié)構(gòu)特殊，流動(dòng)過程中形成強(qiáng)烈湍流，有效降低了熱阻，換熱器中熱端溫差可達(dá)1～3℃；結(jié)構(gòu)緊湊，現(xiàn)在板翅式換熱器傳熱密度最高已達(dá)17 300m2/m3，一般是管殼式換熱器的10倍左右；流道狹小，容易堵塞。

由于翅片在換熱器中作為隔板的延伸和拓展，在一定的材料消耗下增加換熱面積，獲得了二次傳熱面，因而具有強(qiáng)化傳熱作用，根據(jù)傳熱學(xué)的知識(shí)，在有限體積內(nèi)翅片個(gè)數(shù)越多，強(qiáng)化換熱的效果越好，因此翅片布置間距越小，換熱性能越強(qiáng)，所以增加板翅式換熱器的傳熱密度是當(dāng)前的主要發(fā)展趨勢。

圖2所示為常見板翅式換熱器采用的4種不同的翅片類型，每列翅片用不同的隔板隔開，翅片類型不同，形成的流動(dòng)的傳熱性能各異，在空分系統(tǒng)中往往需要根據(jù)傳熱要求選用傳熱特點(diǎn)[4]。當(dāng)前空分向著超大型化發(fā)展，換熱器流道長度也隨之變大，由于板翅式換熱器結(jié)構(gòu)緊湊，解決了超大型化帶來的換熱不充分的難題。此外，國內(nèi)外學(xué)者也提出了不同導(dǎo)流增效的新型翅片型式以優(yōu)化傳熱，如螺旋翅片、釘型翅片及波紋翅片等，還提出了流體旋轉(zhuǎn)導(dǎo)流增效技術(shù)和人工粗糙壁導(dǎo)流增效技術(shù)增加換熱流體流動(dòng)過程中的湍流強(qiáng)度以增強(qiáng)板翅式換熱器的換熱效果[5]。

圖2 常見板翅式換熱器采用翅片類型

早在20世紀(jì)60年代我國就開始了板翅式換熱器的研究，1983年杭氧和開空均開發(fā)出中壓板翅式換熱器，1991年杭氧引進(jìn)美國大型真空釬焊爐和鋁制板翅式換熱器的設(shè)計(jì)制造技術(shù)，于1994年開始大規(guī)模生產(chǎn)，1994年生產(chǎn)的7.6MPa高壓板翅式換熱器出口美國市場。2009年杭氧研制成功的上海賽科石化年產(chǎn)量119萬噸的乙烯冷箱，其配套設(shè)計(jì)為8MPa高壓板翅式換熱器，標(biāo)志著我國在高壓板翅式換熱器方面的設(shè)計(jì)制造能力與國際最高水平進(jìn)一步縮小。據(jù)悉，四川空分集團(tuán)目前已投用的板翅式換熱器最大尺寸為8.0m×1.3m×1.1m，設(shè)計(jì)壓力為7.7MPa。2009年12月1日國家能源局發(fā)布了《鋁制板翅式熱交換器》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，將設(shè)計(jì)壓力由原標(biāo)準(zhǔn)的6.3MPa提高到8.0MPa，表明我國已經(jīng)完全實(shí)現(xiàn)了8MPa以下高壓板翅式換熱器的國產(chǎn)化。國內(nèi)外板翅式換熱器技術(shù)參數(shù)對比見表1。

表1 國內(nèi)外板翅式換熱器技術(shù)參數(shù)對比表

2.2 分子篩吸附器

空分系統(tǒng)中分子篩吸附器往往一備一用，其工作周期為8h，其中吸附4h，再生4h，在低溫高壓狀態(tài)吸附，吸附順序?yàn)椋篐2O>C2H2>CO2，在高溫低壓狀態(tài)脫附。

圖3所示為某臥式分子篩吸附器的結(jié)構(gòu)簡圖，用于中型和中大型規(guī)?？辗盅b置中，是目前國產(chǎn)空分常用的類型，2008年杭氧提出使用多孔管做氣流分布器替代傳統(tǒng)緩沖板的設(shè)想，杭氧與浙江大學(xué)合作，對臥式分子篩吸附器流場特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明采用多孔管和多孔板結(jié)構(gòu)可以降低分子篩床層氣流速度分布的不均勻度，能夠獲得更加高效的吸附效果，使設(shè)想成為了現(xiàn)實(shí)[6]。圖4所示為某立式徑向分子篩吸附器的結(jié)構(gòu)簡圖，對于大型和特大型規(guī)?？辗盅b置，立式徑向流分子篩吸附器能夠有效增大氣體流通面積，大大降低床層阻力，比臥式水平結(jié)構(gòu)節(jié)能10%～20%，同時(shí)可克服了臥式水平結(jié)構(gòu)占地面積大，運(yùn)輸困難的缺點(diǎn)。

