樊少波，王建成

[陽煤豐喜肥業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司臨猗分公司，山西 臨猗 044100]

0 引 言

陽煤豐喜肥業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司臨猗分公司(簡稱豐喜臨猗分公司)主產(chǎn)品產(chǎn)能為氨醇640 kt/a、尿素750 kt/a、三聚氰胺100 kt/a，配套14 000 m3/h空分裝置(2003年投運(yùn))、28 000 m3/h空分裝置(2008年投運(yùn))、40 000 m3/h空分裝置(2017年投運(yùn))各1套，均為汽拖空分裝置，受鍋爐蒸汽產(chǎn)量限制等，現(xiàn)運(yùn)行1套40 000 m3/h空分裝置，其余2套空分裝置備用?；谄髽I(yè)的實(shí)際生產(chǎn)狀況，豐喜臨猗分公司計(jì)劃將28 000 m3/h空分裝置由汽拖改為電拖，28 000 m3/h空分裝置改造投用后，富裕的氧氣供應(yīng)合成氨裝置固定床造氣系統(tǒng)和甲醇裝置水煤漿氣化系統(tǒng)，以降低原料煤消耗、提高企業(yè)的市場競爭力。

所謂電拖空分裝置，即用一臺(tái)電機(jī)拖動(dòng)空壓機(jī)、另一臺(tái)電機(jī)拖動(dòng)增壓機(jī)，空壓機(jī)和增壓機(jī)均可單獨(dú)運(yùn)行；所謂汽拖空分裝置，即用一臺(tái)雙出軸式汽輪機(jī)同時(shí)拖動(dòng)空壓機(jī)和增壓機(jī)，空壓機(jī)和增壓機(jī)同時(shí)啟動(dòng)或停運(yùn)?？辗盅b置選擇電拖還是汽拖，取決于諸多因素。以下結(jié)合豐喜臨猗分公司的實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)等，對汽拖空分裝置與電拖空分裝置進(jìn)行對比分析，供業(yè)內(nèi)交流與參考。

1 空分裝置運(yùn)行影響因素對比分析

空分裝置的主要用途是為后工段提供合格的氧氣、氮?dú)夂蛢x表空氣等，屬于重要的公用工程系統(tǒng)之一。對于煤化工裝置而言，空分裝置運(yùn)行穩(wěn)定，則公用工程系統(tǒng)就能穩(wěn)定運(yùn)行，若空分裝置出現(xiàn)故障，會(huì)危及全廠生產(chǎn)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，故其穩(wěn)定運(yùn)行極其重要。

1.1 鍋爐蒸汽壓力及溫度對汽輪機(jī)的影響

對于汽拖空分裝置而言，鍋爐蒸汽壓力及溫度對空分裝置的運(yùn)行有著重大影響，尤其是鍋爐蒸汽壓力的影響。煤化工企業(yè)鍋爐是靠燃煤來產(chǎn)蒸汽的，燃料煤煤質(zhì)與爐水水質(zhì)均會(huì)影響鍋爐的正常運(yùn)行，尤為關(guān)鍵的是鍋爐爐管的磨損問題。為維持空分裝置的連續(xù)運(yùn)行，大部分煤化工企業(yè)一般建設(shè)2套鍋爐系統(tǒng)(一開一備)，當(dāng)在運(yùn)鍋爐出現(xiàn)異常時(shí)，迅速啟動(dòng)備用鍋爐，但啟動(dòng)備用鍋爐需要6～8 h，在運(yùn)鍋爐出現(xiàn)小漏點(diǎn)或小故障時(shí)，啟動(dòng)備用鍋爐可以接力上；如果在運(yùn)鍋爐出現(xiàn)大漏點(diǎn)或嚴(yán)重異常時(shí)，還沒等到備用鍋爐接力上，在運(yùn)空分裝置已經(jīng)難以維持而停運(yùn)了。簡言之，鍋爐蒸汽壓力及溫度是汽拖空分裝置最關(guān)鍵的影響因素之一。

