空分裝置運行性能測評的研討

（馬鋼比歐西氣體有限責任公司，安徽馬鞍山 243000）

引言

空分裝置是能耗大戶，隨著各專業(yè)氣體公司的發(fā)展與國內市場經濟的完善，空分市場逐步形成以運行效率支撐行業(yè)利潤的局面，比如在產品銷售價格不變的情況下，裝置設計效率一定，日常運行效率高，則產品成本降低，利潤增加；反之，利潤下降。所以，對空分裝置的運行性能評估顯得尤為重要。

1 工藝流程

某公司生產工藝為深度冷凍法生產氧氣、氮氣和氬氣。工藝流程見圖1，主要由以下幾部分組成：

(1)空氣壓縮，預冷及凈化；

(2)空氣增壓壓縮及冷凍；

(3)空氣分離；

(4)氬氣精餾和提取；

(5)液體產品儲存及備用系統(tǒng)。

空氣首先經進入前置過濾器除塵緊接著進入空壓機加壓、然后由預冷系統(tǒng)及純化系統(tǒng)進行預冷和凈化處理，凈化后的氣體一路直接進入精餾塔精餾,一路進入增壓機壓縮后去膨脹機進行膨脹制冷、膨脹后空氣進入精餾塔進行精餾，經過精餾塔的精餾最后得到氧氮氬產品并入管網和送入儲罐。

2 工藝運行性能計算及評估

2.1 精餾塔的物料平衡和能量平衡

2.1.1 物料平衡

空分中的物料平衡指氧、氮、氬的介質平衡。通過物料平衡計算，我們可以對產品或原料氣實際產量或實際用量及收集到的損耗之和與理論產量或理論用量之間比較，可以很清楚知道流量計的偏差和物料損失，對比以往數(shù)據，檢查是否存在泄漏損失，杜絕由于物料不平衡造成的部分原料氣或產品的損失。

下面對全塔的物料平衡進行敘述：

進塔空氣量與氧氣量

物料平衡式：

圖1 現(xiàn)場空分流程示意圖

組分平衡式（以物料中氧組分計）

在精餾塔的物料平衡中，必須著重指出的是氧的提取率。氧提取率表示氧產品中的含氧量占加工空氣中氧含量的比例，通常以ρ表示。

式中：V氧—氧氣產量；

V空—加工空氣量；

y0氧、y0空—分別為氧氣、空氣的含氧量。

提取率是空氣分離裝置完善度的標志之一。提取率越高，就意味著氧損失越少，也就是氮氣帶走的氧越少。所以在操作制氧機時，應在保證氧純度的前提下，力爭提高氮純度，以使氮氣帶走的氧量減少，從而提高氧產量。

表1 物料平衡表

圖2 物料平衡圖

由表1可知：

（1）根據物料平衡修正因子可以判定：空氣流量計偏大約2.8%，氮氣流量計偏小約4.8%，氬產品流量計偏小約1.2%但在控制范圍內。

（2）與設計數(shù)據相比較，氧產品與氬產品提取率均在設計值之上，說明裝置精餾效率較設計值好（注：提取率=產品生產量×空氣中產品組分含量×100%）。

措施：空氣流量顯示應根據物料平衡修正系數(shù)用程序進行修正，以便正確指導正常生產中的效率計算，由于氮氣流量計有2塊表，且日常效率計算影響不大，所以不做變更。

2.1.2 能量平衡

空分中的能量平衡是指整個制冷、分離過程的能量平衡。它是由壓縮、膨脹、熱交換、精餾等一系列過程組成的。由于空分裝置處于低溫狀態(tài)，外部必然有熱量不斷傳入，以及主換熱器的熱端溫差等帶來的冷量損失。通過能量平衡計算，我們檢查產品的潛在損失和冷量損失，通過對比以往數(shù)據可以檢查發(fā)現(xiàn)冷損是否有擴大趨勢等。

