內壓縮流程空分設備的能耗影響因素研究

蔣 旭，厲彥忠

（1.中空能源設備有限公司，浙江 杭州 310051；2.西安交通大學能動學院，陜西 西安 710049）

0 引言

隨著能源化工產業(yè)的發(fā)展，當前大型煤化工業(yè)、大型化肥、大型鋼鐵冶煉以及集中園區(qū)式供氣的項目越來越多，相應的配套空分需求也與日俱增。大型及特大型內壓縮流程空分設備已成為主流產品，合理組織空分流程，使之達到最優(yōu)化，降低了總的投資和消耗[1]。

空分設備的原料是空氣，主要消耗的是電耗或者能源，能源消耗一般占到生產成本的80%以上，合理組織并設計空分設備會降低生產成本，從而節(jié)約能耗。而空分設備所消耗的能源是由不可逆過程引起的，盡管每一個可逆過程中所消耗的能量方式不同，但是都會產生有效能的損失，因而從設計角度，使得裝置在理論上已經處于最優(yōu)化的狀態(tài)，有效能得到最大程度的利用，這對于用戶來說意義很大。

1 內壓縮流程能耗影響因素

在能源轉化、轉移、傳遞和使用的過程中，可以有效地利用有效能發(fā)揮其功效，可無效地損失，也就是通常所說的有效能損失，有效能的損失是不可逆的。空分設備的有效能輸入，主要用空壓機電耗、原料空氣所帶入的有效能、水泵消耗的電能、各種泵所消耗的電耗及電加熱器消耗的電能。其損失主要存在于傳熱過程、壓縮或膨脹過程、節(jié)流過程、精餾過程中。

內壓縮空分流程在外壓縮流程能夠實現(xiàn)的條件下能耗要往往較外壓縮空分流程高（外壓縮機器效率低時內壓較外壓能耗低或者持平）。從設計角度，如果將外壓縮空分流程的能耗組成簡單分為產品外壓縮能耗、膨脹制冷能耗、精餾能耗、液體產品液化能耗四部分，內壓縮空分流程若不考慮部分產品外壓縮部分，僅僅考慮產品內壓縮部分，則其能耗組成也可以分為四部分：產品增壓復熱能耗、膨脹制冷能耗、精餾能耗、液體產品液化能耗，以下詳細分析各因素的影響[2]。

1.1 增壓復熱能耗

內壓縮從本質上說屬于間接壓縮，復熱流體對產品進行熱值傳遞，在一定背壓下增加其內能。

復熱有普通復熱和增壓復熱兩種；普通復熱為氣換熱；增壓復熱為含有相變的熱值高流體復熱低產品流體。氣體介質的壓力越高，復熱品質越高，冷卻品質越低，增壓復熱采用熱值品質較高的介質復熱熱值品質較低的介質，即壓力等級要求要高一檔[3]。

1.2 膨脹制冷能耗

膨脹制冷能耗包括熱端冷損能耗和裝置冷損及制冷產液能耗三部分。

熱端溫差越大冷量回收越少，損失就大，導致制冷能耗增大，但是熱端溫差擴大后，最小溫差也被擴大，對換熱有利，從而可以減小增壓復熱流體或者增大膨脹空氣的中抽量，實現(xiàn)產液量增大。

制冷產液能耗一般有液體產品的量來定。當液體產品的量大時，所需的制冷產液能耗也大，由于低溫膨脹機是在低溫段抽出，所以一般強化制冷流路在高溫段設置低溫冷氣機組或者高溫膨脹機，將冷量傳遞給熱流體，一方面降低換熱器高溫段不可逆損失，實現(xiàn)降低能耗；另一方面有外加冷源的低溫制冷循環(huán)，由于進氣溫度降低而循環(huán)的經濟性提高，因為其在較高溫度下的制冷量通過低溫制冷循不被轉移到低溫下，而同樣數(shù)量的冷量在低溫下的品質更高，即獲得同樣多的冷量，溫度越低消耗的功越多。

對于內壓縮流程而言，一般不考慮膨脹機葉輪增大帶來的附加投資，因為增強制冷流路，增大熱端溫差，對換熱有利，一般是節(jié)省能耗的，同時中抽溫度盡可能低，這樣有利于高溫段換熱，實現(xiàn)節(jié)省能耗。

1.3 精餾能耗

精餾效率影響的另一可變因素是進出料抽口及量的設定。產品抽口一般是固定的，可變抽口有污氮氣抽口，污液氮抽口及進料口，貧液空抽口及進料口，對于氮氣循環(huán)（下塔抽氮量大）還需要將液氮與液空混合后進入污液氮與液空進料口之間（進料與組分純度接近），以使得上塔頂部下流液體均衡，對提氬有利。

