朱玉芹

69 000 Nm3·h-1空分裝置變負(fù)荷對(duì)系統(tǒng)的影響

朱玉芹

（河南能源集團(tuán)鶴壁煤化工有限公司，河南 鶴壁 458000）

鶴壁煤化工空分裝置利用動(dòng)力廠提供的8.8 MPa的高壓蒸汽驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)空氣壓縮機(jī)壓縮環(huán)境空氣，帶壓的工藝氣經(jīng)預(yù)冷、純化系統(tǒng)及膨脹機(jī)制冷后進(jìn)入精餾塔，采用低溫精餾的方法分離出氧、氮、氬，并為后系統(tǒng)提供合格的高壓氧氣、高中壓氮?dú)?、儀表氣，并生產(chǎn)副產(chǎn)品液氧、液氮、液氬。闡述了69 000 Nm3·h-1內(nèi)壓縮空分裝置在實(shí)際運(yùn)行中的變負(fù)荷原則、操作順序及操作速度，最后結(jié)合空分原理分析了變負(fù)荷時(shí)對(duì)主塔及氬系統(tǒng)的影響。

空分；內(nèi)壓縮；氬系統(tǒng)；變負(fù)荷

近年來，隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，為冶金、石化、化工等工業(yè)領(lǐng)域配套的大型空分得到迅速的發(fā)展和廣泛使用[1-3]。鶴壁煤電股份有限公司60萬t甲醇項(xiàng)目空分裝置具有69 000 Nm3·h-1的制氧能力，該裝置采用法國液空公司的空氣分離技術(shù)，采用內(nèi)壓縮流程和全精餾無氫制氬工藝，該套裝置具有變負(fù)荷能力，具體流程見圖1。根據(jù)市場(chǎng)價(jià)格的變化，可以對(duì)液氧、液氮的生產(chǎn)負(fù)荷和比例進(jìn)行調(diào)節(jié)，以更靈活的適應(yīng)市場(chǎng)對(duì)不同液體產(chǎn)品的需求。對(duì)帶氬的空分設(shè)備來說，變負(fù)荷是比較復(fù)雜的工況調(diào)節(jié)，會(huì)引起氬系統(tǒng)工況波動(dòng)，容易發(fā)生氮塞，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起氬系統(tǒng)停車，進(jìn)而造成氧氣產(chǎn)品純度、壓力波動(dòng)。

F01—過濾器；ST—汽輪機(jī)；C01—空壓機(jī)；C05—增壓機(jī)；E07—空冷塔；E60—水冷塔；X60—冷凍機(jī)；P60—冷卻水泵；R01/02—分子篩純化器；E08—蒸汽再生加熱器；E09—特殊再生加熱器；ET01—膨脹機(jī)；E01—主換熱器；E03—過冷器；K01—下塔；K02—上塔；E02—主冷；K10—粗氬塔；E10—粗氬塔冷凝器；K11—精氬塔；E15—精氬塔蒸發(fā)器；E16—精氬塔冷凝器；P03—液氧泵；P05—液氮泵；P10—粗氬泵；V30—液氬儲(chǔ)槽；V40—液氧儲(chǔ)槽；V50—液氮儲(chǔ)槽；V51—液氮儲(chǔ)槽；P30—液氬槽車泵；P40—液氧槽車泵；P50—液氮槽車泵；P51—事故氮泵；P33—?dú)宄淦勘茫籔43—氧充瓶泵；P53—氮充瓶泵；E51—水浴蒸發(fā)器；E52—?dú)饣?；E57—?dú)饣鳌?/p>

1 變負(fù)荷操作基本原則

空分裝置的變負(fù)荷操作，包括加負(fù)荷操作和減負(fù)荷操作兩個(gè)主要方面，均涉及空氣量的變化。在具體操作過程中，負(fù)荷的加減應(yīng)該緩慢進(jìn)行，避免因加減負(fù)荷強(qiáng)度過大使工況產(chǎn)生波動(dòng)，造成產(chǎn)品質(zhì)量和供氣壓力受影響。

空分裝置生產(chǎn)負(fù)荷無論是加負(fù)荷或減負(fù)荷的調(diào)整要都分步次逐漸加、減來完成，目的是保證調(diào)整過程中保持系統(tǒng)工況的相對(duì)穩(wěn)定。具體操作過程需要根據(jù)裝置的需求來確定每次負(fù)荷加減量的多少。加減負(fù)荷時(shí)首先要保證主塔物料含量不發(fā)生較大的變化為原則，一般空分負(fù)荷調(diào)整量控制在設(shè)備處理空氣量的0.5％～1％[4]范圍內(nèi)。負(fù)荷調(diào)整的時(shí)間間隔必須保證在下一次調(diào)整前，空分設(shè)備從空壓機(jī)、增壓機(jī)、膨脹機(jī)、精餾塔、氬系統(tǒng)到氣液態(tài)產(chǎn)品已充分消化了上一次的調(diào)整量，所調(diào)整參數(shù)已經(jīng)達(dá)到預(yù)定要求，高、低壓氮?dú)?，氧氣和液氧及氬氣、液氬等主要分析指?biāo)均在正常范圍內(nèi)且不產(chǎn)生較大波動(dòng)才能進(jìn)行加減負(fù)荷的操作。

