淺談現代空分裝置配套后備系統的設計

張行東

（中國空分設備有限公司，浙江 杭州 310000）

空分裝置為整個下游的配套工程項目供應必需的各種公用工程氣體，對保證下游工程項目安全、可靠和穩定的運行起著至關重要的作用。空分裝置的意外停機，將會馬上切斷下游工程項目氣體的供應，輕則將導致下游工藝裝置聯鎖停車，引起下游裝置停產，造成巨大的經濟損失，重則將導致下游的工藝裝置失去安保氣體，造成機器設備的損壞。但是由于空分裝置的復雜性，雖然隨著裝置的設計和制造技術不斷提高和改進，自動化控制技術日趨完善，空分裝置的故障幾率已經大為降低，但是偶爾的意外停機也在所難免，而配套響應速度快、穩定可靠的后備系統就能極大程度的降低空分裝置意外停機帶來的風險，后備系統可用于保證向下游用氣裝置不間斷供氣，一旦空分裝置發生故障停止供氣將投用后備系統，通過蒸發將貯槽中的液體汽化成氣體送給下游用氣裝置。后備系統的成本對于一套空分裝置來說，所占的成本比例也很小，另外，在空分裝置短時間有計劃的停車檢修期間，也能通過起用后備系統，短時間內維持對下游裝置氣體的供應。

現代空分裝置配套的后備系統，要求具備多功能化，自動化程度高，響應及時，并且要確保安全、穩定和可靠等特點，一套復雜后備系統的設計需要考慮多方面的因素。

1 后備系統工藝流程設計方案

第一種方案是空分主工藝流程與后備系統流程結合在一起，空分液氧的內壓縮與后備系統液氧的壓縮共用，液氧從空分主冷取出，出冷箱進入液氧貯槽，再經過設置在后備系統的液氧泵壓縮后分為兩個流路，一路重新返回空分冷箱主換熱器，復熱后作為空分高壓氧氣產品送出，另一路進入后備系統汽化器汽化后，并入高壓氧氣管網，兩個流路分別單獨運行。工藝流程示意圖如下圖1。

這種方案的優點是在主空分裝置意外停機時，可以停機不停泵，切斷液氧返回空分冷箱流路，打開進入后備系統汽化器流路，液氧經過汽化器汽化后送入高壓氧氣產品管網，保證下游氧氣的不間斷供應。另一種可能是如果主冷液氧純度污染，從空分主冷抽取的液氧將直接排放而不進入貯槽，貯槽內貯存的液氧經過液氧泵壓縮后返回冷箱主換熱器汽化，繼續維持空分裝置的運行，當主冷液氧純度重新調整合格后，主冷抽取的液氧又可以重新切換至貯槽，恢復正常的工藝流路。這種配置方案由于空分裝置和后備系統的液氧泵共用，也節省了泵的投資，在從主空分裝置切換至后備系統運行時，沒有額外的液氧泵的冷卻、啟動和加載的限制，大大的縮短了后備系統啟動時間和增加了可靠性。另外，由于液體來自液氧貯槽，而不是直接來自主冷，能夠大大增加整套裝置的變負荷的能力。這種設計的缺點是后備系統的設計會影響整套空分裝置的運行，貯槽的安全設計和可靠性要求高，貯槽的自增壓和安全排放能力要增大，液體管道尺寸大，裝置冷損和液體閃蒸損失相對較大。

另外一種方案是后備系統與主空分裝置獨立設計，當空分裝置意外停機或者

純度污染時，后備系統獨立啟動，互不干擾，缺點是后備系統需要額外增設后備液氧泵，增加了設備投資，并且為了保證能隨時啟動，后備液氧泵需要冷備或者惰轉，啟動時間會有加長，可靠性會有所降低。工藝流程示意圖如下圖2。

2 后備系統配套設備規模的選擇

后備系統配套貯槽的大小需考慮空分裝置設計的液體產量，后備系統維持運行的時間以及液體外銷能力等因素綜合考慮；低溫后備泵和汽化器的大小按照需要的后備能力選取，例如如果需要后備能力與主空分裝置相當，那么低溫泵和汽化器的能力就可以按照空分裝置的產量來考慮。

如果后備系統有快速響應的要求，后備系統的設計就需要根據下游工藝裝置對氣體供應的要求進行設計，例如，在保證需求量不變的前提下，管網壓力的降低不能大于某個規定的壓力值，后備系統的設計就需要綜合考慮如何能滿足這個要求。

首先要確定在空分裝置意外停機，切斷氣體產品的供應后，后備系統需要多長時間能夠啟動起來，并達到設計負荷，當然這個時間越短越好，但是過短的時間又會增加對相關的機器、設備、閥門和控制系統的響應時間和工作能力的要求，如果啟動時間要求過于苛刻，設計還不可能滿足。

其次根據確定好的后備系統響應時間，核算現有供氣管網的容積在此時間內壓降是否能滿足要求，如果不能滿足要求，就還需要額外增設壓力緩沖罐或者球罐。系統的緩沖容積也不可能設置得過大，需要與后備系統的響應時間互相匹配選擇，達到可靠性和投資成本最佳。后備系統響應時間越短，后備系統配套要求越嚴格，設備投資越大，需要的緩沖容積越小；后備系統響應時間越長，后備系統配套要求降低，設備投資減少，但需要的緩沖容積越大，裝置的布置空間也會增大。下圖3為常規的后備系統配置圖。