圖3 臥式分子篩吸附器結(jié)構(gòu)簡圖

圖4 立式徑向分子篩吸附器結(jié)構(gòu)簡圖

自2002年起，杭氧開始對立式徑向流分子篩吸附器進(jìn)行研究，已經(jīng)在中小型空分裝置中進(jìn)行了試驗(yàn)，與臥式水平結(jié)構(gòu)相比具有占地面積小、節(jié)能降耗的優(yōu)點(diǎn)，但維修難度大，投資成本高，總體而言，優(yōu)勢并不明顯，因此需要繼續(xù)研發(fā)用于大型和特大型空分裝置中的立式徑向流分子篩吸附器， 2015年杭氧已經(jīng)完成了105Nm3/h空分裝置配套立式徑向流分子篩吸附器的研制工作[7]。如果試驗(yàn)順利，這又將是我國空分行業(yè)一大突破。

當(dāng)前，深冷空分系統(tǒng)常用的分子篩是13X-APG，其化學(xué)式為Na2O·Al2O3·(2.8±0.2)SiO2·(6～7)H2O，有4種不同規(guī)格[8]。2015年杭氧還對不同規(guī)格分子篩應(yīng)用于徑向流吸附器中的流場進(jìn)行了數(shù)值分析，分析了吸附工作中可能出現(xiàn)吸附飽和的臨界位置[9]。

2.3 精餾塔

空氣分離在精餾塔中進(jìn)行，空分塔由上、下塔和介于二者之間的主冷凝蒸發(fā)器組成，上、下塔均具有一定的溫度和壓力梯度，因此在不同高度，氣液含量和純度不一，以杭氧制造的中型空分裝置配套空分塔為例，其上塔為規(guī)整填料塔，填料由瑞士蘇爾壽公司提供，下塔為篩板塔，塔板由杭氧開發(fā)。利用下塔頂部和上塔底部的2～3K的溫差，使得上塔底部的液氧連續(xù)氣化，下塔頂部的氮?dú)饫淠?。這樣連續(xù)不斷地參與精餾，使得下塔頂部氣態(tài)氮純度和上塔頂部液氧的純度越來越高，達(dá)到產(chǎn)品的要求。當(dāng)前國內(nèi)空分塔冷凝蒸發(fā)器主要結(jié)構(gòu)類型有立式單層、雙層及臥式多列等，但當(dāng)空分大型化時(shí)這些結(jié)構(gòu)難以解決空分冷凝蒸發(fā)器換熱面積不足的問題，現(xiàn)今中空能源設(shè)備有限公司正在開展立式三層和四層冷凝蒸發(fā)器的研發(fā)工作，該研發(fā)工作能夠解決大型空分冷凝蒸發(fā)器所需換熱面積大的問題，且結(jié)構(gòu)緊湊，強(qiáng)化了塔的穩(wěn)定性[10，11]。

在篩板塔方面，杭氧開發(fā)了S型、導(dǎo)向型、環(huán)流型、單溢流及多溢流等不同階段的塔板，最初S型塔板應(yīng)用于小型空分裝置，如今另外4種溢流塔板已應(yīng)用于中大型空分裝置中，達(dá)到了與Mellapkplus填料下塔相當(dāng)?shù)男阅躘12]。在填料塔方面，規(guī)整填料塔具有壓降小、分離效率高、產(chǎn)品提取率高、節(jié)能及塔徑小等優(yōu)點(diǎn)，填料塔的設(shè)計(jì)技術(shù)長久以來屬于技術(shù)保密范疇，在與蘇爾壽、法液空等公司進(jìn)行多次合作后，在對合作項(xiàng)目設(shè)備長期運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)和研究的基礎(chǔ)上，杭氧也走上了自主研發(fā)的道路，現(xiàn)如今杭氧自主開發(fā)的填料塔已經(jīng)應(yīng)用在中大型空分裝置配套空分塔上塔和氬塔中。在已成功應(yīng)用的21 000Nm3/h空分裝置中，規(guī)整填料下塔的阻力只是篩板下塔的1/3，2004年北臺(tái)鋼鐵公司50 000Nm3/h空分裝置中采用全規(guī)整填料塔，其變工況能力非常靈活，且空壓機(jī)背壓降低10～15kPa，降低了制氧能耗?？梢?，若是在大型和特大型空分塔中全部采用規(guī)整填料塔，可能會(huì)使制氧能耗進(jìn)一步降低。規(guī)整填料塔的大型化和篩板塔向低壓降、高通量、高效率發(fā)展是空分塔主要發(fā)展方向。

