淺談空分設備能耗因素及節能措施

蔡高輝

（江西銅業集團公司 貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424）

1 引言

空分即空氣分離，就是將空氣中的氧氣、氮氣及稀有氣體（如氬氣）等分離出來，以滿足冶金、化工等各行業的生產需求。常見的空分技術主要有吸附法、膜分離法及低溫法，目前應用最為廣泛的是低溫空氣分離技術［1］。

貴冶制氧區域有4套低溫分離空分機組，總設計氧產能為56500Nm3/h，為全廠提供生產所需的氧氣。低溫分離制氧的工藝過程是先將原料空氣液化，再送入分餾塔利用氧、氮沸點之差使之分離，系統流程如圖1。空分設備在日常生產中消耗大量電能，4套機組年耗電量在2.85億kWh左右，電費成本在生產成本中占了95%以上。優化工藝操作，有效降低設備運行能耗，是空分生產中的重要課題。

圖1 低溫分離制氧流程簡圖

2 空分設備概括

低溫分離空分機組是一個大型的復雜系統，主要由以下子系統組成：壓縮系統、預冷系統、純化系統、膨脹系統、分餾系統、產品輸送系統及循環水系統［2］等，其工作過程如下：

壓縮系統通過離心壓縮機將環境空氣進行多級壓縮，最終達到空分設備所需的空氣壓力等級要求；經壓縮后的原料空氣溫度較高，空氣預冷系統通過空冷塔換熱降低空氣的溫度，同時可以洗滌其中的酸性物質等有害雜質，保證純化系統分子篩吸附工作處于最佳狀態以及后續空氣液化分離的順利進行；分子篩純化系統進一步除去空氣中的水分、二氧化碳、乙炔等對空分設備運行有害的物質；徹底凈化后的空氣再與塔內回流氣換熱之后通過膨脹和節流液化，最終送入分餾塔進行低溫分離；生產的氧氣和氮氣根據各生產單位對產品壓力的要求直接低壓送出或由氧氣壓縮機和氮氣壓縮機進一步加工送出。循環水系統通過冷卻水帶走工藝介質或換熱設備所散發的熱量，以保證設備運行安全及工況參數正常，熱水經風冷塔冷卻再回到循環水池循環使用。

空分機組各生產系統中的主要設備如表1所示。從表中可以看出，空分設備有很多大功率設備，各設備運行功率合計達4萬多千瓦。提高設備運行效率，讓設備處于最佳工作狀態，對降低空分生產總能耗具有重大的意義。

表1 空分機組主要電氣設備列表

3 主要設備能耗因素

下面分析空壓機、冷凍機、電加熱器等耗電占比較大設備的能耗因素。

3.1 空壓機

空壓機是采用多級壓縮多級冷卻的離心壓縮機［3］，式(1)是離心式壓縮機的電耗計算公式，式中ρ為標準狀況下空氣密度，ρ=1.293kg/m3；Vk為空壓機的排氣量，m3/h；R’為氣體常數，R’=0.278kJ/(kg.K)；T為環境溫度，K；P2為排氣壓力，MPa；P1為進氣壓力，MPa；ηT空壓機的等溫效率；ηM為空壓機的機械效率。

從式中可以看出，空壓機的電耗跟環境溫度、進氣壓力、排氣壓力、排氣量、等溫效率以及機械效率有關［4］。

3.2 冷凍機

預冷系統空冷塔先利用冷卻水初步降低空氣溫度，再利用冷凍水二次降溫，通過兩級冷卻使空氣溫度降至規定值。冷凍機是保證冷凍水供應的關鍵設備，一套冷凍機組配有多臺壓縮機，運行時啟動的壓縮機的臺數直接關系到空氣預冷工序的能耗，壓縮機的啟動跟冷凍水進水溫度有關。

3.3 電加熱器

純化系統有兩臺分子篩吸附器，一臺吸附時另一臺再生。其一個運行周期包括升壓、吸附、降壓、加熱、冷吹五個階段，各階段的運行時長及狀態切換都由DCS內部程序自動控制。

電加熱器是在分子篩再生加熱時使用，其運行功率基本固定，純化工序的能耗主要由加熱器的使用時間決定，使用時間越長，所消耗的電能就越多，反之，開啟時間越短所消耗的電能就越少。

4 節能措施

從上述分析可知，各設備的運行模式及工藝過程參數是影響設備運行能源的主要因素，改善設備運行條件、優化運行參數可以有效地降低制氧能耗［5］。

4.1 降低空壓機能耗措施

理論上降低環境溫度，提高進氣壓力，降低排氣壓力，降低空壓機排氣量，提高其等溫效率和機械效率都能降低電能消耗［6］。而環境溫度為自然條件不可控，機械效率由設計、制造、安裝決定不可調，所以空壓機運行節能措施主要從以下4方面開展實施：

