空分設(shè)備運行節(jié)能降耗的優(yōu)化措施及操作實踐

孫素霞，王麗花

（河南豫光金鉛股份有限公司制氧廠，河南 濟(jì)源 454650）

河南某公司制氧廠KDONAr-6000/2000/180（簡稱：6000空分）型空分設(shè)備，采用DCS系統(tǒng)控制、全低壓常溫分子篩吸附凈化、增壓透平膨脹機(jī)制冷、全精餾無氫制氬和氧、氮外壓縮流程。氧氣供應(yīng)下游的富氧底吹爐一廠、二廠和直連廠煉鉛使用。

在確?？辗窒到y(tǒng)運行正常，用戶用氣量足夠的前提下，采用以下優(yōu)化措施和實踐操作法，來達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

1 循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)能操作實踐

1.1 循環(huán)水泵的變頻改造

6000m3/h空分設(shè)備的循環(huán)水泵型號300S-58B，流量685 m3/h，揚(yáng)程43m，配套電機(jī)額定功率132Kw，額定電壓380V，額定電流241A，共三臺循環(huán)水泵，兩用一備，為空分系統(tǒng)供水流量1250 m3/h，平時空分系統(tǒng)的總進(jìn)水閥和總回水閥均為全開，每臺水泵的出口閥開度只有1/4，泵出口壓力0.45MPa，供水總管壓力0.30 MPa，這說明有0.15 MPa的阻力消耗在泵的出口閥上，每臺泵運行電流均達(dá)到205 A，兩臺泵每小時耗電量大，高達(dá)251KWh，為解決這一問題，我廠決定在1#循環(huán)水泵上增加變頻器，使用變頻器來降低電機(jī)的運行頻率，從而使泵的轉(zhuǎn)速降低，出口閥全開，流量不變，揚(yáng)程降低，功耗降低。

2009年，我廠購買了一臺變頻柜，其核心組件是變頻器，配套有相應(yīng)的空開、接觸器等電器元件，取消原來的軟啟動控制柜，電機(jī)電源線接到變頻器下線上，并按圖接到運行狀態(tài)線至DCS上，泵為現(xiàn)場變頻柜上啟停，啟1#泵前，先將變頻器頻率設(shè)定在50HZ，按平時的操作開啟泵后，逐漸開出口閥至1/4，這時水量滿足，開始微降頻率，逐漸開大出口閥，要協(xié)調(diào)好水量保持基本穩(wěn)定，直到出口閥全開，這時頻率降到42 HZ，供水總量保持不變。

改造后，由于1#泵出口閥全開，1#泵出口壓力由過去的0.45 MPa，降到0.30 MPa，電流降到了150 A，另一臺泵出口壓力仍為0.45 MPa，其出口閥開度約為1/4，電流190 A，兩臺水泵同樣在1250m3/h，的流量下，每小時耗電210 KWh，即每小時節(jié)電41KWh，全年節(jié)約電費：41×24×365×0.52＝186763.2元。變頻器投資13.2萬元，不到一年可回收投資成本。

通過這次改造，循環(huán)水變頻器的節(jié)電應(yīng)用取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

1.2 冬季減少循環(huán)水的總用量，夏季增加循環(huán)水的總用量

6000m3/h空分系統(tǒng)的循環(huán)水系統(tǒng)主要承載著空壓機(jī)、活塞機(jī)、氮透、膨脹機(jī)增壓端冷卻器及空氣預(yù)冷系統(tǒng)的冷卻作用。在該空分設(shè)備運行的前幾年，空壓機(jī)各級冷卻器一直未做水量平衡的精細(xì)化調(diào)節(jié)。隨著空分設(shè)備精細(xì)化操作的進(jìn)一步深入，對壓縮機(jī)的各級冷卻器進(jìn)行了排查，查閱冷卻器設(shè)計的原始數(shù)據(jù)，通過對比發(fā)現(xiàn)空壓機(jī)各級冷卻器存在過度冷卻現(xiàn)象，溫差偏小，未能最大程度的發(fā)揮冷卻器的最大冷卻效能，同時造成循環(huán)水的過度浪費。