3 動(dòng)設(shè)備

3.1 離心壓縮機(jī)

大中型空分配套壓縮機(jī)全部采用離心式，這是由于離心壓縮機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、占地面積小及連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)周期長等優(yōu)點(diǎn)。在空分系統(tǒng)中，離心壓縮機(jī)的主要作用是將空氣壓縮至臨界狀態(tài)以上，使之易于通過節(jié)流或膨脹的方式液化，為參與精餾提供條件。離心壓縮機(jī)最早出現(xiàn)在公元前60年的古希臘時(shí)代，但由于社會(huì)條件的限制，在近2000年的時(shí)間內(nèi)離心壓縮機(jī)沒有得到實(shí)質(zhì)的發(fā)展[13]。直到19世紀(jì)末期，工業(yè)應(yīng)用中對高壓空氣需求日益增加，推動(dòng)了離心壓縮機(jī)的發(fā)展，而此時(shí)Euler、Bernoulli及Carnot等科學(xué)大師們已經(jīng)奠定了流體機(jī)械的理論基礎(chǔ)。20世紀(jì)初期理論研究更加深入，軸承潤滑、密封技術(shù)及新型材料的應(yīng)用等使得離心壓縮機(jī)向著高壓力、寬范圍、高效率的方向發(fā)展，20世紀(jì)90年代以后，在經(jīng)濟(jì)全球化趨勢下，國外離心壓縮機(jī)制造企業(yè)發(fā)生了巨大的兼并重組，形成了以GE、SIEMENS及MITSUBISHI等通用機(jī)械具體為代表的世界格局，此時(shí)國外離心壓縮機(jī)巨頭企業(yè)完全停止對外輸出技術(shù)。在嚴(yán)格技術(shù)封鎖背景下，我國沈鼓、陜鼓由之前的引進(jìn)吸收轉(zhuǎn)變?yōu)樽灾餮邪l(fā)、技術(shù)創(chuàng)新，具備了一定的生產(chǎn)制造能力，盡管國產(chǎn)離心機(jī)仍有效率偏低、運(yùn)行不夠穩(wěn)定等缺點(diǎn)，但已經(jīng)有了很大的突破。如圖5所示，當(dāng)前多級離心壓縮機(jī)效率已經(jīng)接近90%，隨著技術(shù)的進(jìn)步，也由于級內(nèi)損失如摩擦損失、尾跡損失及二次流動(dòng)等損失不可避免，離心壓縮機(jī)效率正逼近其空氣動(dòng)力學(xué)極限的92%[14]。數(shù)十年來，我國學(xué)者們對離心壓縮機(jī)的流動(dòng)擴(kuò)穩(wěn)[15]、變工況性能調(diào)節(jié)[16]、性能分析與預(yù)測[17]、多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化[18]及失速與喘振現(xiàn)象[19]等方面進(jìn)行了非常深入的理論研究，為我國離心壓縮機(jī)設(shè)計(jì)研發(fā)方向提供了理論支持。

