KDN-3900/465Y型空分裝置的操作優(yōu)化

儲開建 白浩 陳瓊（延安石油化工廠， 陜西 延安 727406）

KDN-3900/465Y型空分裝置的操作優(yōu)化

儲開建 白浩 陳瓊（延安石油化工廠， 陜西 延安 727406）

煉油化工企業(yè)空分空壓裝置擔(dān)負(fù)著為生產(chǎn)裝置連續(xù)提供氮氣與凈化風(fēng)及工業(yè)風(fēng)，作為重要的輔助單元，裝置能否安全平穩(wěn)運行對企業(yè)至關(guān)重要。延安石油化工廠空分裝置利用五臺空壓機，以開四備一的方式向系統(tǒng)提供壓縮風(fēng)，其中一臺空壓機長期處于低負(fù)荷運行狀態(tài)，空壓機是該廠主要耗能設(shè)備，功率為1229kW，因此節(jié)能空間很大。本文通過合理優(yōu)化空分裝置精餾系統(tǒng)的操作，在不影響氮氣管網(wǎng)穩(wěn)定的前提下，盡可能降低空分裝置用風(fēng)量，最終停止運行一臺空壓機，節(jié)約用電量約36000度。

空分；精餾；平衡；優(yōu)化

1 概況

延安石油化工廠現(xiàn)有兩套空分裝置（設(shè)計氮氣產(chǎn)量3900Nm3/h、液氮465L/h），為該廠各套生產(chǎn)裝置提供高純度氮氣。

該廠含利用兩套KDN-3900/465Y型高純氮設(shè)備生產(chǎn)高純度氮氣，并可同時生產(chǎn)少量液氮產(chǎn)品。采用低溫精餾方法將空氣分離，提取所需高純度氮氣及液氮產(chǎn)品。

該裝置由空壓機、預(yù)冷機組、純化機組、冷換設(shè)備、分餾塔、液氮儲罐、液氮泵、氣化器、事故儲罐以及儀電控制系統(tǒng)等組成。儀電控制系統(tǒng)采用DCS、PLC和機旁柜控制相結(jié)合的方法。

2 原理及工藝流程

2.1 原理

空氣分離的基本原理是利用空氣中氧、氮組分的沸點不同，采用低溫精餾的方法將各組分分離開來，為達到此目的，高純氮設(shè)備的工作主要包括空氣的壓縮、壓縮空氣的降溫脫水、空氣中水分、二氧化碳等化合物的清除、空氣的冷卻，冷量的制取，空氣的液化，精餾等過程。

高純度氮氣的產(chǎn)生，其實就是精餾的發(fā)生。空分裝置的精餾是在精餾塔中進行的，它利用組成空氣各種組分具有不同的沸點，即在同一溫度下各組分的蒸汽壓不同，使精餾塔內(nèi)上升的蒸汽和下降的液體發(fā)生多次部分蒸發(fā)和部分冷凝，從而達到分離的目的。不同種物質(zhì)的氣相、液相之間進行熱質(zhì)交換，上升氣體中的氣相氧會部分冷凝變成液態(tài)氧并放出冷凝熱，液態(tài)氮則吸收熱量而部分蒸發(fā)到上升的氣體中。這個過程就是在精餾塔的篩板上完成的，由于氧、氮組分沸點不同，氮比氧易蒸發(fā)，氧比氮易冷凝，當(dāng)氣體自下而上逐塊從塔板上通過時，氮濃度不斷增加，在塔頂即可獲得高純度氮氣，冷凝的氧逐層流至塔底成為含氧量較高的富氧液空。

2.2 工藝流程

原料壓縮空氣經(jīng)預(yù)冷及純化器凈化后進入冷箱，空氣在冷箱主換熱器中與返流富氧氣及產(chǎn)品氮氣進行換熱冷卻到飽和溫度后進入精餾塔內(nèi)進行精餾。