1.2 電網(wǎng)波動(dòng)或斷電急停對電器設(shè)施的影響

實(shí)際生產(chǎn)中，由于國家電網(wǎng)供電充足，而且大型煤化工企業(yè)重要的廠控設(shè)備還實(shí)現(xiàn)了雙回路供電，電網(wǎng)波動(dòng)或斷電現(xiàn)象很少發(fā)生，但因外電網(wǎng)“晃電”而造成部分生產(chǎn)裝置及全廠生產(chǎn)裝置停車的情況在業(yè)內(nèi)并不少見。電網(wǎng)波動(dòng)或斷電情況在豐喜臨猗分公司偶爾發(fā)生過，主要是施工過程中人為因素所致，不過這種情況通過加強(qiáng)管理是可以避免的。

1.3 循環(huán)水系統(tǒng)的影響

對于空分裝置而言，循環(huán)水的主要作用是冷卻加壓后的空氣(一般情況下加壓后的空氣需冷卻至40 ℃以下再進(jìn)入下一級繼續(xù)加壓)和潤滑油，因此循環(huán)水水質(zhì)管理是生產(chǎn)管理中的重要環(huán)節(jié)。夏季由于細(xì)菌繁殖較快，殺菌劑等藥劑要根據(jù)循環(huán)水水質(zhì)分析數(shù)據(jù)及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，杜絕人為因素導(dǎo)致藥劑混淆注入循環(huán)水系統(tǒng)而造成起沫或結(jié)垢等現(xiàn)象(這種現(xiàn)象很少發(fā)生)。豐喜臨猗分公司循環(huán)水系統(tǒng)實(shí)行雙人加藥制，在藥劑質(zhì)量和藥劑注入量方面均有嚴(yán)格的管理措施。

1.4 潤滑油對動(dòng)設(shè)備的影響

空分裝置汽輪機(jī)(對于汽拖空分裝置而言)、空壓機(jī)和增壓機(jī)之軸瓦均采用巴氏合金，對潤滑油油質(zhì)和油溫均有嚴(yán)格要求，尤其是油溫需嚴(yán)格控制，比如油溫>115 ℃后空壓機(jī)組就會(huì)聯(lián)鎖跳車。目前市場上多使用46#抗氧防銹汽輪機(jī)潤滑油，其已在豐喜臨猗分公司使用了20多年，使用以來相關(guān)動(dòng)設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，各項(xiàng)參數(shù)均在控制范圍內(nèi)；另外，由于汽輪機(jī)運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生一些油煙，正常生產(chǎn)中要嚴(yán)格監(jiān)視油箱油位，詳細(xì)記錄油位的下降刻度和下降時(shí)間段，平時(shí)要按規(guī)定頻次做好潤滑油油質(zhì)分析，做好這些運(yùn)行維護(hù)及監(jiān)護(hù)工作，基本上就能保證不會(huì)因潤滑油方面的問題而影響汽輪機(jī)、空壓機(jī)和增壓機(jī)的正常運(yùn)行。

1.5 大氣環(huán)境的影響

空分裝置所用原料空氣來自于大氣，大氣環(huán)境也會(huì)影響空分裝置的運(yùn)行。典型的空氣質(zhì)量(雜質(zhì)含量限值)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)條件為：機(jī)械雜質(zhì)含量30 mg/m3、CO2450×10-6(體積分?jǐn)?shù)，下同)、CH45×10-6、C2H40.1×10-6、C2H60.1×10-6、C2H20.3×10-6、C3H80.05×10-6、總烴(CnHm)8×10-6、N2O 0.35×10-6。目前化工企業(yè)的空分裝置一般均設(shè)在工廠的上風(fēng)口位置，一般情況下空分裝置受工廠泄漏氣體或其他氣體的影響較小，但空氣質(zhì)量仍須有效監(jiān)控。豐喜臨猗分公司在空分裝置之空壓機(jī)進(jìn)口前加裝有在線監(jiān)測裝置，實(shí)時(shí)監(jiān)控大氣中的微量成分，并定期進(jìn)行手動(dòng)分析以判斷在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，且還在空分裝置精餾系統(tǒng)中在線檢測液氧中的C2H2、NOx及CnHm等微量雜質(zhì)的含量，同時(shí)在液氮側(cè)采取連續(xù)排放不凝氣等安全手段，其目的是保證空分裝置精餾系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行?？傮w而言，各項(xiàng)技術(shù)措施的運(yùn)用，使得空氣質(zhì)量(大氣環(huán)境)對空分裝置的影響幾乎可以忽略。