4.1.1 提高進口壓力

進口壓力主要由進口過濾器決定，空氣進口過濾器安裝有自動反吹掃裝置，應定期點檢，確保該裝置正常運行；另外要定期更換過濾器濾芯及外圍濾料，使過濾器的阻力控制在設計范圍內。

4.1.2 降低排氣壓力

在其他因素不變的情況下，降低空壓機的排氣壓力，可以有效地降低空壓機的能耗。以5#空分機組為例，設空壓機進氣壓力P1為0.1MPa，若將出口壓力P2由1.1MPa下調至1.05MPa，其他參數值不變，則下調后空壓機電耗與下調前電耗之比為ln10.5/ln11，結果換成百分數為98.06%，即空壓機出口壓力下調0.05MPa，電耗可以降低1.94%。

4.1.3 降低排氣量

在正常情況下，排氣量受空分生產的限制不可能進行大幅度的調整，但空分產品有過剩需要減負荷時，可以適當關小空壓機入口導葉降低排氣量來降低電耗，在調整導葉的過程中，受“喘振區域”的影響，空氣的調節量是有限的。

4.1.4 提高等溫效率

在日常操作中，及時調整空氣出各級冷卻器的溫度，確保空氣得到充分的冷卻，使空壓機處于等溫壓縮，提高空壓機的等溫效率，降低空壓機的電耗。

4.2 降低冷凍機能耗措施

降低冷凍機進水溫度，可以減少啟動壓縮機的臺數，從而減少冷凍機的能耗。

冷凍機進水溫度是水冷塔出水溫度，它由環境溫度、水冷塔冷卻效率以及冷卻塔風機頻率等綜合決定，可以從以下兩個方面操作：

（1）增大氮氣和污氮進水冷塔的流量以提高水冷塔效率。

（2）若夏季氣溫高，可通過調整冷卻塔風機頻率，降低循環水溫度，從而減小水冷塔負荷。

在生產實踐中，循環水溫度在25℃以下時，4#、5#機組水冷塔的出水溫度都可以控制在9℃左右，低于冷凍機溫度設定值，在滿足空冷塔冷卻要求前提下，可停運兩套冷凍機組。以4#、5#機組為例，秋冬季可完全停用冷凍機，每小時可節能約406kW。

4.3 降低電加熱器能耗措施

電加熱器的日常運行時長由純化系統的運行周期和加熱時間決定。運行周期越長，電加熱器開啟的頻率就越低；加熱時間越短，電加熱器單次運行時長就越短。在不影響分子篩運行安全的前提下，即確保分子篩加熱、冷吹氮氣出口溫度峰值達標，合理調整分子篩運行參數，可以有效地降低電加熱器的能耗。

在合理調整分子篩運行參數后，4#、5#兩套機組的分子篩電加熱器每天運行時長合計由原來的15.8h降低至11.3h，能耗降低了28%。

4.4 其他降耗措施

根據季節不同調整設備運行模式也能有效地降低空分生產的能耗。

目前1#循環水系統中有5臺循環水泵，3臺小泵（315kW）2臺大泵（355kW）。夏季環境氣溫高，生產所需循環冷卻水量大，需運行兩臺小泵；秋冬季節環境溫度低，對循環冷卻水量相對要低，運行一臺大泵就可以滿足生產需求。通過運行模式調整，1#循環水系統在秋冬季可以節約18%的電量。

5 結論

近年來，通過工藝參數調整、技術改造、設備運行模式改進等多種節能措施的開展，貴冶空分生產的能耗也在逐步改善。貴冶制氧年度綜合電單耗的計算是空分機組年度耗電總量與氧氣總產量之比，其中氧氣總產量是各機組氣氧產量總和以及外銷液體折算成氣氧產量兩項之和，2015年制氧年度綜合電單耗為0.575kWh/Nm3，創歷史最好水平。空分機組系統復雜，設備多，是生產中的耗能大戶，在日后工作中，還需不斷探尋節能降耗新方法，進一步挖掘空分設備的潛力。

［1］陳錦偉. 淺談空氣分離技術的發展和改進[J]. 化工管理,2015(18):63-64.

［2］林軍. 大型低溫空氣分離裝置工藝流程淺析[J]. 中小企業管理與科技(上旬刊), 2013(10):302-304.

［3］王學軍,葛麗玲,譚佳健. 我國離心壓縮機的發展歷程及未來技術發展方向[J]. 風機技術, 2015, 57(3):65-77.

［4］李新偉. 離心壓縮機節能技術探討[J]. 石油石化節能, 2014, 4(8):27-28.

［5］王夫龍,劉家海. 優化操作降低空分設備運行能耗[J]. 深冷技術,2010(2):18-22.

［6］蔣旭,厲彥忠. 內壓縮流程空分設備的能耗影響因素研究[J]. 真空與低溫, 2014, 20(5):307-310.