圖5 離心壓縮機(jī)效率變化趨勢

我國離心壓縮機(jī)生產(chǎn)廠家主要有沈鼓集團(tuán)和陜鼓集團(tuán)，一些空分設(shè)備商和風(fēng)機(jī)制造企業(yè)也在研制空分配套離心壓縮機(jī)，但只在小型空分中有業(yè)績，以開空集團(tuán)為例，最新研制的離心壓縮機(jī)僅應(yīng)用于1.5×104Nm3/h空分裝置中。沈鼓集團(tuán)自20世紀(jì)70年代起開始引進(jìn)國外離心壓縮機(jī)制造技術(shù)，如70年代末從當(dāng)時(shí)還未并入GE的意大利Nuovo-Pignone公司全套引進(jìn)MCL、PCL、BCL 3個(gè)系列的離心壓縮機(jī)制造技術(shù)，80年代從日本HITACHI引進(jìn)DH型雙軸四級離心壓縮機(jī)和HS系列離心式冷凍機(jī)組，90年代從德國DEMAG引進(jìn)VK8-3S系列和日本川崎重工GM系列離心機(jī)技術(shù)。在石油化工領(lǐng)域，沈鼓自行設(shè)計(jì)制作的裂解氣離心壓縮機(jī)流量為12×104Nm3/h，功率為18MW；在空分行業(yè)，2004年沈鼓研制了我國第一套國產(chǎn)4.0×104Nm3/h空分裝置配套壓縮機(jī)，之后相繼開發(fā)了4.8×104Nm3/h和5.2×104Nm3/h空分裝置配套壓縮機(jī)，填補(bǔ)了國內(nèi)空白，2015年沈鼓自主研發(fā)我國首套105Nm3/h空分裝置配套壓縮機(jī)在沈鼓集團(tuán)營口基地圓滿完成全負(fù)荷性能試驗(yàn)，通過了國家能源局的驗(yàn)收。陜鼓集團(tuán)1994年與瑞士Sulzer簽訂了離心壓縮機(jī)合作生產(chǎn)協(xié)議，在Sulzer并入MAN-TURBO后續(xù)簽了合作生產(chǎn)協(xié)議，其中葉輪、轉(zhuǎn)軸、密封及軸承等核心部件由MAN-TURBO提供，內(nèi)置冷卻器、機(jī)殼及油箱等輔助部件由陜鼓提供。陜鼓于2002年開始致力于空分壓縮機(jī)組的研究，已能提供12×104Nm3/h空分裝置配套壓縮機(jī)。

3.2 透平膨脹機(jī)

在開車過程中，高壓空氣在透平膨脹機(jī)中膨脹產(chǎn)生大量冷量至液化，為精餾工況的建立提供條件。在正常運(yùn)行狀態(tài)下，透平膨脹機(jī)可以補(bǔ)充換熱過程中的冷量損失。此外，透平膨脹機(jī)中近似等熵膨脹，其制冷量遠(yuǎn)大于同參數(shù)下的節(jié)流制冷量。由于透平膨脹機(jī)具有獲取低溫冷量的優(yōu)勢，成為低溫空氣分離制氧不可或缺的核心設(shè)備，新型高效的透平膨脹機(jī)的開發(fā)決定了空分行業(yè)的發(fā)展與變革，20世紀(jì)90年代后期，隨著增壓透平膨脹機(jī)的開發(fā)成功，空分裝置全部采用增壓透平膨脹機(jī)，采用提升了膨脹前壓力，提高了膨脹比，使制冷量大大提升，推動(dòng)了空分裝置由大型化向特大型化發(fā)展。

1930年，林德首次將單級透平膨脹機(jī)應(yīng)用于空氣分離，此后透平膨脹機(jī)廣泛應(yīng)用于空氣分離、天然氣液化、余熱發(fā)電、余壓利用及能量回收等行業(yè)之中，均取得了良好的業(yè)績。據(jù)新聞報(bào)道，2016年5月，天加公司ORC項(xiàng)目中采用UTC旗下普惠公司的成熟透平技術(shù)和集成控制系統(tǒng)，余熱發(fā)電效率遠(yuǎn)高于同類螺桿膨脹機(jī)，應(yīng)用透平膨脹機(jī)使熱電效率從9%提升至23%。

國外著名企業(yè)如GE、Dresser-Rand、Linde、MAN TURBO、Atlas Copco及MHI等在工藝流程匹配、先進(jìn)材料應(yīng)用、高端加工工藝、葉輪設(shè)計(jì)試驗(yàn)及轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性分析等核心技術(shù)占據(jù)壟斷地位，現(xiàn)代空分裝置中透平膨脹機(jī)絕大多數(shù)選用的是國外生產(chǎn)的設(shè)備。

