空分裝置制冷量及冷損構成的討論

李燕鵬

(中國空分設備有限公司設計開發部，杭州濱江 310051)

空分裝置廣泛應用于鋼鐵、化工、煤化工、電子等行業，隨著國民經濟的快速發展，空分裝置的規模越來越大，流程組織型式多種多樣;空分裝置大體可以分為外壓縮空分流程和內壓縮空分流程。本文從空分流程的制冷量及冷損兩個方面著手，研究內外壓縮空分流程制冷量及冷損的構成與不同，并對內外壓縮空分流程制冷量及冷損構成進行定量分析。

1 外壓縮空分流程制冷量及冷損構成

外壓縮空分流程的物料平衡及能量平衡，業內計算已經很成熟，在本文中僅做簡單的描述。典型的外壓縮空分流程為:低壓分子篩吸附凈化、帶增壓透平膨脹機制冷、全精餾制氬空分流程，簡稱為:(冷箱)外壓縮空分流程。流程液化原理為:低壓膨脹機制冷液化循環。其簡化流程圖見圖1。

圖1 低壓帶增壓膨脹機制冷循環主冷積液過程簡化流程圖Fig.1 The simplified flow diagram of low pressure process with booster expansion turbine refrigeration circle in the procedure of condenser-evaporator liquid accumulating

圖2 低壓帶增壓膨脹制冷循環T-S圖熱力示意圖Fig.2 T-S Schematic diagram of thermal of low pressure process with booster expansion turbine refrigeration circle

對應簡化流程圖在空氣T-S圖上表示，見圖2。圖1和圖2各點一一對應。對圖1所示框圖做能量平衡式，熱力過程表示在圖2 T-S圖上。依據進系統能量等于出系統能量，有:

式(1)等號左側第1～5項分別為主空透產生的等溫節流制冷量、膨脹機增壓側產生的等溫節流制冷量、膨脹機產生的膨脹機制冷量、裝置冷損、產品氣復熱不足冷量損失;等號右側為生產液體帶走的冷量損失。

注意左側第1～3及右側一項都為負值，亦即表現為冷量，這在T-S圖上看得很清楚。式(1)對所有外壓縮空分流程都是成立的，是外壓縮空分流程最基本的冷量平衡關系式。

圖2中，實際上包括產品氣在內的返流氣(qmqmf)及液體產品qmf出框圖(亦即裝置冷箱)均具有一定的微壓力，這里僅為T-S圖熱力過程示意圖。這種因微壓力而損失的冷量是可以加以計算的，現代計算軟件提供了計算的可能和方便。

下面通過一個計算實例，將式(1)中的各項制冷量以及冷損具體值計算出來。某廠20 000外壓縮空分流程，采用低壓分子篩吸附凈化，帶增壓膨脹制冷、全精餾制氬空分流程。20 000空分的設計工況見表1。

表1 20 000空分設計工況Table 1 The design condition of 20 000 ASU

對上述20 000空分進行計算，采用HYSYS計算軟件進行流程計算和精餾計算，其他選用的數據:裝置冷損、熱端溫差設定、主冷溫差設定、膨脹機膨脹端效率、轉換效率、膨脹機增壓端效率以及液體泵冷損等均按常規計算公式和經驗數據進行計算，不再贅述。采用流程計算結果中相關數據整理得出產品及返流物流的復熱不足冷損以及液體產品帶走的冷損見表2。主空透及膨脹機增壓端產生的等溫節流制冷量見表3。20 000空分裝置產冷量與耗冷量之間的能量平衡見表4。

從表3可以看出，外壓縮20 000空分等溫節流制冷量的主要來源為主空透，其等溫節流制冷量占總等溫節流制冷量的93.28%，膨脹機增壓側的等溫節流制冷量僅占6.72%。從表4可以看出，外壓縮20 000空分液體產品帶走的冷損約占總冷損的一半(50.41%)，復熱不足冷損和裝置冷損分別占總冷損的27.59%和19.51%，余下為循環氬泵冷損。從表4還可以看出，外壓縮20 000空分制冷量的來源主要為膨脹機產生的制冷量，其制冷量占總制冷量的比例82.20%，其余為等溫節流制冷量。

表2 典型20 000空分復熱不足冷損以及液體產品帶走的冷損Table 2 The cold loss caused by insufficientwarm-up and loss of refrigeration capacity carried off by liquid products in typical 20 000 ASU

表3 20 000空分主空透及膨脹機增壓端等溫節流制冷量Table 3 The isothermal throttling refrigeration capacity ofmain compressor and booster of expansion turbine in 20 000 ASU