上升的空氣在精餾塔中被分離成高純氮氣和富氧液空，富氧液空由塔底抽出經(jīng)換熱器、節(jié)流閥后進入冷凝蒸發(fā)器，在冷凝蒸發(fā)器內(nèi)與冷凝溫度下的氮氣進行熱交換，富氧液空吸收熱量變?yōu)楦谎鯕獠⒆鳛榧兓鞯脑偕鷼猓坏獨夥懦鰺崃勘焕淠秊橐旱簧俨糠肿鳛橐旱a(chǎn)品送至液氮罐儲備，絕大部分作為精餾塔的回流液，參與整個精餾過程。精餾系統(tǒng)工藝流程見圖1。

3 精餾系統(tǒng)優(yōu)化操作

該廠的兩套空分裝置，同時向該廠供應(yīng)0.7MPa氮氣，并積累液氮20噸左右。外圍低壓氮氣正常用量為4500Nm3/h左右，兩套空分裝置同時高負(fù)荷運行，所產(chǎn)生低壓氮氣富余，導(dǎo)致氮氣經(jīng)常放空，同時液氮產(chǎn)量也較多，經(jīng)常開液氮泵降低液氮罐液位，降低了設(shè)備利用率，同時也增加了能耗。因此，空分裝置的優(yōu)化，對整個空分空壓系統(tǒng)尤為重要，以下為空分裝置優(yōu)化過程的具體操作。

圖1 精餾工藝流程圖Figure 1 Distillation process flow chart

3.1 前提

精餾過程的優(yōu)化，必須保證設(shè)備正常，各個環(huán)節(jié)保持運行良好。特別是注意以下幾個方面：

（1）預(yù)冷機的降溫脫水。預(yù)冷機運行不正常，會加大純化器的負(fù)荷，更嚴(yán)重的是將水帶入冷箱，造成管線、閥門堵塞，優(yōu)化精餾難度加大，而且能耗增加。

（2）純化器的凈化作用。純化器主要吸收空氣中的二氧化碳、碳?xì)浠衔铮瑴p少碳?xì)浠衔镌诰s塔內(nèi)的積累。在操作時，若用氣量變化較大，操作幅度較大，水分較多，都會影響純化器的正常吸附和分子篩使用壽命，導(dǎo)致水或者二氧化碳進入冷箱，造成堵塞，影響精餾的進行。

（3）膨脹機的制冷。膨脹機為整個系統(tǒng)提供冷量，膨脹機運行不正常或制冷量下降，會影響整個系統(tǒng)冷量的平衡。

3.2 精餾系統(tǒng)的優(yōu)化

精餾塔是空分設(shè)備能量交換的主要場所，運行期間需密切關(guān)注精餾塔的塔阻、回流量，空氣的加工量及氮氣的產(chǎn)量等重要參數(shù)，保證精餾過程能夠正常進行，因此保證冷量平衡、物料平衡是精餾優(yōu)化操作的基礎(chǔ)。

（1）冷量的平衡

在操作中，密切關(guān)注系統(tǒng)冷量是否滿足工藝要求。主要從塔阻、富氧液空液位、冷凝蒸發(fā)器液位的變化來判斷冷量的變化，從而調(diào)整氣液的平衡。冷量過剩時，塔阻明顯升高，富氧液空、冷凝蒸發(fā)器液位升高，嚴(yán)重時造成淹塔事故，氮氣純度超標(biāo)、氮氣出塔壓力降低，流量減少；冷量減小時，塔阻下降，出塔壓力升高，流量增大，氮氣氧含量超標(biāo)。在操作中，對冷量平衡的調(diào)節(jié)，主要依靠回流與液氮產(chǎn)品的抽出量來調(diào)節(jié)。當(dāng)?shù)獨饧兌劝l(fā)生波動時，首先判斷冷量的變化，是過剩還是減少。過剩時，減少回流液，關(guān)小液空節(jié)流閥，降低膨脹機轉(zhuǎn)速，增加液氮的抽出量；冷量減少時，增大回流液，減小液氮抽出量，適當(dāng)增加膨脹機轉(zhuǎn)速，保證冷量的補充。同時，要密切觀察出塔流量、壓力，系統(tǒng)冷量的變化，及時調(diào)整各個系統(tǒng)參數(shù)。