為確保各種氣體及液體產(chǎn)品指標(biāo)不產(chǎn)生較大波動(dòng)，增加負(fù)荷時(shí)一般采取從空壓機(jī)到氬系統(tǒng)順序進(jìn)行，每次加空壓機(jī)導(dǎo)葉0.5％，空氣量增加750 Nm3·h-1,根據(jù)需求，可以緩慢多次增加空壓機(jī)導(dǎo)葉開度來提高系統(tǒng)負(fù)荷；降低負(fù)荷時(shí)一般采取從氬系統(tǒng)到空壓機(jī)的順序進(jìn)行。先通過降低氬系統(tǒng)負(fù)荷、到精餾系統(tǒng)，調(diào)整膨脹機(jī)的膨脹量到降低空壓機(jī)的空氣量來降低裝置負(fù)荷；在調(diào)整過程中，要將DCS系統(tǒng)趨勢(shì)平滑的上升或下降的直線為參考依據(jù)，保證各相關(guān)參數(shù)變化平穩(wěn)，避免引起系統(tǒng)較大波動(dòng)。

2 變負(fù)荷的操作順序及調(diào)整速度

在負(fù)荷調(diào)整操作過程中一定要把握好系統(tǒng)處理空氣量和所生產(chǎn)氣體產(chǎn)量之間的相對(duì)應(yīng)的變化及變化速度，增加負(fù)荷時(shí)要先增加系統(tǒng)處理空氣量，稍后再增加氧氣量、氮?dú)饬?，最后增加氬塔?fù)荷，反之，在減負(fù)荷時(shí)要先降低氬塔負(fù)荷、再減少氧氣量及氮?dú)饬?、最后減空氣量，需要注意的是在減負(fù)荷時(shí)要多減少氧氣量，使主冷氧純度高一些，這樣有利于控制氬餾分不至于太低，可以有效防止粗氬塔氮塞。而且空分裝置變負(fù)荷操作前必須在裝置負(fù)荷到70％以上，且所有的產(chǎn)品送出，純度到達(dá)要求后才能進(jìn)行；空分裝置變負(fù)荷操作是從一個(gè)平衡到另一平衡的動(dòng)態(tài)操作過程，在此過程中要建立物料平衡、冷量平衡、精餾塔氣液相平衡3個(gè)平衡。其中建立物料平衡和冷量平衡的時(shí)間長短取決于空壓機(jī)、膨脹機(jī)工況的調(diào)節(jié)速度。所以負(fù)荷調(diào)整操作的速度要平穩(wěn)。如果操作太快不僅會(huì)使主塔工況波動(dòng)太大，而且容易造成氬塔大幅度波動(dòng)而引起氮塞事故。

3 變負(fù)荷對(duì)主塔及氬塔的影響

變負(fù)荷操作過程中，如果加工空氣量增加過多過快時(shí)，會(huì)使主塔內(nèi)的上升蒸汽增加過快，而相應(yīng)的主冷中冷凝液體量也增加，主冷的熱負(fù)荷加大，當(dāng)傳熱面積不足時(shí)，主冷的溫差必然擴(kuò)大，下塔壓力升高，同時(shí)塔內(nèi)氣流速度增加，下流液體量增加，塔板上液層加厚，使塔板阻力增加，上下塔壓力相應(yīng)提高，這將對(duì)氧氮分離帶來不利影響，當(dāng)氣量過大時(shí)，會(huì)造成液體無法下流，下塔回流比變小，在塔底產(chǎn)生的液相氧純度較高，上升氣相氮純度較低，不利于下塔精餾工況，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)破壞主塔正常工況[5]。

當(dāng)加工空氣量減少過多時(shí)，可能出現(xiàn)上升氣量減少過多而托不住塔板上液體，將產(chǎn)生漏液現(xiàn)象，下漏的液體沒有與上升蒸汽充分接觸，部分蒸發(fā)不充分，造成回流比增大，液相氧純度低，氣相單純度較高。因?yàn)樵诰s過程中，下塔的富氧液空通過節(jié)流閥送到上塔作為上塔的回流液，如果氧純度低，會(huì)使上塔使精餾效果也大大下降，影響到產(chǎn)品氧氮的純度，嚴(yán)重時(shí)會(huì)破壞精餾塔工況，無法維持生產(chǎn)。

