2000年11月，杭州制氧機集團有限公司簽訂了為金川集團公司提供一套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，進行單機及聯(lián)動負荷調(diào)試，并于2003年1月17日順利完成對成套空分設(shè)備的72小時性能考核。
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)展的朋友們進一步了解該設(shè)備的情況，我們在這里對這套設(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
金川“14000”空分設(shè)備性能指標見表1。
表1 金川14000m3／h內(nèi)壓縮空分設(shè)備主要指標
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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)液氬時工況指標
2 流程的組織
大型內(nèi)壓縮流程的空分設(shè)備，在20世紀80年代初主要是由于大型合成氨工程的上馬，才由德國林德公司引入我國。到了90年代，隨著我國大型冶金、石化企業(yè)的發(fā)展，相繼引進了一批大型內(nèi)壓縮空分設(shè)備，此時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氫制氬流程。同時這種新的流程形式也得到了國內(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，如用增壓空氣壓縮機+液氧泵+中壓換熱器取代了較為復雜的氧透，在客觀上為制氧行業(yè)提供了一個新的流程選擇形式。
目前國內(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：一種是膨脹空氣進上塔，另一種是膨脹空氣進下塔。
膨脹空氣進上塔流程，主要針對產(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)點是：流程簡單；采用常規(guī)增壓透平膨脹機，操作方便；中壓換熱器單個設(shè)計，可靠性強，液氧不會產(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。
膨脹空氣進下塔流程，主要針對產(chǎn)品液體量需求大的用戶，產(chǎn)品液體總量可達到產(chǎn)品氧氣量的10％以上。它的優(yōu)點是提取率高，這是因為所有進冷箱的空氣都可參加精餾；相對而言，流程較為復雜，操作考慮的因素較多，設(shè)備的投資增大。
針對金川14000m3／h內(nèi)壓縮空分設(shè)備，我們對多種內(nèi)壓縮方案進行了比較論證，最終選擇了膨脹空氣進上塔流程，并得到了實踐的驗證。
金川“14000”空分流程簡圖如圖1所示。
AF—空氣過濾器 MS—分子篩吸附器 TC2—中壓空氣透平壓縮機 K2—氧增壓器 K702—粗氬液化器 TCl—空氣透平壓縮機 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 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)備流程簡圖
在內(nèi)壓縮流程中，還有一個十分重要的參數(shù)需要確定，那就是空氣增壓機的出口壓力。這個壓力設(shè)計得是否合理，直接關(guān)系到流程設(shè)計的合理性以及設(shè)備的一次投資及運行成本的高低。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，然后通過中壓換熱器與經(jīng)過增壓壓縮機增壓后的中壓空氣進行換熱，復熱后送至用戶。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要小，這與空分設(shè)備的投資、能耗直接相關(guān)。我們在引進林德公司精餾計算軟件的基礎(chǔ)上，針對性地開發(fā)了內(nèi)壓縮流程的計算模塊，該模塊可將熱力平衡計算、物料平衡計算及換熱器熱力計算(引進美國S—W公司軟件)與林德的精餾計算軟件有機地聯(lián)系起來，并可同時完成精氬的計算，這就有條件對增壓機的出口壓力進行優(yōu)化設(shè)計。我們通過選擇不同的出口壓力進行計算，綜合壓縮機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)試過程中證明與我們的設(shè)計思路是十分吻合的，裝置運行的參數(shù)是十分準確的。
另外對于金川“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)過換熱器復熱后送至用戶。這就同時滿足了用戶對產(chǎn)品不同壓力等級的需要。
3 裝置的安全性考慮
我們一直認為，空分的設(shè)計安全性是第一的，有了安全保障，才能去談性能的先進性。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氫化合物和乙炔的含量。而內(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，在主冷中碳氫化合物大量聚集是不可能的。
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熱蒸發(fā)，在此壓力下，所對應(yīng)的沸點溫度為—141．3℃，在此溫度碳氫化合物(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)，不會聚集，因而中壓換熱器是處于安全狀態(tài)的。
對于金川“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，碳氫化合物及乙炔聚集的可能性是存在的。針對這個問題，我們在設(shè)計中考慮了1％液氧安全排放，蒸發(fā)器為全浸式操作，并要求設(shè)置碳氫化合物及乙炔在線分析。另外，除了針對液氧的安全性考慮外，還將液氧泵的啟動和操作設(shè)在遠離液氧泵的室內(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