根據(jù)冷卻器的設(shè)計參數(shù)，反復(fù)逐個調(diào)整各級冷卻器的供水量，使運行參數(shù)接近設(shè)計值，在保證循環(huán)水回水壓力不變，各級冷卻器冷卻后溫度出現(xiàn)輕微上升或維持不變的情況下，逐漸降低循環(huán)水泵的頻率。

2010年11月份，當(dāng)循環(huán)水溫降低到20℃以下時，我們試著采用降低循環(huán)水的使用量來降低能耗。

現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)空壓機(jī)三個冷卻器的進(jìn)回水閥都是全開的，逐漸關(guān)小各個冷卻器的進(jìn)水閥門，來減少空壓機(jī)冷卻器的冷卻水使用量，前提是循環(huán)水回水壓力不變，空壓機(jī)冷卻后溫度出現(xiàn)輕微上升或維持不變?yōu)榛鶞?zhǔn)，經(jīng)過這三個冷卻器水量的調(diào)整，總循環(huán)水流量從1300m3/h減少到1000m3/h，空壓機(jī)各級冷卻后溫度基本維持不變，可見節(jié)省下來的300 m3/h水量就是過度冷卻水量。

每年的5月份，隨著外界溫度和循環(huán)水溫度的升高，將空壓機(jī)冷卻器各級的冷卻水量重新加上，使總循環(huán)水總量達(dá)到1300m3/h，每年的11月份，將總循環(huán)水量降低到1000m3/h。這樣一來，每年有6個月可降低循環(huán)水的使用量和循環(huán)水泵的能耗，從而起到節(jié)能的目的。

1.3 冬季停運冷水機(jī)組

6000m3/h空分的預(yù)冷系統(tǒng)采用的是外加冷水機(jī)組的氮水預(yù)冷系統(tǒng)流程形式，循環(huán)水進(jìn)入水冷塔后，經(jīng)出塔低溫氮氣和污氮氣冷卻降溫，在水冷塔底部得到10℃左右的低溫水，這部分低溫水經(jīng)冷凍泵加壓后進(jìn)入冷水機(jī)組，通過冷水機(jī)組將水溫降至7℃左右。從冷水機(jī)組出來的水分成兩部分：一部分水進(jìn)入空冷塔上部為空冷塔提供冷源，把經(jīng)過空冷塔的空氣進(jìn)一步降溫到8℃～12℃；另一部分水進(jìn)入膨脹機(jī)增壓機(jī)冷卻器為增壓空氣降溫，把增壓空氣的熱量帶走后，進(jìn)入水冷塔底部重新利用。

在預(yù)冷系統(tǒng)中，水冷塔的降溫效果受到多種因素的影響，比如：噴淋水量、設(shè)備的結(jié)構(gòu)以及傳熱效率等諸多因素的影響，但最主要的因素是水與氣的比例，當(dāng)水冷塔達(dá)到最佳的水氣比之后，水冷塔的溫降是一定的，工藝上要求空氣出空冷塔的氣體溫度控制到8℃～12℃，可每年進(jìn)入冬季，隨著外界溫度的降低，循環(huán)水溫基本上在20℃以下，水冷塔的出水溫度降到9℃以下，可以滿足空冷塔出口氣體溫度的要求，無需再通過冷水機(jī)組的再次降溫，這時就可以停運冷水機(jī)組了。

停運冷水機(jī)組后，水冷塔負(fù)荷會增加，水溫略有升高，帶入分子篩純化系統(tǒng)的水分會有所增多，需要通過延長電加熱器的加溫工作時間來保證純化的冷吹峰值，從而使純化系統(tǒng)達(dá)到完全解析的結(jié)果。

停運冰機(jī)有以下幾個因素可參考：

（1）冰機(jī)負(fù)荷低；

（2）涼水塔風(fēng)機(jī)未滿負(fù)荷工作，有1～3臺停運；

（3）空冷塔空氣出口溫度低于10℃；

滿足以上幾個條件，就可停運冰機(jī)了，停冰機(jī)后，還需要對運行的工況做如下的調(diào)整:

（1）停冰機(jī)后，及時調(diào)整冷凍水量和冷卻水流量；

（2）將膨脹機(jī)增壓機(jī)冷卻器回水，由回水冷塔改為回水回到循環(huán)水回路中，以免增加水冷塔的負(fù)荷，導(dǎo)致水冷塔出水溫度高；

（3）如果出塔的氮氣有余量，可適當(dāng)開大氮氣、污氮氣去水冷塔的閥門，從而降低水冷塔出水溫度；

（4）空冷塔出口空氣溫度會升高，根據(jù)冷吹峰值調(diào)整加溫時間；

按照以上的操作方法，6000m3/h空分設(shè)備通過多次實踐計算對比，發(fā)現(xiàn)冰機(jī)運行的總功率大于延長電加熱器加溫時間所產(chǎn)生的功率，后來我們每年根據(jù)實際情況及時停運冰機(jī)來降低設(shè)備的能耗。

2 分子篩純化系統(tǒng)預(yù)冷吹節(jié)能優(yōu)化法

6000m3/h空分分子篩吸附器為立式雙層床結(jié)構(gòu)，下層為活性氧化鋁，上層為分子篩?？諝庾韵铝鹘?jīng)吸附劑，其中的水、二氧化碳及碳?xì)浠衔锉晃胶螅?jīng)頂部的內(nèi)置過濾器除去機(jī)械雜質(zhì)，沿著中心管自上而下從底部出來，該純化器采用不銹鋼夾層內(nèi)絕熱方式。（如下圖）

純化系統(tǒng)冷吹末期有40分鐘的時間冷吹溫度基本不變，冷吹時間過長，在這段時間中分子篩基本沒有解吸。如果把冷吹的這段時間移到加溫前，通過常溫下解吸一部分，再進(jìn)行高溫解吸，這樣是否可以縮短高溫解吸的時間，從而縮短電加熱器工作時間，達(dá)到節(jié)能降耗的目的？

2018年3月我們對6000m3/h空分純化系統(tǒng)進(jìn)行了實踐，實驗過程：

（1） 當(dāng)2#純化器開始再生時，預(yù)加溫時間增加30分（即準(zhǔn)備加溫時間原先是3分鐘，現(xiàn)改為準(zhǔn)備加溫時間33分），加溫時間不變，冷吹時間減少30分鐘，冷吹階段吹出來的峰值高達(dá)132℃,比正常冷吹峰值127℃ ，高出5℃。

（2）當(dāng)1#純化器開始再生時，預(yù)加溫時間增加30分，加溫時間減少5分，冷吹時間減少25分，再生總時間不變，最后冷吹峰值達(dá)到128℃，和正常峰值一樣，通過以上兩次實驗加溫之前的預(yù)冷吹30分鐘效果還是很明顯的。

純化系統(tǒng)配置2臺電加熱器，一用一備，每臺功率816KW，4小時加溫一次，每次加溫時間58分鐘，若每次加溫節(jié)省5分鐘，一年可節(jié)約：30×816×0.6×12=176256元。

理論上講冷吹末期溫度越低越好，具體預(yù)冷吹時間能縮短多少，我們選取的時間點應(yīng)卡在：冷吹末期溫度下降到非常緩慢的一個轉(zhuǎn)折點上，從轉(zhuǎn)折點算起可以估算預(yù)冷吹多長時間最合適。然后把節(jié)省下的這段時間前移到預(yù)加溫階段，從而來縮短電加熱器的工作時間，起到節(jié)能降耗的目的。