1.6 設(shè)備泄漏對空分裝置的影響

設(shè)備泄漏主要是指空分裝置冷箱內(nèi)設(shè)備發(fā)生泄漏，空壓機(jī)系統(tǒng)、預(yù)冷系統(tǒng)和純化系統(tǒng)的泄漏均可以直觀判斷出來，唯獨(dú)冷箱內(nèi)部的泄漏需進(jìn)行檢測等才能予以判斷。冷箱內(nèi)設(shè)備屬于低溫設(shè)備，空氣液化溫度低至-173 ℃，冷箱內(nèi)的設(shè)備需用鐵板包圍，然后在空隙間裝填珠光砂進(jìn)行保冷，并在珠光砂層中充滿干燥的氮?dú)饣蛭鄣獨(dú)庖跃S持冷箱內(nèi)珠光砂層的微正壓，杜絕濕空氣進(jìn)入冷箱內(nèi)部而發(fā)生結(jié)冰等現(xiàn)象，且需定期在冷箱頂部進(jìn)行砂層氣的氧含量分析，以分析判斷冷箱內(nèi)的設(shè)備是否有泄漏現(xiàn)象。豐喜臨猗分公司空分裝置運(yùn)行多年來，日常生產(chǎn)中精心操作，嚴(yán)格控制各項(xiàng)工藝指標(biāo)，冷箱內(nèi)部設(shè)備及管道的溫差控制良好，杜絕了熱脹冷縮造成的應(yīng)力釋放而致泄漏，冷箱內(nèi)設(shè)備幾乎沒有發(fā)生過泄漏。

1.7 操作不當(dāng)對空分裝置的影響

正常生產(chǎn)中空分裝置的運(yùn)行一般很穩(wěn)定，無需進(jìn)行多余的操作，集中精力監(jiān)控工藝參數(shù)即可，操作不當(dāng)主要出現(xiàn)在空分裝置開/停車過程中。開/停車過程壓力波動(dòng)較大，尤其是預(yù)冷系統(tǒng)和純化系統(tǒng)——預(yù)冷系統(tǒng)壓力波動(dòng)大易造成空氣帶水入純化系統(tǒng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使純化系統(tǒng)的分子篩失活而“凍壞”冷箱；純化系統(tǒng)壓力波動(dòng)大，易造成分子篩床層吹翻或不平，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)“平峰”或“雙峰值”現(xiàn)象，導(dǎo)致分子篩不能完全吸附空氣中的水分和CO2等雜質(zhì)氣體，雜質(zhì)氣體進(jìn)入低溫冷箱后易產(chǎn)生冷箱結(jié)冰現(xiàn)象，堵塞冷箱內(nèi)部板式換熱器的通道，使氣體不能正常進(jìn)行熱冷交換而被迫停車進(jìn)行復(fù)熱。日常操作尤其是開/停車過程中，要嚴(yán)格遵照操作規(guī)程與工藝指標(biāo)，及時(shí)消除人為干擾因素或誤操作現(xiàn)象，保障空分裝置的平穩(wěn)運(yùn)行。

1.8 小 結(jié)

電拖空分裝置和汽拖空分裝置不同的只是空壓機(jī)組的拖動(dòng)方式，電拖空分裝置除不考慮蒸汽方面的影響外，其他影響因素均需考慮，不過就目前運(yùn)行的空分裝置而言，電拖空分裝置的影響因素相對少一點(diǎn)(沒有鍋爐產(chǎn)汽方面的影響)，因而電拖空分裝置的穩(wěn)定運(yùn)行周期普遍比汽拖空分裝置的穩(wěn)定運(yùn)行周期長，開/停車次數(shù)明顯比汽拖空分裝置少很多，其運(yùn)行更加穩(wěn)定。