我國透平膨脹機(jī)生產(chǎn)廠家主要有杭氧集團(tuán)、開空集團(tuán)和川空集團(tuán)。國內(nèi)三大空分巨頭通過引進(jìn)吸收消化國外先進(jìn)技術(shù)和與國內(nèi)重點(diǎn)高校、科研院所合作，取得了不少成績，對透平膨脹機(jī)的熱力設(shè)計(jì)[20]、數(shù)值模擬[21]、轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)[22，23]及軸向推力計(jì)算[24，25]等方向進(jìn)行了深入研究。杭氧集團(tuán)于1992年引進(jìn)NREC透平設(shè)計(jì)軟件，NREC軟件具有先進(jìn)的性能計(jì)算程序、流動(dòng)分析與葉輪造型模塊，結(jié)合美國國家標(biāo)準(zhǔn)局的流體物性計(jì)算程序，使設(shè)計(jì)達(dá)到了很高的準(zhǔn)確度，設(shè)計(jì)出的轉(zhuǎn)子流道流動(dòng)損失較小。同時(shí)，杭氧集團(tuán)引進(jìn)瑞典五軸數(shù)控銑床，確保了流道和葉片型面的加工精度。在轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)方面，杭氧與西安交大、上海交大及浙江大學(xué)等高校合作，對主軸振動(dòng)、不平衡響應(yīng)等方面進(jìn)行了研究，提高了膨脹機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性。目前杭氧已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了30 000～60 000Nm3/h空分設(shè)備的全部國產(chǎn)化，2013年杭氧與西安交大合作開發(fā)了等熵效率不小于78.8%的全液體透平膨脹機(jī)組，在某40 000Nm3/h等級內(nèi)壓縮空分項(xiàng)目上實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化應(yīng)用[26]。川空集團(tuán)于1978年起不斷引進(jìn)GE公司旗下Rotoflow、德國Linde等公司的設(shè)計(jì)制造技術(shù)，經(jīng)過幾十年的消化吸收，目前具備生產(chǎn)50～100 000Nm3/h空分設(shè)備增壓透平膨脹機(jī)和液態(tài)膨脹機(jī)，30～480t/d氣體液化裝置用增壓透平膨脹機(jī)，(3～1 000)×104Nm3/d、10MPa天然氣液化分離裝置用增壓透平膨脹機(jī)的能力。開空集團(tuán)在20世紀(jì)60年代開始從事透平膨脹機(jī)的研發(fā)、生產(chǎn)、設(shè)計(jì)和制作，通過與西安交通大學(xué)聯(lián)合研究開發(fā)，并引進(jìn)國外先進(jìn)的透平膨脹機(jī)設(shè)計(jì)軟件包和先進(jìn)的加工機(jī)床，目前已經(jīng)生產(chǎn)了上千臺(tái)機(jī)組廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石化等工業(yè)部門，目前開空集團(tuán)最新生產(chǎn)的PLPK-1283/39×5型透平膨脹機(jī)，與天津榮程82 000Nm3/h空分配套，其流量為77 000Nm3/h，膨脹比為8，額定轉(zhuǎn)速為18 200r/min，等熵效率不小于86%。

3.3 低溫液體泵

低溫液體泵是在空分、化工裝置中用來輸送低溫液體(如液氮(-196℃)、液氧(-183℃)、液氬及液化天然氣等)的特殊泵，空分系統(tǒng)中使用的低溫液體泵主要是液氧泵和液氮泵，低壓低溫液體在低溫液體泵中增壓后進(jìn)入汽化器成為高壓常溫氣體供用戶使用。煤化工內(nèi)壓縮空分系統(tǒng)中使用液氧泵使系統(tǒng)簡單得多，費(fèi)用也小于使用氧壓機(jī)，且比直接壓縮氧氣要安全得多；煤化工內(nèi)壓縮空分系統(tǒng)中使用液氮泵則是出于工藝考慮，空分裝置需為下游工藝提供必要的不同壓力等級的氮?dú)猓词箍辗痔?，氮?dú)庖膊荒芡Ｖ构?yīng)，因而需要配置液氮儲(chǔ)槽和液氮泵。低溫液體泵由于輸送介質(zhì)出于極低溫的狀態(tài)，在材料、結(jié)構(gòu)、運(yùn)行上有特殊要求，因而國內(nèi)外僅有極少數(shù)企業(yè)能夠生產(chǎn)?？辗窒到y(tǒng)中采用的低溫泵往往采用國外進(jìn)口，主要的設(shè)備生產(chǎn)商有法國Cryostar、Fives、瑞士Cryomec、美國Flowserve及ACD等。