能量平衡即進入塔內的熱量（包括冷損）總和應等于出塔產品的熱量之和。對于塔的某一部分來說，就是進去的熱量總和等于出來的熱量的總和。

全塔的熱量平衡，其熱平衡式為：

VAirhAir+Q5=VGOhGO+VGNhGN+VGWNhGWN+VGARhGAR+VLOhLO+VLNhLN+VLARhLAR

式中：hAir、hGO、hGN、hGWN、hGAR、hLO、hLN、hLAR分別為入塔空氣焓，出塔產品焓;這些焓值根據壓力、溫度(或飽和壓力)及物料組分等因子在excel 表中用GCT 宏可以計算出來。

Q5—總跑冷損失,單位：×4.18kJ∕h,不包含液體帶走冷量，Q5=。

表2 能量平衡表

由表2能量平衡計算結果可以得出：

進冷箱總熱量：127.4×106kJ∕h；出冷箱總熱量為：126.6×106kJ ∕h；冷箱總跑冷損失為：0.8×106kJ∕h；裝置跑冷損失率為：0.68%（小于設計損失率1%），所以此空分裝置冷箱跑冷在可控范圍內。

2.2 壓縮機的運行性能評估

壓縮機是空分裝置的心臟，也是空分的主要耗能單元，因此，在空分運行性能評估中壓縮機的運行性能評估尤為重要。

2.2.1 壓縮機比功率評估

壓縮機比功率是壓縮機的能量功耗與壓縮的氣體量之比。即壓縮機壓縮單位容積流量氣體所消耗的功率。這是評判壓縮機是否節(jié)能的一個很重要的指標參數(shù)。它通過計算和設計值相比較來調節(jié)進出口壓力比。

表3 空壓機比能計算表

由表3可知，空壓機的實際功率比設計功率低，所以進出口壓力比為正常。

2.2.2 空壓機出口壓力評估

過高出口壓力就會增加壓縮機的功耗。因此此方面的檢查尤為重要。

檢查項目：

空壓機的出口壓力0.415 MPa 和設計值0.464 MPa相比較。如果發(fā)現(xiàn)出口壓力較高，應從以下方面進行檢查：

（1）檢查上塔壓力控制設定值；

（2）檢查空壓機到下塔的壓降是否異常。

根據比對出口實際運行壓力和設計可以看出：ASU1,ASU2 空壓機出口壓力實際值遠小于設計值，所以壓縮機出口壓力控制在正常范圍。

2.2.3 壓縮機冷卻器效率評估

壓縮機級間冷卻器在離心壓縮機中非常重要，也是離心式壓縮機能耗高低的重要影響因素，平均冷卻水溫度沒降低3℃，意味著功率降低1%。因此壓縮機冷卻器的冷卻效率是空分裝置效率評估的關鍵點，要求有足夠的冷卻效果和較低的氣體阻力。

評估內容：

測量冷卻器趨近溫度△T 和設計值進行對比,△T 是冷卻器出口工藝氣和入口冷卻水的溫差。如果△T 太高，級間空氣溫度將升高，壓縮機功率將增大。這可能是以下原因造成的：

(1)水或氣測的污染，堵塞；

(2)水流量不足-盡可能的增加水流量；

(3)冷卻器的氣體側走短路；

(4)冷卻器殼側水短路。

表4 空壓機冷卻器實測值和設計值

由表4 可看出：空壓機趨近溫度運行在較低的水平，進回水溫差較設計值低，考慮到環(huán)境溫度與設備運行負荷較小等因素，可以認定空壓機級間冷卻器運行在高效率水平，不存在缺陷。

2.2.4 空壓機效率評估

通過對壓縮機的等溫壓縮效率分析和比較，發(fā)掘潛能降低能耗。判斷壓縮機的操作點是否接近設計值，并調試壓縮機運行曲線修正效率差異。造成壓縮機效率減少的原因是：（1）操作超過了設計范圍；（2）氣體損失(疏水器、密封、法蘭等泄漏)；（3）防喘閥泄漏；（4）排氣閥∕安全閥泄漏；（5）錯誤的測量。

空壓機的等溫效率73.7%較設計值74.2%略有偏小，考慮出口壓力控制較設計值低，經查證空壓機性能曲線圖，此壓縮機等溫效率處于正常范圍。

2.3 膨脹機的性能評估

膨脹機的工藝效率評估分為兩大類，通過對氣體膨脹機增壓側、膨脹側等熵效率和液膨膨脹側效率的計算，回顧是否在最佳運行點。另對氣膨及液膨的損失功的計算，跟蹤膨脹機傳動損失、惡化增大的趨勢，及時建立大修計劃。