2 設(shè)備配置對比分析

汽拖空分裝置與電拖空分裝置，在設(shè)備配置上除了空壓機(jī)和增壓機(jī)的拖動(dòng)設(shè)備不一樣，其余預(yù)冷系統(tǒng)、純化系統(tǒng)、精餾系統(tǒng)及液體儲(chǔ)備系統(tǒng)等都一樣。以40 000 m3/h空分裝置為例，其設(shè)備配置如下。

2.1 40 000 m3/h汽拖空分裝置設(shè)備配置

(1)主要?jiǎng)釉O(shè)備：① 汽輪機(jī)(1臺(tái))，蒸汽用量93.6～110.4 t/h，進(jìn)口壓力8.8～9.8 MPa、出口壓力-0.085 MPa，前軸功率18 295 kW(空壓機(jī)側(cè))、后軸功率10 915 kW(增壓機(jī)側(cè))；② 空壓機(jī)(1臺(tái))，空氣流量210 000 m3/h(標(biāo)態(tài)，下同)，進(jìn)口壓力0.091 MPa(A)、出口壓力0.52 MPa，軸功率17 150 kW；③ 增壓機(jī)(1臺(tái))，空氣流量110 000 m3/h(空壓機(jī)出口氣體一部分直接進(jìn)入冷箱下塔，剩余部分進(jìn)入增壓機(jī))，進(jìn)口壓力0.475 MPa、出口壓力7.0 MPa，軸功率9 989 kW。

(2)主要靜設(shè)備：① 自潔式空氣過濾器(60臺(tái)為1組，6組共360臺(tái))，規(guī)格φ320 mm×900 mm；② 凝汽器(1臺(tái))，規(guī)格φ2 980 mm×9 631 mm，循環(huán)水用量6 374 m3/h；③ 水冷塔(1座)，規(guī)格φ3 650 mm×15 530 mm，循環(huán)水用量100 m3/h；④ 空冷塔(1座)，規(guī)格φ4 350 mm×24 963 mm，循環(huán)水用量460 m3/h；⑤ 分子篩吸附器(2臺(tái)，切換運(yùn)行，4 h切換一次)，規(guī)格φ3 964 mm×14 386 mm；⑥ 分餾塔下塔(1座)，規(guī)格φ3 600 mm×13 310 mm；⑦ 分餾塔上塔(1座)，規(guī)格φ3 200 mm×33 790 mm；⑧ 粗氬塔(1座)，規(guī)格φ3 000 mm×3 634 mm。

2.2 40 000 m3/h電拖空分裝置設(shè)備配置

(1)主要?jiǎng)釉O(shè)備：① 空壓機(jī)(1臺(tái))，空氣流量210 000 m3/h，進(jìn)口壓力0.091 MPa(A)、出口壓力0.52 MPa，配套電機(jī)(1臺(tái))電壓10 kV、功率21 500 kW；② 增壓機(jī)(1臺(tái))，空氣流量110 000 m3/h，進(jìn)口壓力0.475 MPa、出口壓力7.0 MPa，配套電機(jī)(1臺(tái))電壓10 kV、功率12 000 kW。

(2)主要靜設(shè)備：① 自潔式空氣過濾器(60臺(tái)為1組，6組共360臺(tái))，規(guī)格φ320 mm×900 mm；② 水冷塔(1座)，規(guī)格φ3 650 mm×15 530 mm，循環(huán)水用量100 m3/h；③ 空冷塔(1座)，規(guī)格φ4 350 mm×24 963 mm，循環(huán)水用量460 m3/h；④ 分子篩吸附器(2臺(tái)，切換運(yùn)行，4 h切換一次)，規(guī)格φ3 964 mm×14 386 mm；⑤ 分餾塔下塔(1座)，規(guī)格φ3 600 mm×13 310 mm；⑥ 分餾塔上塔(1座)，規(guī)格φ3 200 mm×33 790 mm；⑦ 粗氬塔(1座)，規(guī)格φ3 000 mm×3 634 mm。

2.3 小 結(jié)

由上述主要設(shè)備配置情況可以看出，電拖空分裝置比汽拖空分裝置多了2臺(tái)電機(jī)，但少了1臺(tái)汽輪機(jī)、凝汽器及配套系統(tǒng)(不計(jì)燃煤鍋爐系統(tǒng))，循環(huán)水用量少耗6 374 m3/h；布局上，電拖空分裝置空壓機(jī)組廠房占地面積更少，看上去更美觀、整潔。