2000年以前，國內(nèi)多家企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)對低溫液體泵的國產(chǎn)化進(jìn)行了探索，由于“高壓低溫”的難題始終沒有得到解決，我國在低溫液體泵方面的研究往往集中在數(shù)值模擬、軸振動(dòng)、泵空化、汽蝕、水力設(shè)計(jì)、流場測試，但由于科研工作存在理論與實(shí)踐嚴(yán)重脫節(jié)的問題，國內(nèi)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的低溫液體泵產(chǎn)品很少見于報(bào)道[27]。據(jù)報(bào)道，在2009年我國大連深藍(lán)泵業(yè)有限公司研發(fā)成功多級低溫液氧泵，應(yīng)用于山東華魯恒升化工股份有限公司，經(jīng)過調(diào)試，機(jī)組平穩(wěn)，技術(shù)性能達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

液氮設(shè)備制造技術(shù)門檻很高，目前國內(nèi)僅有兩家石油裝備技術(shù)公司具備生產(chǎn)液氮車的能力，但液氮泵仍是使用國外產(chǎn)品。

4 國內(nèi)空分裝置動(dòng)靜設(shè)備選用

表2為當(dāng)前國內(nèi)空分裝置動(dòng)靜設(shè)備選用概況，以前述6種動(dòng)靜設(shè)備為例，我國完全實(shí)現(xiàn)了中大型空分項(xiàng)目靜設(shè)備的國產(chǎn)化，但大型和特大型空分項(xiàng)目中的靜設(shè)備主要還是依賴于進(jìn)口。在動(dòng)設(shè)備方面我國落后得比較多，國內(nèi)制造商還不具備生產(chǎn)中大型空分項(xiàng)目配套壓縮機(jī)的能力，我國三大空分供應(yīng)商對透平膨脹機(jī)技術(shù)掌握得較多，已經(jīng)具備了生產(chǎn)大型空分項(xiàng)目配套透平膨脹機(jī)的能力，在低溫液體泵方面幾乎還是空白，盡管具備了生產(chǎn)部分動(dòng)設(shè)備的能力，但由于國產(chǎn)設(shè)備性能、運(yùn)行穩(wěn)定性等方面的不足，國內(nèi)空分裝置中動(dòng)設(shè)備還是以進(jìn)口為主。

表2 國內(nèi)空分裝置動(dòng)靜設(shè)備常見選用概況

5 結(jié)束語

我國目前已經(jīng)具備了大型和特大型空分項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、制造能力，盡管核心動(dòng)設(shè)備的前沿研究已經(jīng)非常成熟，但國內(nèi)相關(guān)透平機(jī)械廠家技術(shù)能力相對薄弱，先進(jìn)的研究成果往往不能夠產(chǎn)業(yè)化，絕大多數(shù)空分動(dòng)設(shè)備依賴進(jìn)口，近年來我國在空分靜設(shè)備方面卻取得了很大的突破，在靜設(shè)備的研發(fā)設(shè)計(jì)的很多方面已經(jīng)能夠推陳出新，突破國外壟斷。在國家政策推進(jìn)制造業(yè)核心設(shè)備國產(chǎn)化的要求下，透平機(jī)械作為高端制造業(yè)的代表，應(yīng)當(dāng)?shù)玫絿掖罅ε嘤瑫r(shí)國內(nèi)動(dòng)設(shè)備廠家也應(yīng)該提高自身研發(fā)能力，在深化與科研院所和國外先進(jìn)企業(yè)合作的同時(shí)加強(qiáng)前沿研究成果在產(chǎn)業(yè)化的應(yīng)用，鼓勵(lì)自主創(chuàng)新，努力突破行業(yè)壁壘，當(dāng)前空分行業(yè)的快速發(fā)展也正是核心設(shè)備國產(chǎn)化的重要契機(jī)。

[1] 李化治.制氧技術(shù)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2010.

[2] 谷蕊英.水冷卻塔分布器堵塞原因分析及改進(jìn)[J].化工機(jī)械，2012，39(3)：385～386.

[3] 周敦武，黃政明.武鋼60000m3/h空分設(shè)備空冷塔激冷水分配器故障分析及處理[J].深冷技術(shù) 2007，(4)：46～48.

[4] 王松漢.板翅式換熱器[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1984.

[5] 劉景成.面向超大型空分板翅換熱器的導(dǎo)流增效結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2015.

[6] 胡迪，顧燕新，金滔，等.臥式垂直氣流分子篩吸附器內(nèi)的流場分析[J].低溫工程，2010，(5)：16～20.

[7] 夏紅麗，林秀娜，李劍鋒.大型徑向流分子篩吸附器的研發(fā)與應(yīng)用[J].深冷技術(shù)，2013，(2)：18～22.