3 降低空壓機(jī)排氣壓力的節(jié)能操作法

2018年6月，因后續(xù)系統(tǒng)氧氣用量減少，氧氣有多余的放空，為了降低氧氣放散率，6000空分設(shè)備開始試驗降低空壓機(jī)排氣壓力的節(jié)能降耗法。降低系統(tǒng)負(fù)荷時我廠是按照分級逐降的準(zhǔn)則進(jìn)行操作，空壓機(jī)導(dǎo)葉開度控制在38度以上，防止空壓機(jī)發(fā)生喘振。系統(tǒng)在變負(fù)荷過程中，我們遵循的原則：物料平衡、逐步加減、穩(wěn)中求變、變中求穩(wěn)的原則。系統(tǒng)在減負(fù)荷時要緩慢進(jìn)行，避免操作幅度過大導(dǎo)致工況破壞，影響產(chǎn)品質(zhì)量或造成后續(xù)用氣壓力和流量的大幅波動。

我們根據(jù)富氧底吹爐一廠、二廠和直連廠煉鉛爐的生產(chǎn)需求和節(jié)奏的變化，與用戶緊密合作，提前溝通，預(yù)測出相關(guān)數(shù)據(jù)，按照下列步驟及時對空分系統(tǒng)做出減負(fù)荷操作，節(jié)約能耗。

降低空壓機(jī)排氣壓力來降低負(fù)荷的實驗步驟：

(1)后續(xù)系統(tǒng)轉(zhuǎn)爐超過2小時以上，氧壓機(jī)放空量大。

(2)逐步降低氬系統(tǒng)負(fù)荷，每5分鐘工藝氬降低50m3/h。

(3)根據(jù)氧氣、氮氣純度及主換熱器溫差，適當(dāng)降低分餾塔出塔氧氣、氮氣產(chǎn)量，同時注意氬系統(tǒng)的工作情況，以免粗氬塔發(fā)生氮塞。

(4)逐漸關(guān)小空壓機(jī)導(dǎo)葉，降低排氣壓力，從而來減少加工空氣量，降低空壓機(jī)負(fù)荷。同時注意空壓機(jī)油壓、軸溫、振動、位移等各個參數(shù)的變化，使各參數(shù)控制在設(shè)計范圍內(nèi)，為保證空壓機(jī)的安全運行，空壓機(jī)導(dǎo)葉始終沒有低于38度。

(5)調(diào)節(jié)預(yù)冷系統(tǒng)常溫水和冷凍水流量，空壓機(jī)壓力降低后，空冷塔阻力降低，常溫水和冷凍水流量會增加，要及時減少水量，以免造成空氣出空冷塔空氣帶水，從而使水進(jìn)入純化系統(tǒng)。

(6)降低負(fù)荷的過程中，正流空氣量會減少，主換熱器的冷區(qū)會向上移動，要注意膨脹機(jī)前的溫度，溫度降低時，要及時調(diào)節(jié)，防止膨脹機(jī)后帶液體。

根據(jù)上塔壓力，調(diào)節(jié)出塔氧氣、氮氣、污氮氣量，保證上塔壓力變化不大，減少對塔內(nèi)精餾工況的影響。

(7)及時調(diào)節(jié)純化系統(tǒng)再生氣量，保證純化系統(tǒng)再生氣量不變。

(8)在降低系統(tǒng)負(fù)荷時，要及時減少出塔氧氣量，提高氧氣純度，以免氬工況氮塞。

(9)當(dāng)空氣量減少時，塔內(nèi)上升氣和回流液同步減少，要根據(jù)液空、液氮純度及時調(diào)節(jié)液氮節(jié)流閥的大小，保持工況平穩(wěn)運行。

(10)逐漸關(guān)小空壓機(jī)導(dǎo)葉，降低空壓機(jī)排氣壓力，來減少加工空氣量。

當(dāng)時空壓機(jī)排氣壓力從500KPa降到480KPa，空壓機(jī)電流從182A降到172A，降低了10A左右，每天可節(jié)約電費2491元。

4 結(jié)論

該廠多年來圍繞設(shè)備的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運行不斷的改進(jìn)，通過對空分設(shè)備節(jié)能方面采取的一些有效措施，為企業(yè)增加了客觀的經(jīng)濟(jì)效益。 只有根據(jù)設(shè)備自身的特點，采取有針對性和行之有效的操作法，才能最大發(fā)揮設(shè)備的性能，保證空分設(shè)備的安全、穩(wěn)定的運行。