膨脹空氣進上塔流程的內(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增壓，作為汽化經(jīng)加壓后的液氧的熱源，這個過程在中壓換熱器中進行。
相對來說，內(nèi)壓縮流程所設(shè)置的增壓壓縮機，從國外引進的占大多數(shù)，各種壓力等級均有相應(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)計的熱源空氣壓力是超臨界狀態(tài)的，物性參數(shù)的準確性對中壓換熱器的設(shè)計十分重要。我們在引進美國S—W公司換熱器計算軟件基礎(chǔ)上，運用杭氧自行開發(fā)的內(nèi)壓縮計算模塊及美國Aspen計算軟件，對中壓換熱器進行了優(yōu)化設(shè)計，確定了各截面的設(shè)計參數(shù)。同時，為了進一步提高裝置的可靠性，中壓換熱器選擇了國外知名品牌產(chǎn)品。通過對國外公司反饋的各截面的參數(shù)的對比分析，證明我們的計算軟件是可靠準確的。
另一關(guān)鍵設(shè)備就是分餾塔，對于抽取大量液體的分餾塔，從流程計算的角度來看，要比常規(guī)外壓縮空分設(shè)備復雜得多，尤其是對帶氬的空分設(shè)備。通過對林德公司精餾計算軟件近二十年的使用開發(fā)，我們已經(jīng)對各種流程工況的計算運用十分成熟；另一方面填料塔的設(shè)計通過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，保證了填料塔各進出口的準確性，尤其是氬餾分抽口的準確性。這一點我們在云銅“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)備上得到了實踐的證明，裝置的氬提取率都能超過我們的設(shè)計要求。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)過多方的實地考察與方案比較，選用的是法國Cryostar公司的帶變頻調(diào)節(jié)的離心式單級低溫液氧泵，流程的配置采用了一用一備形式，即一臺使用另一臺拎備用。這也是國際上內(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)備另一特點是帶壓低溫管道多。目前我們冷箱的管道設(shè)計采用的是PDMS軟件，并可進行三維造型，單線圖自動輸出。這保證了管道在安裝過程中走向的準確性。同時對液體管道、帶壓的低溫管道等主要管線采用MSC／NASTRAN應(yīng)力分析、計算軟件進行分析計算，確定關(guān)鍵點支架位置及形式，保證了裝置在低溫狀態(tài)下，管系有良好的受力狀態(tài)。另外對主要的管道我們選用高強度鋁合金材料，同時配備了專用焊絲，這從客觀上保證了管道焊縫的強度。
5 關(guān)鍵部機的控制方式
在大型外壓縮常規(guī)流程中，控制的關(guān)鍵點是在氧氣透平壓縮機上。這基本上是圍繞安全這一出發(fā)點設(shè)置的，監(jiān)控點大至有一百個以上，控制回路有十多個。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，自動化程度也很高，不需人在現(xiàn)場操作。
在大型內(nèi)壓縮空分設(shè)備中，我們認為控制的關(guān)鍵點在增壓機的恒壓控制及液氧泵的邏輯控制上。對于增壓機的控制，各壓縮機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)備的運行要求。在這不作 進一步的探討。
液氧泵的控制方式，對我們來說是新鮮 事物，不光需要理論上的設(shè)計，還需要實際 運行的經(jīng)驗來完善。
針對金川“14000”內(nèi)壓縮空分設(shè)備的 液氧泵的控制原則。我們從五個方面來考 慮：第一，外部因素對液氧泵的運行及中壓臣換熱器液氧汽化的影響；第二，液氧泵自身因素對成套空分的影響；第三，兩臺液氧泵互為備用的方式；第四，液氧泵在運行過程中的調(diào)節(jié)方式；第五，液氧泵操作的安全考慮。第一、二點因各制造廠考慮的因素不同，在這里不作具體說明，第五點在裝置的安全性考慮中已有述說。
這里對第三、四點做一些簡要說明，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、半負荷備用。從實際運行來看，備用泵從冷備狀態(tài)啟動達到負荷運行的時間是很短的(3~5秒)。液氧泵的負荷調(diào)節(jié)，我們設(shè)計了就地及中控均可調(diào)節(jié)；液氧泵的開停車在中控及就地均可實現(xiàn)；液氧泵的出口采用恒壓控制。通過對整套設(shè)備的調(diào)試，我們設(shè)計的控制方案是較為完善的，基本達到了國外內(nèi)壓縮空分設(shè)備對液氧泵的控制水平。
6 結(jié)束語
目前，杭氧大型內(nèi)壓縮空分設(shè)備的成套設(shè)計已趨完善，并制定了相應(yīng)的設(shè)計規(guī)范。到目前為止，杭氧已為多家用戶開發(fā)了多種形式的內(nèi)壓縮流程：膨脹空氣進上塔的有浩良河“18000” [氧氣壓力達6．4MPa(G))化工型內(nèi)壓縮空分；營口“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、流程簡潔、可操作性強、維護簡單方便、運行成本低等特點。
另外，隨著內(nèi)壓縮流程不斷成熟，選用可靠的國產(chǎn)化關(guān)鍵部機是可行的，如原料壓縮機、增壓壓縮機、膨脹機、中壓換熱器、閥門等，這不僅降低了設(shè)備的投資費用，還可以帶動相關(guān)的成套設(shè)備的技術(shù)進步。
最后，在此我們對給金川“14000”內(nèi)壓縮空分設(shè)備的設(shè)計、調(diào)試工作大力支持的金川集團公司及中國空分設(shè)備公司，表示謝意。