3 開車過程對比分析

3.1 汽拖空分裝置

汽拖空分裝置開車前，首先要啟動(dòng)鍋爐系統(tǒng)，啟動(dòng)過程一般最少需6 h；蒸汽品質(zhì)達(dá)到要求后，開始暖管(汽輪機(jī)進(jìn)汽要求為過熱蒸汽)，暖管大概需要2 h；暖管結(jié)束后開始汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)，汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)也是汽輪機(jī)暖機(jī)的一個(gè)重要過程(汽輪機(jī)暖機(jī)不好，勢必造成其振動(dòng)大或膨脹不均勻，導(dǎo)致聯(lián)鎖停機(jī))，汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)達(dá)到給預(yù)冷系統(tǒng)充壓的條件大概需要4 h。可以看到，汽拖空分裝置開車前期準(zhǔn)備時(shí)間最少需要12 h。之后，汽拖空分裝置進(jìn)行預(yù)冷系統(tǒng)和純化系統(tǒng)的充壓，待露點(diǎn)合格(<-65 ℃)后啟動(dòng)膨脹機(jī)和精餾系統(tǒng)，正常啟動(dòng)后就是積液和調(diào)純過程，產(chǎn)品氧氣和氮?dú)饧兌群细窈箝_始正常供氧，這個(gè)過程一般最少需要約3 h。簡言之，汽拖空分裝置從鍋爐啟動(dòng)到空分裝置正常供氧最少需要15 h。

3.2 電拖空分裝置

電拖空分裝置開車沒有那么多的前期準(zhǔn)備工作，只需用變頻器將空壓機(jī)啟動(dòng)，達(dá)額定轉(zhuǎn)速后切入工頻，即可正常運(yùn)轉(zhuǎn)，前后不到20 min；空壓機(jī)正常運(yùn)行后，預(yù)冷系統(tǒng)和純化系統(tǒng)充壓；純化系統(tǒng)運(yùn)行正常后啟動(dòng)增壓機(jī)，啟動(dòng)增壓機(jī)和啟動(dòng)空壓機(jī)的過程一樣，先用變頻器將增壓機(jī)啟動(dòng)，達(dá)額定轉(zhuǎn)速后切入工頻即可正常運(yùn)轉(zhuǎn)，前后不到20 min；增壓機(jī)正常啟動(dòng)后，就可以按順序啟動(dòng)膨脹機(jī)和精餾系統(tǒng)了，然后就是積液和提純，產(chǎn)品氧氣和氮?dú)饧兌群细窈缶湍苷９┭趿恕：喲灾?，電拖空分裝置一般只需4 h就能正常供氧，大大縮短了空分裝置的開車時(shí)間(以上啟動(dòng)時(shí)間均以40 000 m3/h空分裝置精餾塔主冷液位處于同等水平為準(zhǔn)，實(shí)際上如80 000 m3/h或100 000 m3/h大型空分裝置，由于種種原因，其開車時(shí)間會(huì)更長)。

4 能耗與運(yùn)行成本對比分析

以40 000 m3/h空分裝置為例，汽拖空分裝置耗蒸汽約100 t/h(以全凝式汽輪機(jī)計(jì))，而電拖空分裝置每小時(shí)耗電量約33 500 kW·h，且電拖空分裝置因少了凝汽器，不用設(shè)置凝結(jié)水泵(配套電機(jī)功率110 kW)；其余的油泵電機(jī)、油箱風(fēng)機(jī)、冷凍水泵及冷水機(jī)組等的耗電量，電拖空分裝置與汽拖空分裝置的能耗是一樣的；電拖空分裝置不設(shè)置凝汽器，循環(huán)水用量少耗6 374 m3/h，相應(yīng)的循環(huán)水泵用電量會(huì)大幅下降。在此不作詳細(xì)分析。