[8] 項(xiàng)宇，陳翔.分子篩的發(fā)展及在空分設(shè)備中的應(yīng)用[J].深冷技術(shù)，2016，(3)：20～23.

[9] 李劍鋒.不同類型分子篩對徑向流吸附器流場的影響分析[J].深冷技術(shù)，2016，(3)：11～15.

[10] 蔣旭，姜曉霜，厲彥忠.立式三層冷凝蒸發(fā)器的研發(fā)設(shè)計(jì)[J].化工機(jī)械，2014，41(4)：517～519.

[11] 蔣旭.立式三層及四層冷凝蒸發(fā)器的研發(fā)[J].深冷技術(shù)，2015，(1)：31～34.

[12] 陳桂珍.杭氧空分設(shè)備精餾塔的技術(shù)現(xiàn)狀及進(jìn)展[J].深冷技術(shù)，2005，(2)：5～8.

[13] Krain H.Review of Centrifugal Compressor's Application and Development[J].Journal of Turbomachinery，2005，127(1)：25～34.

[14] Sorokes J M，Kuzdzal M J，張海界.離心壓縮機(jī)的發(fā)展歷程[J].風(fēng)機(jī)技術(shù)，2011，(3)：61～71.

[15] 徐偉.具有自適應(yīng)功能的離心壓縮機(jī)孔式機(jī)匣處理方法理論與實(shí)驗(yàn)研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2012.

[16] 席光，周莉，王志恒，等.進(jìn)口導(dǎo)葉與葉片擴(kuò)壓器匹配的實(shí)驗(yàn)研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，40(9)：993～995，1108.

[17] 曹明強(qiáng)，張楊，楊國安.壓縮機(jī)不同轉(zhuǎn)速下性能參數(shù)隨流量變化研究[J].化工機(jī)械，2015，42(2)：172～175.

[18] 舒信偉.基于CFD流場分析的多工況多約束條件的葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)方法與實(shí)驗(yàn)研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2009.

[19] 高闖.離心壓縮機(jī)無葉擴(kuò)壓器失速與系統(tǒng)喘振先兆分析研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2011.

[20] 郭濤.基于知識(shí)的透平膨脹機(jī)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D].杭州：浙江大學(xué)，2006.

[21] 孟再強(qiáng).透平膨脹機(jī)葉輪流熱固耦合數(shù)值模擬及分析[D].上海：上海交通大學(xué)，2013.

[22] 李祖輝，童水光，郭濤.大型透平膨脹機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析[J].化工機(jī)械，2006，33(1)：20～23.

[23] 季偉，孫郁，張武.高速多級空氣透平膨脹機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)研究[J].化工機(jī)械，2016，43(2)：174～177.

[24] 李超，張國軍，程金明，等.基于CFD的透平膨脹機(jī)軸向推力計(jì)算[J].化工機(jī)械，2015，42(1)：110～115.

[25] 張國軍.透平膨脹機(jī)軸向力數(shù)值計(jì)算方法研究[D].蘭州：蘭州理工大學(xué)，2014.

[26] 陳克平.能量回收裝置型透平膨脹機(jī)的開發(fā)與應(yīng)用[J].深冷技術(shù)，2016，(3)：24～26.

[27] 牟介剛.離心泵現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法研究和工程實(shí)現(xiàn)[D].杭州：浙江大學(xué)，2005.

DevelopmentStatusofRotatingMachineryandStaticEquipmentsinDomesticCryogenicAirSeparationSystem

NIE Fu-liang,ZHANG Hong-wei

(ZhejiangEnergyGroupR&DInstituteCo.,Ltd.)

Taking the inner compression process’s air separation system prepared for a coal gas project as an example,the process of oxygen generation and the operation of rotating and static equipments were introduced briefly,of which,the development of molecular sieve absorber,plate-fin heat exchanger,distillation column and centrifugal compressor,turbo-expander and cryogenic liquid pump were illuminated in detail.Finally,both general selection and use of rotating machinery and static equipments at home in air separation system was summarized.

air separation system,process of oxygen generation,rotating machinery and static equipment,development status

聶輔亮(1991-)，男，助理工程師，從事煤化工項(xiàng)目中空分系統(tǒng)的技術(shù)研究工作，865517825@qq.com。

TQ051.8

A

0254-6094(2017)04-0367-08

2016-08-31，

2016-12-29)