表4 20 000空分的總體能量平衡Table 4 The overall energy balance of 20 000 ASU

不同規模外壓縮空分流程均有相同的工藝流程和配置，都采用低壓膨脹機制冷液化循環，僅生產微壓氣體產品及少量液體產品。因此，以上所列百分比數據基本上是一致的。對不同規模的外壓縮空分流程，以上數據有參考意義。

2 內壓縮空分流程制冷量及冷損構成

近年來，隨著煤化工的發展，空分裝置的規模越來越大，需要的產品氣品種多，壓力也越來越高，有的甚至高達9.5 MPa。外壓縮空分流程氧氣需要經過氧壓機壓縮，其規模受制于氧壓機的流量和排壓;內壓縮空分流程液氧從主冷抽出后，經氧泵壓至所需的壓力，在主換熱器中氣化得到產品氣送出，空分裝置的規模和產品氣壓力較外壓縮空分流程適用范圍更廣。因此，內壓縮空分在煤化工領域得到了越來越廣泛的應用。內外壓縮空分流程各有其特點與適用范圍，已有很多文章報道。

內壓縮空分流程組織型式多樣，為便于從原理上進行分析，得出內壓縮空分流程的普遍規律，分析選用的內壓縮空分流程組織為:增壓壓縮機末級抽氣進增壓膨脹機、膨脹氣進上塔、單泵液氧泵增壓氣化升溫至常溫壓力氣體產品出冷箱，單一液體(液氧)產品出冷箱。分析得出的結論，對內壓縮空分流程普遍適用。其簡化流程圖見圖3。

圖3 內壓縮空分流程主冷液體積累過程簡化流程圖Fig.3 The simplified flow diagram of internal compression ASU process in the procedure of condenser-evaporator liquid accumulating

圖4 內壓縮空分流程T-S圖熱力示意圖Fig.4 T-S schematic diagram of thermal of internal compression ASU process

對應簡化流程圖在空氣T-S圖表示，見圖4。圖3和圖4各點一一對應。對圖3框圖列能量平衡式，進系統能量等于出系統能量，有:

對照圖3、4，式(2)中等式左側第1～3項依次為主空透、增壓壓縮機、增壓透平膨脹機增壓側產生的等溫節流制冷量，第4項為膨脹機產生的等熵膨脹制冷量;式(2)中右側第1～6項依次為液體產品帶走冷損、中壓產品氣因壓力帶走冷損、中壓產品復熱不足帶走冷損、常壓氣體產品及返流氣帶走復熱不足冷損、裝置冷損、液體泵功耗冷損。

需指出的是，式(2)右側第2項“中壓產品氣因壓力帶走冷損”表示產品帶壓出冷箱亦是一種冷量損失，壓力越高冷損越大，從T-S圖中可以清楚看到。事實上，凡壓力高于大氣壓而出冷箱的各類氣體產品、返流氣、液體產品均有因壓力帶走的冷量損失(即壓力冷損)。前述外壓縮空分流程計算中，各類氣體產品、返流氣體、液體微壓出冷箱，壓力帶走的冷量損失已進行了計算。現代計算軟件已做到產冷量與耗冷量數值上完全平衡。這在依靠物性圖表人工計算是不太可能的。

圖4 T-S圖表示空氣等溫壓縮過程是一個產生等溫節流制冷量的過程，這是因為在實際壓縮機壓縮過程中除冷卻水帶走壓縮機耗功所產生的熱量外，還帶走因空氣介質等溫壓縮焓降放出的熱量，即等溫節流制冷量。對增壓空氣壓縮機、膨脹機增壓側同理亦產生等溫節流制冷量。

同樣，通過計算一套內壓縮空分流程來得出制冷量及冷損的具體數值。計算選用60 000等級內壓縮空分流程。60 000內壓縮空分流程采用分子篩吸附凈化，增壓空氣壓縮機，液氧內壓縮和全精餾制氬的流程，其中增壓空氣壓縮機中抽空氣進透平增壓膨脹機，膨脹空氣進下塔。某套60 000內壓縮空分設計工況見表5。

表5 某套60 000內壓縮空分設計工況Table 5 The design condition of certain 60 000 internal compression ASU

采用與前述外壓縮空分流程計算和精餾計算相同的計算軟件以及類似的數據選用及數據處理方法，對60 000內壓縮空分流程進行計算，采用流程計算結果中相關數據整理得出的各物流復熱不足冷損、壓力冷損及液體產品帶走的冷損見表6。表6中各符號的意義與圖4 T-S熱力示意圖中相同。各機組產生的等溫節流制冷量見表7。對60 000空分裝置做出的總體能量平衡見表8。

表6 60 000空分復熱不足冷損、壓力冷損及液體產品帶走的冷損Table 6 The cold loss caused by insufficientwarm-up，pressure loss of refrigeration capacity and loss of refrigeration capacity carried off by liquid products in 60 000 ASU