另外，下游裝置對于氣體的需求量并不是穩定不變的，而是隨著實際用氣需要起伏波動。當需求量減小時，可通過空分裝置的自動變負荷或者放散來滿足，當需求量增大時，除通過空分裝置自動變負荷滿足之外，過大的需求量也可以通過額外配置緩沖罐或者啟動后備系統來滿足。

3 后備系統設計需考慮的故障因素

為了確保可靠性，在后備系統設計時，需要對工廠故障情況進行充分的了解，并對可能存在的工程危險程度進行評估，例如是否對生產造成影響，是否會導致不合格品，會帶來多大的經濟損失，是否會危及安全，是否會有災難性的后果等，并以此確定需要考慮何種故障因素。

（1）斷電

此處僅考慮動力供電故障，所有的用電設備均會停車，可以通過壓力液體罐，帶壓經汽化器汽化后供下游使用；也可設置合適的應急柴油發電機，給后備系統低溫泵和汽化器的強制對流循環水泵供電，維持后備系統的運轉。

（2）斷汽

如果后備系統的蒸汽供應故障，為了保證仍能給下游供氣，這種情況下就需要額外設置空浴式汽化器來汽化低溫液體，考慮到有些地區冬天環境溫度很低，經過空浴式汽化器汽化后，氣體的溫度仍然很低，如果下游裝置不能夠使用，這時就需要在空浴式汽化器后面再串聯電加熱器，加熱到合適的使用溫度。

（3）同時斷電和斷汽

如果供電和供汽同時故障，通過采用壓力液體罐或者配置應急柴油發電機給低溫泵供電，讓液體增壓，采用空浴式汽化器來汽化液體。

以上考慮有些過于苛刻，只是在某些特殊場合使用，另外其中一些工作方式生產的氣體量，不能滿足下游正常生產的全部需求量，有時只能是用來保證下游裝置的安全，比如安保氣體等用途。由于以上故障引起的后備系統響應這段時間內，由緩沖罐給下游供氣。

4 保證后備系統快速響應的相關設計

為了保證后備系統能夠快速響應，后備系統需要經過以下特殊的設計。

（1）后備液體泵需要冷備或者惰轉，泵變頻的加載速度要能滿足要求，一般低溫泵從冷備啟動到滿負荷運轉最短可以做到25s左右，而低溫泵從惰轉加載到滿負荷運轉可以做到10s以下。

（2）汽化器的設計要能滿足快速汽化的要求，除換熱通道需要特殊考慮之外，汽化器還需要額外增設強制對流循環水泵，增大換熱系數，加速汽化。

（3）相關的控制閥要求，常規的控制閥從全開到全閉或者從全閉到全開，需要的時間＜20s，但快速響應后備系統內配套的控制閥需要根據響應時間，在閥門訂貨時要求合適的開啟或者關閉時間，例如需要＜5s或者更低。

（4）液體進汽化器前管路應盡可能短，液體流速很低，流通距離過長會延遲啟動時間，另外過長的距離也會導致在后備系統待機時出現更多地汽化，氣體堵塞在管道內或者閥前，在后備系統啟動時，這些汽化的氣體也會延長啟動的時間，因此也需要在液體管路上額外設置排氣管線，及時排放掉汽化的氣體。

（5）自動控制要求更加嚴格和精確，要選擇合適的激活后備系統響應的條件，液體閥、蒸汽閥的具體開度以及二者之間開度的匹配等都需要嚴格的加以控制。

（6）貯槽內要預留有足夠的液體量，能供后備系統投用后一段時間使用。

（7）后備系統的響應快，給運行可靠性帶來了便利，但是卻增加了安全風險，例如低溫液體更容易帶出汽化器后面的常溫管道中等問題。因此需要額外增加一些安全保護措施，如貯槽出液閥的自動切斷，汽化器后氣體管線溫度過低聯鎖，以及汽化器底部、中部和上部溫度的控制和聯鎖，相關閥門的自動控制和聯鎖等，有些控制甚至需要采用冗余設計或安全儀表控系統，以增加其安全可靠性。

結語

一套完整、可靠的后備系統設計，需要根據用戶的需求，掌握整個工廠的配套情況。選擇合適的后備系統流程，并確定后備系統內貯存汽化系統和氣體緩沖罐的大小，動設備的備用模式和啟動加載速度，閥門的開啟或關閉速率，并且要設計有足夠的安全保護措施等。合理的后備系統的設計，是保證后備系統可靠運行的前提，但是由于后備系統絕大部分時間是處于待機狀態，隨時準備投用，這就會導致部分機器設備或者閥門在需要時不能正常投用，因此，對后備系統進行經常性的檢查，對其故障修復和日常維修及時處理，也是保證后備系統能夠可靠運行的基礎。

[1]孫洪波.空分裝置后備儲存系統的設計（一）[J].石油化工設計，2012（02）.

[2]張曉亮，李江龍.談變電二次設計過程中的細節問題 [J].科技情報開發與經濟，2006（24）.