以豐喜臨猗分公司汽拖空分裝置配套鍋爐蒸汽(9.8 MPa、540 ℃過熱蒸汽)生產(chǎn)成本約217.1元/t、用電價(jià)格為0.512元/(kW·h)為例，進(jìn)行空壓機(jī)和增壓機(jī)正常生產(chǎn)成本對比：汽拖空分裝置(開車期間暖管和暖機(jī)浪費(fèi)的蒸汽不計(jì))，耗蒸汽量100 t/h，小時(shí)運(yùn)行成本為21 710.0元；電拖空分裝置，小時(shí)耗電量33 500 kW·h，小時(shí)運(yùn)行成本為17 152元?？梢钥闯?，對于40 000 m3/h空分裝置而言，電拖空分裝置運(yùn)行成本比汽拖空分裝置小時(shí)運(yùn)行成本低4 558元，折算為氧氣生產(chǎn)成本，則電拖空分裝置比汽拖空分裝置節(jié)約氧氣成本約0.114元/m3，按年運(yùn)行8 000 h計(jì)，全年可節(jié)約運(yùn)行成本約3 648萬元，電拖空分裝置比汽拖空分裝置更具競爭優(yōu)勢。

就單套40 000 m3/h空分裝置而言，汽拖空分裝置的投資約1.5億元，而電拖空分裝置的投資約1.7億元，雖然投資上電拖空分裝置比汽拖空分裝置略高，但汽拖空分裝置一般需配套2套鍋爐系統(tǒng)，還需投資約1.8億元。

5 空分裝置由汽拖改為電拖項(xiàng)目概況

鑒于在投資成本、運(yùn)行成本和安全穩(wěn)定運(yùn)行方面電拖空分裝置比汽拖空分裝置更有優(yōu)勢，豐喜臨猗分公司計(jì)劃將28 000 m3/h空分裝置由汽拖改為電拖，本技改項(xiàng)目目前處于擇機(jī)實(shí)施階段，主要受限于電網(wǎng)負(fù)荷供應(yīng)問題，正在積極協(xié)調(diào)中。本項(xiàng)技改的主要任務(wù)是拆除汽輪機(jī)及配套設(shè)備，空壓機(jī)和增壓機(jī)分別增設(shè)電機(jī)進(jìn)行拖動(dòng)，并配備相應(yīng)的電器控制設(shè)施，設(shè)備基礎(chǔ)需根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況作調(diào)整與布局——在占地和設(shè)備配置上無需作大的改動(dòng)，只需改動(dòng)空壓機(jī)組(空壓機(jī)與增壓機(jī))，空分裝置預(yù)冷系統(tǒng)、純化系統(tǒng)、精餾系統(tǒng)等無需改動(dòng)，技改工期大致需要8個(gè)月(主要是電機(jī)制作時(shí)間較長)，粗略測算技改費(fèi)用約為1 800萬元。

6 結(jié)束語

基于豐喜臨猗分公司目前的實(shí)際生產(chǎn)情況，以及目前煤炭價(jià)格較高，蒸汽生產(chǎn)成本會(huì)略有上升趨勢(電價(jià)近年來比較穩(wěn)定，電拖空分裝置的運(yùn)行成本可控)，汽拖空分裝置的蒸汽生產(chǎn)成本還會(huì)有所增加，電拖空分裝置比汽拖空分裝置更有優(yōu)勢。綜合來看，電拖空分裝置不僅運(yùn)行影響因素相對少一點(diǎn)，運(yùn)行更穩(wěn)定可靠，而且更關(guān)鍵的是其運(yùn)行成本較低，新上空分裝置可優(yōu)先選用電拖空分裝置，在運(yùn)汽拖空分裝置在適當(dāng)時(shí)機(jī)也可考慮技改為電拖空分裝置。當(dāng)然了，究竟是選擇汽拖空分裝置還是電拖空分裝置，還得結(jié)合企業(yè)自身的實(shí)際情況，主要依據(jù)當(dāng)?shù)氐碾妰r(jià)和煤價(jià)等綜合因素來決定，比如大型煤化工項(xiàng)目附近有配套煤礦資源的，往往會(huì)選擇汽拖空分裝置(主生產(chǎn)裝置中的大型壓縮機(jī)通常亦為汽驅(qū))，其能源利用效率更高、綜合運(yùn)行成本更低。