帶氬裝置由于富氧液空與氬氣有氣液置換（冷凝器相變換熱），本質上破壞了上塔精餾（但是氬組分除去后，有利于提高氧組分的純度，從而量也增加，所以制氬系統(tǒng)對制氧有增效作用），導致液空蒸氣進料口以上液氣比急劇減小；液氬進料口以下液氣比急劇增大。而在精餾過程中液氮洗滌氬氣和氧氣，液氬洗滌氧氣，氬餾分抽口區(qū)以上段回流液不足，從而導致氬組分大量放散入污氮當中，從而導致氬提取率大幅下降[4]，如圖1所示。

在保證空分設備正常精餾工況的換熱溫差下，上塔的壓力盡可能要低，這樣有效能損失最小，同時壓力越低，精餾能耗也低。

圖1 帶氬裝置冷凝器相變換熱圖

1.4 液體產品液化能耗

制冷流路和液化流路，制冷流路同時會機后帶液，附帶產一股高品質的低壓液體產品，這樣避免像中高壓液體產品節(jié)流后出現(xiàn)一定程度的氣化那樣會有損失，所以一般膨脹機都要求最大程度帶液。

2 能耗因素影響分析

以4.8萬等級空分設備為例，產品規(guī)格如表1所列。所有氧氣、氮氣、氬氣產品執(zhí)行標準為：氧產品執(zhí)行JB/T8693-1998，一等品；氮產品執(zhí)行GB/T8979-1996，一等品；液氬產品執(zhí)行GB/T10624-1995特等品。

表1 4.8萬等級空分設備產品規(guī)格

2.1 最佳復熱壓力區(qū)

增壓機壓力4 MPa以上時，由于壓力增大，可能會引起機器跨檔（級數(shù)增多）而導致投資增加，所以在能耗相差不大的情況下，優(yōu)先按照機器的合理性及經濟性進行選擇增壓機末級排壓；增壓機壓力在4 MPa以下時，嚴格按照最佳點選取，如圖2所示。

圖2 最佳復熱壓力區(qū)

隨著壓力的增加，能耗先減小后增加，說明存在一個能耗最小的壓力點，一般選擇一個壓力區(qū)域進行壓力選擇，在能耗影響較小的情況下選擇較為合適的機組（投資與效率，機器是否跨檔，級數(shù)增多而導致投資增加等因素）。

流體都在超臨界壓力以上，增大流量可以復熱；臨界壓力以下有氣化段，要求復熱流體的氣化壓力必須高于被復熱流體的氣化壓力。對于超臨界狀態(tài)能耗影響因素不大，而在臨界壓力以下則影響較大，對于低壓內壓縮需要單獨設置增壓機。

2.2 熱端溫差

熱端溫差影響裝置冷損，但是對低溫段的不可逆損失有平衡作用，所以需要合理選取，如表2所列。

表2 熱端溫差對低溫段不可逆損失的平衡

由此可看出隨著熱端溫差的增大，能耗先減小后增加，其中7 K左右出現(xiàn)最小值。同時隨著熱端溫差的增大，冷端溫差逐漸減小。

2.3 中抽溫度

隨著膨脹機中抽溫度的降低，膨脹機帶機后帶液逐漸增多，能耗也降低，當帶液體接近10%時，能耗減少非常小。從膨脹機機后不帶液體到帶10%的液體，能耗相差2%左右，節(jié)能顯著。當前帶大液體量膨脹機國外已有應用，國內一般控制在5%以內。機后帶大液體量的中壓膨脹機已成影響內壓縮流程能耗的一大因素。

2.4 積分溫差

不同積分溫差如表3所列。

表3 不同積分溫差

由此可看出，在滿足最小換熱溫差1 K的前提下，隨著換熱器積分溫差的增大，總能耗在增大，換熱器投資在減小。

一般工業(yè)應用換熱最小溫差相變換熱要求1 K以上，非相變換熱1.5 K以上，以防止出現(xiàn)計算物性誤差及金屬熱阻過大而導致實際所需換熱器長度過長而出現(xiàn)換熱面積不足現(xiàn)象。

3 結束語

隨著當前煤化工的崛起，內壓縮空分流程空分裝置是當前的主流需求產品，內壓縮空分流程較外壓縮空分流程形式多變，其換熱與制冷較其他流程要復雜的多[5]。而空分裝置的流程的組織與選擇非常重要，其決定流程能耗及其先進性，最大程度減少不可逆損失，節(jié)約能源的消耗，所以研究內壓縮流程的綜合能耗影響因素，從設計角度，對于裝置的運行及節(jié)能而言意義重大。

[1]張祉祐.低溫技術原理與裝置[M].西安：西安交通大學出版社，1985.

[2]蔣旭.化工型空分設備內壓縮流程選擇[J].深冷技術，2011（7）：10-15.

[3]蔣旭，張淼，白寧莉.冶金型空分設備的流程選擇[J].低溫與特氣，2012（5）：6-10.

[4]黃建斌.工業(yè)氣體手冊[M].北京：化學工業(yè)出版社，2003.

[5]蔣旭，丁友勝，厲彥忠，等.鋼廠應用空分裝置的配套[J].通用機械，2013（11）：40-43.