表7 60 000空分各機組產生的等溫節流制冷量Table 7 The isothermal throttling refrigeration capacity of each machine in 60 000 ASU

表8 60 000空分的總體能量平衡Table 8 The overall energy balance of 60 000 ASU

從表7可以看出主空透等溫節流制冷量占總等溫節流制冷量的23.06%，增壓空氣壓縮機等溫節流制冷量占總等溫節流制冷量的67.68%(其中增壓機一段占35.54%，增壓機二段占32.14%)，其余為膨脹機增壓端產生。對內壓縮空分流程來說，空氣增壓機產生的等溫節流制冷量在所有產生等溫節流制冷量的機組中占首位。在總制冷量中，膨脹機制冷量仍是主要的，但較外壓縮空分流程而言，等溫節流制冷量所占比例有大幅增加。從表8可以看出，內壓縮空分流程液體產品冷損占總冷損的66.40%;其次為壓力冷損，占總冷損的12.27%，內壓縮空分流程因產品壓力帶走的壓力冷損不容忽視;再次為復熱不足冷損，占總冷損的10.09%;其余依次為氧泵冷損、裝置冷損和氬泵冷損。

3 內外壓縮空分流程比較

前文已經分別對外壓縮空分流程和內壓縮空分流程的制冷量和冷損進行了分析和計算，本節分別對上述結果從冷損和制冷量兩方面進行比較，得出結論如下。

3.1 關于冷損

比較外壓縮空分流程能量平衡式(1)、內壓縮空分流程能量平衡式(2)，比較表4、8可以得到:

1.對內外壓縮空分流程來說，液體產品帶走的冷損在空分裝置總的冷損中占首位。對實例選用的生產液氬的內外壓縮空分流程，液體產品帶走的冷損占裝置總冷損的比例高達50%以上。內壓縮空分流程中，液體產品產量較多，因而帶走更多冷量，從表8中可以看出液體產品冷損占總冷損的比例達66.40%。

2.與外壓縮空分流程不同，內壓縮空分流程中高壓氣體產品因壓力帶走較多的冷量，壓力越高帶走冷量愈多。由于外壓縮空分流程中產品氣體壓力一般略高于大氣壓，圖表手工計算時期壓力冷損往往可以忽略，現代計算機計算軟件已可精確計算;從表8中可以看出，內壓縮空分流程中高壓氣體產品帶走的壓力冷損占總冷損的比例為12.27%，此比例已經高于高壓氣體產品的復熱不足冷損。

3.內壓縮空分流程，中高壓液體泵帶來冷損增加。因此，需要更多的產冷量以彌補以上三項額外增加冷量損失，這樣就要求設置增壓空氣壓縮機以增加系統等溫節流制冷量，設置大容量中(高)壓增壓透平膨脹機增加膨脹機制冷量。

3.2 關于制冷量

從表4可以看出，外壓縮空分流程的等溫節流制冷量占總制冷量的比例為17.80%，等溫節流制冷量絕大部分來源于主空透，主空透產生的等溫節流制冷量占總等溫節流制冷量的93.28%，其余為膨脹機增壓側產生;從表8可以看出，內壓縮空分流程等溫節流制冷量占總制冷量的比例為33.24%，等溫節流制冷量的首要來源為增壓空氣壓縮機67.68%，其次為主空透23.06%，其余為膨脹機增壓側產生。內壓縮空分流程等溫節流制冷量較外壓縮空分流程有大幅增加，增加的等溫節流制冷量用于彌補內壓縮空分流程額外增加的冷量損失。對內外壓縮空分流程來說，膨脹機制冷量均是主要冷量來源。

3.3 關于內壓縮空分流程中增壓壓縮機的設置

內壓縮空分流程配置增壓壓縮機同時滿足了兩方面需要。一方面在高壓主換熱器設計中，為滿足返流的泵后高壓液體(冷流體)氣化、復熱所需熱量提供了高壓正流加工空氣(熱流體)流量和壓力條件，而且也為設置大容量中壓增壓膨脹機提供了流體的流量和壓力條件。另一方面，根據本文分析，增壓壓縮機及大容量中壓增壓膨脹機提供的制冷量滿足了內壓縮空分流程穩定運行時的絕大部分冷量損失，這是內壓縮空分流程之所以成立的先決條件。

4 結束語

空分裝置流程組織形式千變萬化，本文僅從最具普遍意義的內外壓縮空分流程著手，分別對內外壓縮空分流程制冷量和冷損的構成做了定量的分析，并對內外壓縮空分流程制冷量和冷損構成的差異做了比較，得出有參考價值的結論。不妥之處，望業界同仁指正。