（2）物料的平衡

在對精餾系統(tǒng)優(yōu)化時，不能僅僅來調(diào)節(jié)冷量，同時也要關(guān)注原料的加工量與出塔流量。冷量的平衡對應(yīng)物料的平衡，兩者僅僅相連。空分系統(tǒng)的加工氣量增大，冷量需求增大，此時出裝置的氮氣產(chǎn)量也增加；空氣加工量減小，冷量需求減小，送出裝置的氮氣產(chǎn)量也相應(yīng)減少。例如，加工量減小，就需要相應(yīng)的關(guān)小空氣進氣閥門，適當(dāng)降低膨脹機的制冷量，這樣才能物料平衡、冷量平衡；否則加工量減少，冷量未減少，系統(tǒng)波動就會增大，出塔壓力、流量忽高忽低，會影響到氮氣產(chǎn)品的純度，要保證系統(tǒng)平穩(wěn)，加工量、冷量同時減少。

（3）精餾優(yōu)化的操作

為提高空分裝置的利用率，降低能耗，同時，為夏季空壓系統(tǒng)提高更多氣量，2015年，對空分裝置進行了優(yōu)化操作。基于空分裝置的現(xiàn)狀，4月份，對1#空分裝置進行了測試。測試的目的就是在保證氮氣含氧量合格的前提下，2#空分滿負(fù)荷運行，1#空分低負(fù)荷運行，兩套裝置共同滿足生產(chǎn)的需要。具體操作如下：

提高2#空分負(fù)荷，加工氣量不超過12000Nm3/h，氮氣出塔流量不超過3600Nm3/h，塔阻控制在16～18kPa，膨脹機參數(shù)暫不變化。經(jīng)調(diào)節(jié)，在冷凝蒸發(fā)器內(nèi)汽化量減少，冷凝蒸發(fā)器液位上漲，蒸發(fā)器壓力下降；同時，液化量也相應(yīng)的減少，導(dǎo)致平衡打破，這時，需要開大液空節(jié)流閥，增加回流液，增加系統(tǒng)所需冷量，保證產(chǎn)品質(zhì)量合格，氮氣產(chǎn)量有所增大。

降低1#空分負(fù)荷，減小空氣加工量，為保證氮氣純度不受影響，首先將加工氣量降至10000Nm3/h，其各項參數(shù)變化見表1。如表1所示，塔阻控制在15～16kPa之間，空氣加工氣量在10000Nm3/h，膨脹機轉(zhuǎn)速在16000r/min左右，能夠保證裝置冷量的需求。

表1 空氣加工量在1000Nm3/h時系統(tǒng)運行參數(shù)表Table 1 the system operation parameters of air processing capacity at 1000Nm3/h

繼續(xù)降低1#空分負(fù)荷，減小加工氣量至8000Nm3/h，各參數(shù)變化見表2。由表2可以看出，當(dāng)塔阻在13～14kPa之間時，空氣加工量在8000Nm3/h左右，膨脹機轉(zhuǎn)速控制在14000r/ min，氮氣產(chǎn)量在1500～2000Nm3/h，純度未發(fā)生變化。當(dāng)然，由于外界用氮氣量的不穩(wěn)定，導(dǎo)致出塔氮氣產(chǎn)量變化沒有規(guī)律性，但可以看出，加工氣量減少，氮氣產(chǎn)量也相應(yīng)有所減少，達到優(yōu)化的目的。

2015年6月，在1#空分低負(fù)荷的運行中，即加工氣量9000Nm3/h，氮氣出塔流量一般控制在2000～2500Nm3/h，塔阻控制在14～15MPa，出現(xiàn)了一次氮氣純度波動，后經(jīng)操作人員及時調(diào)整，保證了產(chǎn)品質(zhì)量。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，由于外界低壓氮氣用量較大，導(dǎo)致1#空分低負(fù)荷運行，出塔氮氣流量超3000Nm3/H，冷量不足，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量發(fā)生變化。因此，在裝置低負(fù)荷運行時，產(chǎn)品流量不能超過3000Nm3/h。