根據膨脹機等熵膨脹原理，通過膨脹機入口壓力、溫度及空氣組分由林德物性計算器GTC 可計算出入口空氣的熵值和焓值；同時根據出口壓力及溫度，可查出膨脹機出口的實際熵值和焓值；根據等熵原理，查出出口理論焓值并計算出等熵效率。等熵膨脹效率低，表示膨脹機效率低，可能的原因有：存在泄漏，冷量損失增大，或存在機械問題等。

由膨脹機輸出功和膨脹增壓段輸入功率或發(fā)電機功率比較，得出中間的功率損失量；損失功率大，則表示潤滑不足、發(fā)電機效率下降等。

以氣體膨脹機為例，膨脹機實際運行性能計算結果見圖3。

從圖3 可以看出，膨脹機膨脹端和增壓端的效率均在設計值內，能量損失略有偏大，后期需檢查檢查膨脹端及增壓端回流閥是否有內漏，通過油品分析和狀態(tài)監(jiān)測等進一步分析膨脹機的運行狀況，必要時進行拆檢保養(yǎng)。

2.4 其他設備的評估

2.4.1 空冷塔及氮水預冷塔運行性能評估

主要包含空冷塔除霧器性能評估；水冷塔趨近溫度及內部壓降評估等

2.4.2 冷箱運行性能評估

冷箱是一組高效、絕熱保冷的低溫換熱和精餾設備。是深冷分離過程的重要組成部分，它由結構緊湊的高效板式換熱器和精餾塔所組成。因為低溫極易散冷，要求極其嚴密的絕熱保冷，故用絕熱材料把換熱器和精餾塔均包裝在一個箱形物內，稱之為冷箱。

空分冷箱的效率評估主要從以下5方面著手：

圖3 膨脹機實際運行性能圖

（1）冷箱保冷效果，檢查冷箱或者連接管道上是否有大的冰斑，檢查冷箱密封氣壓力、流量和報警情況。

（2）主換熱器壓降分析。換熱器通道中的壓降應該和設計值相比較，通道中太高的壓降會增加設備的功率消耗。當對壓降偏大時，應通過流量適當?shù)倪M行調整。調整前，應使用一個精密的壓力變送器對壓降進行檢查。

（3）主換熱器熱端溫度分析。主換熱器每個通道的熱端溫差都應該和設計值進行比較。熱端溫差過高就表明有冷損，就會增加設備的功率消耗。

（4）主換熱器冷端溫度分析。主換熱器的冷端溫度應該和設計值相比較。流道內的冷端溫度溫度過高是沒有意義的。它會增加設備的功率消耗。空氣溫度過低可能導致氬產品的量過低。

（5）主冷凝器碳氫化合物分析與監(jiān)督。

2.4.3 壓差評估。

主要分析空氣-氮氣循環(huán)中沒有過多的壓降。評估各塔器、換熱設備及各介質通道是否存在堵塞及運行工況偏離等狀況。

2.4.4 分子篩的評估

主要包括分子篩壓差；二氧化碳穿透及分子篩冷卻峰值等方面的評估分析。

3 結論

通過對某公司40000 m3∕m 裝置的綜合運行性能評估可知，裝置總體運行性能處于較高性能狀態(tài)，但部分設備運行偏離設計工況，如：在對裝置物料平衡和能量平衡測算評估中發(fā)現(xiàn)部分流量計偏差較大。為了更好地跟蹤和計算裝置運行狀態(tài)，需修正或校準流量計；發(fā)現(xiàn)氣體膨脹機功率損失偏大，考慮運行時間較長了需提出檢修保養(yǎng)計劃。在對壓縮機的過濾器、導流葉片、冷卻器、比功率、防喘振控制等一系列參數(shù)和運行狀態(tài)進行評估和分析后，發(fā)現(xiàn)部分增壓機、氮壓機的換熱器趨近溫度偏離正常狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)增壓機和氮壓機均存在一、二段壓力比偏離設計值，影響壓縮機效率；研究還發(fā)現(xiàn)氮壓機的喘振閥動作頻繁，影響效率，需要優(yōu)化調整。