分析和探讨优化空分冷量的对策

2016-10-18肖其

石油化工应用 2016年9期

关键词：冷量空分空压机

肖其

（中国石油宁夏石化公司，宁夏银川750026）

分析和探讨优化空分冷量的对策

肖其

（中国石油宁夏石化公司，宁夏银川750026）

通过现有的空分运行装置对标，定性和定量的分析影响空分装置冷量的主要因素。探讨优化空分冷量，降低冷损的相应对策，并提出需要进一步改进和优化的措施。

空压机打气量；冷量；冷量损失；压缩节流循环制冷；膨胀机制冷

深冷空气分离装置主要生产氧、氮产品以及其他产品。以宁夏石化公司合成氨空分装置为例，采用分子筛吸附、膨胀机制冷、全低压精馏内压缩流程，设计能力为28 000 m3/h。主要任务是生产高压用氧（9.8 MPa）和高压用氮（7.8 MPa）；同时，为全厂提供公用低压氮气等［1-4］。为保证生产出合格足量的气体产品，空分装置的冷量平衡是关键。夏季气温、空压机打气量、主要制冷设备空气膨胀机制冷效果、冷量耗损等因素，都是影响空分冷量的平衡和氧产量的重要因素。为了保证并提升设备的安全可操作性，此空分相继进行了分子筛改造、预冷系统改造、空压机防喘振控制系统的改造。然而，经过各项改造后的装置运行过程中，冷量平衡和优化问题仍然是空分夏季高负荷生产下需要探讨的问题［5-8］。

1　空分原料进气量分析

1.1空分装置的物料平衡（见表1）

由表1可知：（1）原料空气进气量为设计的89.2%；（2）产品氮气总量提高到453 000 m3/h，原设计值为36 700 m3/h；氮气供给量增加，主要是低压氮气管网用量增加；（3）产品氧气量，污氮气都较设计值相应减少。

物料平衡数据说明：空气压缩机流量偏低，进入空分工段的总原料空气减少，而与此同时，合成氨系统公用类氮气供给量增加，产品氧气和污氮气都相应减少。产品气的增加导致精馏塔负担加重，从而使得产品氧气的纯度略有下降；这在正常运行过程中通过分析产品氧纯度和造气工段氧/气比均能体现出来（见表2）。

表1　空分装置物料平衡表

表2　空压机防喘振控制系统改造前后各项运行参数对照表

由表2可看出：空压机排气压力偏低、流量偏大。透平主冷凝器真空度高、冷凝液量增大。

在转速一定的情况下，随着流量的增加，压头降低；而在实际空压机运行工况下，蒸汽的用量加大，功耗增加；导致机组做功的效率下降，从而导致空压机的打气量下降。

2　空分冷量来源分析

空分冷量的制取，主要有两方面：一是压缩气体的节流效应制取；二是经膨胀机的绝热膨胀制冷。

2.1压缩节流等焓膨胀制冷

气体由P1等温压缩到P2，换热后再进行节流膨胀，由能量平衡可知：

式中：i1为气体在状态1点时的焓值；i2为气体在状态2点时的焓值；i0为饱和液体的焓值；X为液化气体的量。

整理后：

式中：X（i1-i0）为X kg气体冷却到饱和状态所需的冷量；i1-i2为在同一温度下，P1点与P2点之间的气体焓差。

假设循环制冷量为Q，则：

由式（2）可以看出，循环制冷量是由i1和i2决定，即只与进出换热器的状态（P·T）有关。

在研究的空分流程压缩循环制冷当中，有两股节流循环制冷。一股是经过氮气压缩机四段压缩后出来的8.0 MPa，经过换热节流制冷；另一股是氮气压缩机五段压缩后出来的12.0 MPa，与氧换热后节流制冷。

2.2膨胀机等熵膨胀制冷

式中：i1为压缩前空气的焓值；i2为压缩后空气的焓值；i3为入膨胀机前空气的焓值；i4为出膨胀机后空气的焓值；G为入膨胀机的空气量。

依据本装置的特点，环流空气从中部抽出后全部混合进入膨胀机；则膨胀机制冷量为：

2.3两种类型制冷的计算

通过以上空分两种制冷方式的理论介绍，可用软件计算出两类相应的制冷量（见表3）。

由表3可知：由于两大制冷方式制冷的方式不同，冷量的消耗并不平衡。有的提供的冷量和消耗的能量差值较大，通过主要原因的定性和经验分析外，需要对冷量损失进一步分析和说明。

表3　空分装置制冷量的统计

3　空分冷量损失

装置在正常运行工况下，其内部处于低温下工作，与外部会产生热量交换；产品气体在离开装置时，也不可能复热到与进入装置的空气温度完全相等。空分装置主要存在以下几种冷量损失：热交换不完全损失、跑冷损失、液体产品冷量损失、其他损失。

3.1热交换不完全损失

低温气体在离开装置时，在理想状态下，它应复热到与正流空气进装置的温度相等。这样，冷量可以全部回收。实际上使用的换热器不可能达到这种理想的要求，低温气体离开装置时总是低于正流空气进装置的温度。因而产生冷损，这种损失可以通过增大换热面积的办法来使之减少（见表4）。