表2 空氣加工量在8000Nm3/h時系統(tǒng)運行參數(shù)表Table 2 the system operation parameters of air processing capacity at 8000Nm3/h

由于原料的特殊性，在調(diào)節(jié)氣量時，不能單純的關(guān)小進塔閥門，就能達到降低加工氣量的目的，同時還要控制好精餾塔的各項參數(shù)，包括進塔壓力、出塔壓力、塔阻、蒸發(fā)器液位、液空液位。如果加工氣量減少，忽視塔阻、蒸發(fā)器液位、液空液位、出塔氮氣的壓力和流量的變化，肯定會造成氮氣含氧量的波動，甚至超標(biāo)，造成事故。因此，降低加工氣量的同時，冷量需求減少，要相應(yīng)的減少冷量的制取，出塔氮氣的品質(zhì)，做到物料平衡、冷量平衡。

另外，保證兩套空分裝置的氣量平衡，當(dāng)一套裝置負(fù)荷降低，為滿足整個用風(fēng)系統(tǒng)的平衡，另外一套裝置會提高負(fù)荷，所有工藝參數(shù)會發(fā)生變動。例如，減小1#空分負(fù)荷，2#空分的負(fù)荷會相應(yīng)的有所增加，出塔氮氣流量會增加然后減少，冷凝蒸發(fā)器壓力會先下降然后上升，塔阻會升高然后減少，系統(tǒng)冷量變化較大，此時，平衡被打破，要及時做出調(diào)整。調(diào)整時，一定要兩套裝置同時調(diào)節(jié)，小幅度的調(diào)整，必要時可以開高壓串低壓先來平衡氣量，然后逐步的調(diào)整兩套空分裝置的各個精餾參數(shù)。

4 節(jié)能降耗

經(jīng)過對空分裝置的優(yōu)化，2016年3月底，該廠成功的停運一臺壓縮機（1229kW）及一臺干燥器。除偶發(fā)狀況，空壓系統(tǒng)風(fēng)量基本充足。粗略計算，壓縮機和干燥器停用后每天可節(jié)約電量約36000度，折合電費21600元（按每度電0.6元計算）。

5 結(jié)語

該廠空分裝置所產(chǎn)生的氮氣供生產(chǎn)裝置置換、吹掃、氣密使用，是該廠重要的輔助裝置。為響應(yīng)國家節(jié)能降耗的號召，提高裝置設(shè)備的利用率，降低損耗，保證空分裝置長周期穩(wěn)定運行，該廠對空分裝置精餾系統(tǒng)操作進行優(yōu)化后，裝置運行穩(wěn)定，節(jié)約電量約36000度，節(jié)能效果良好。

Operation optimization of KDN-3900/465Y Type air separation plant

CHU Kai-jian BAI Hao CHEN Qiong (Yan’an Petroleum Chemical Plant, Yan’an, 727406)

Oil refining and chemical enterprises are responsible for the continuous supply of nitrogen gas and purification of wind and industrial wind, As an important auxiliary unit, it is very important for the enterprise to operate safely and smoothly. Yan'an petroleum chemical plant air separation device using the five sets of air compressor, to open four preparations for a way to provide compressed air, which a compressor in the long-term low load operation, the air compressor is the major energy consuming equipment, power 1229kW therefore great energy-saving space. The optimize ASU distillation system operation, under the premise of not affecting the nitrogen pipe network steady, as far as possible reduce the air separation unit with air, eventually stop running a compressor, saving electricity consumption is about 36000 degrees.

air separation; rectifi cation;balance;optimization.

儲開建（1981-），男，江蘇鹽城人，碩士，工程師主要研究方向為石油化工流體機械。