在變負(fù)荷過程中，隨著加工空氣量的變化，主冷的液位也會(huì)發(fā)生變化，所以在這一動(dòng)態(tài)過程中必須嚴(yán)格控制主冷液位，確保主冷液位的穩(wěn)定就能確保主塔工況不出現(xiàn)大幅波動(dòng)，對(duì)穩(wěn)定主塔工況起到重要的作用。

對(duì)主塔進(jìn)行負(fù)荷調(diào)整時(shí)，會(huì)對(duì)液空純度產(chǎn)生影響，從而影響氬塔的精餾工況；因?yàn)榇謿?、精氬冷凝器是有主塔的一部分富氧液空作冷源，所以液空的純度直接影響粗氬、精氬冷凝器的熱?fù)荷。當(dāng)氧氮純度發(fā)生變化時(shí)，即工況稍有變動(dòng)，氬在塔內(nèi)的分布也會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)氧氣純度變化0.1％，氬餾分氧的體積分?jǐn)?shù)就要變化0.8%~1％。氬餾分中的含氬量是隨氧純度提高而降低的。具體影響是：如果氬餾分含氧過高，將導(dǎo)致粗氬產(chǎn)品含氧量增高，產(chǎn)量降低，氬的提取率也降低。如果氬餾分含氮量過高，粗氬塔冷凝器中溫差減小，甚至降為零，這樣就會(huì)導(dǎo)致粗氬冷凝器冷凝量減少或者不冷凝，使粗氬塔無法工作。并且，隨著氬餾分抽出量減少，上塔回流比也相應(yīng)減少，氧純度提高，使得氬餾分中含氮量也相應(yīng)減少。于是冷凝蒸發(fā)器溫差又會(huì)擴(kuò)大，氬餾分抽出量又會(huì)增大，這樣反復(fù)變化，使粗氬塔無法正常工作。因此，只有在空分設(shè)備工況特別穩(wěn)定，氧氮純度都滿足要求時(shí)才能進(jìn)行負(fù)荷的調(diào)整。

4 結(jié)束語

空分裝置作為化工生產(chǎn)的中間環(huán)節(jié)，其穩(wěn)定與否關(guān)系整個(gè)化工裝置的穩(wěn)定，變負(fù)荷作為空分操作中的重要部分，操作時(shí)都要緩慢進(jìn)行，并要及時(shí)、恰當(dāng)，力求空分裝置的穩(wěn)定。

[1]賀永德. 現(xiàn)代煤化工技術(shù)手冊(cè)[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2011: 681-713.

[2] 劉勛. 大型煤化工空分技術(shù)與設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀[J].中國高新區(qū)，2017，16: 160.

[3] 余化, 馮天照. 大型空分裝置國產(chǎn)化技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r及應(yīng)用前景[J]. 化肥設(shè)計(jì)，2014（1）: 9-12.

[4]尹超, 涂后沅. 變負(fù)荷操作對(duì)空分裝置制氬系統(tǒng)工況的影響[J]. 低溫與特氣，2008（2）：30-32.

[5]蔣旭, 王忠建. 空分設(shè)備制氬系統(tǒng)原理與操作淺析[J]. 氣體分離，2013（2）：21-28.

Influence of Variable Load Operation on 65 000 Nm3·h-1Air Separation Unit

（Hebi Coal Chemical Industry Co., Ltd. of Henan Energy and Chemical Industry Group, Hebi Henan 458000,China）

The air separation unit of Hebi Coal Chemical Industry Co., Ltd.uses 8.8 MPa high pressure steam provided by power plant to drive turbine air compressor to compress ambient air. Process gas with pressure enters into rectification tower after being cooled by precooling, purification system and expander. Oxygen, nitrogen and argon are separated by low-temperature distillation, and qualified high-pressure oxygen, high-pressure nitrogen and instrument gas are provided for the next system, and the by-products are liquid oxygen, liquid nitrogen and liquid argon. In this article, operating principle, operating sequence and operating speed of the 65000 Nm3·h-1internal compression air separation unit in actual operation were mainly expounded. At last, based on the principle of air separation, the influence of load changing on the main tower and argon system was analyzed.

Air separation unit; Internal compression; Argon system; Variable load operation

2020-08-06

朱玉芹（1983-），女，工程師，河南省濮陽市人，2007年畢業(yè)于河南科技學(xué)院化學(xué)工程與工藝專業(yè)，從事煤化工生產(chǎn)技術(shù)工作。

TQ116.11

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1004-0935（2020）09-1108-03