对照换热器出口温度，由于板翘式换热器的热负荷大、换热效率高、热端温差小等特点，使得复热不足。在实际过程当中，由于长期的运行，分子筛改造后工艺空气进板翘式换热器的温度升高等因素影响，导致换热器的换热效率降低。大型空分设备设计的热端温差一般均在3℃左右，不同设备的单位热交换不完全损失差别不大，而本套空分装置的热交换不完全损失约为总损失的一半以上。因此，提高板翘式换热器的换热效率是空分冷量平衡和优化的重要控制点。

3.2跑冷损失

表4　板翘式换热器参数对照表

由于装置的工作温度很低，虽然加有保冷层，但周围空气温度高于装置内的温度，仍不可避免地将一部分热量传入内部，使低温物体温度升高，消耗了一部分冷量，这部分冷量叫跑冷损失。跑冷损失的大小与绝热保冷措施及效果、运转的环境条件、空分设备的型式与容量等因素有关。

3.3液体产品冷损失

当装置生产一部分液态产品时，这部分低温液体离开装置而带走的冷量称液态产品的冷量损失。在讨论的空分装置中，主要是事故液氮储罐（2台）引起，它是装置的安全配套设备之一，主要是用于消防、事故时系统内置换以及作为仪表空气气源事故中断时的补充气源之一。两个储罐的设计均为相当于10 000 m3/h氮气的液氮，送出能力为2 500 m3/h，压力为0.7 MPa。由于装置技改需要，后来该设备用户又增加了变换炉、氨合成塔催化剂保护（停车时）、两套化肥装置合成气压缩机和氨压缩机的密封气源（长期投用）等。用户的增加，增加了液氮储罐的充填频次，这在夏季装置生产时，对空分冷量平衡是一个严重考验。

3.4其他损失

在排放液体时（或当装置有泄漏时），需要额外消耗一部分冷量，或损失一部分低温液体或气体，这种损失属于其他冷损。如果管道、阀门或空分精馏塔冷箱泄漏导致冷量无法回收引起的冷损。

通过以上对空分冷量来源及冷损类别的理论介绍，如何达到制冷和冷量消耗的平衡，是空分装置在运行维护、指标优化、挖潜增产的重要任务。结合讨论的合成氨空分装置特点，提出以下措施。

4　针对目前冷量平衡的优化措施

4.1优化空气机负荷，提高空压机的打气量

空压机气量一直是影响空分冷量和产品的主要因素之一，在经过防喘振控制系统改造后，空压机固有的特性以及目前采用的CCC防喘振控制器组态的特性曲线的相互使用。给空分的安全、稳定运行带来很大的挑战。独立的防喘振系统为了保证空压机的安全，未能考虑到氮气压缩机的安全运行；建议可实施的措施：

（1）在现有的优化空压机措施的同时，需整体性地考虑空、氮压机的气量平衡和安全控制系统。

（2）改善工厂风管网系统。针对工厂风的用户，实施专线供给等措施。如：工厂风全由二化肥空气压缩机提供；尿素高压设备防腐用空气配置专线，从分子筛空气吸附器后直接配专线保证连续专供；通过改进措施增加进入空分装置的加工空气量，为膨胀机满负荷制冷提供必要条件。

4.2提高和优化空分制冷量，降低冷量损失

4.2.1优化空气透平膨胀机的制冷效果在近两年膨胀机的运行实际中，发现膨胀机的膨胀效率逐步在下降。膨胀制冷后的温差明显有所降低（约46℃），较透平控制系统改造前（50℃），降低了4℃；分析影响膨胀机制冷的因素有：膨胀机内膨胀的空气量；压缩空气的压力；进膨胀机的气体温度；膨胀机的效率。从以上因素着手，提高膨胀机的制冷效果。

同时，通过优化和调节板翘式换热器的各段温差提高换热效果，降低冷量损失。

4.2.2降低事故液氮消耗尽量降低液氮储罐外送压力，保证事故液氮罐罐体的压力在0.65 MPa，外送压力降低到0.61 MPa，用以减少对液氮的消耗。

4.3技改空分现有冷量

4.3.1停用高压循环系统的氨冷器将高压循环氨冷器连接到空分预冷系统（见图1）当中，彻底将溴化锂机组停用。合理利用冷量，降低空分能耗。

氨冷器停用之后，即可将液氨应用到预冷系统当中，也可避免氮压机入口温度低（控制在-10℃，空分冷态下启动K2有时会更低）的现象发生；通过实际现有空分装置调整发现，将循环段氨冷器停用后将不会对系统造成大的影响。

4.3.2回收污氮气中氮气的研究由图1可知，蒸发冷却塔中，约有39 000 m3/h的污氮气排放大气，通过探讨污氮气提纯装置的研发和应用，合理利用有效组分，对于大型空分装置挖潜增效具有重要的意义。