位天时，蒋卫兵，刘江淮，黄春涛

(马钢股份气体销售分公司，安徽 马鞍山 243000)

制氧厂氮气利用挖潜改造实践

位天时，蒋卫兵，刘江淮，黄春涛

(马钢股份气体销售分公司，安徽 马鞍山 243000)

介绍制氧厂以氮氧液化装置为中心的氮气循环压缩利用工艺流程及改造实践活动。解决动力介质管网供需矛盾，灵活组织生产模式。充分挖潜氮气利用，同时降低氧气放散率。提升液体外销产能的同时，设备运行更经济可靠。

氧氮液化装置；循环氮气压缩；氮气有效利用；氮压机互连互备

0 引言

近几年来，随着马钢公司生产规模的扩大，氧气、氮气需求量不匹配矛盾显现，尤其氮气资源短缺的问题日益突出。位于北区的2套大型空分装置(杭氧KON-20000/20000、法液空KON-35000/40000)产品气配比一定，长期处于“一开一备”保供模式。再者，如要保证中压氮气管网压力，氧气放散率可达8%以上，制氧厂产品单耗居高不下。众所周知，采用液化和汽化后备系统能及时有效平衡动力介质管网压力波动，已成为提高管网运行经济性的有效途径。为此马钢气体公司因地制宜，以氧氮液化装置为中心，综合统筹中压氮气管网保供、低压氮气资源循环压缩利用、液态产品外销等方面，于2012年对已建成投产的“二液化站”进行“氮气循环压缩利用”系统改造实践。

1 项目简介

1.1 氧氮液化流程(图1)

YPON-3750/1710型氧氮液化装置工作介质是来自动力管网的中压氮气(1.3～1.6 MPa)、氧气(1.8～2.1 MPa)。原料氮气经透平膨胀机BC端增压至2.50 MPa，冷却后进入板式换热器E4001换热后分为两路，一路进入ET端绝热膨胀后获取液化系统所需的冷量，与此同时产生的推动功又被BC端所吸收。膨胀后的低温低压氮气(40 kPa)作为返流气依次进入板式换热器E4002/E4001复热后出冷箱，而后经循环氮压机升压并入中压氮气管网。另一路增压氮气经板式换热器E4002、过冷器E4003后冷却液化为液氮进入集液罐SV4002，而后带压输入液氮储槽。液氮过冷器E4003冷端抽取少量液氮，经节流阀HC4001降温进入E4003/E4002/E4001作为返流气复热后出冷箱，而后经循环氮压机升压并入中压氮气管网。

来自中压管网的氧气经E4001/E4002被逐步冷却液化为液氧入集液罐SV4001，而后带压输入液氧储槽。根据管网介质富裕情况，调控过冷器E4003及节流阀HC4001运行工况，既可实现单通道，又可双通道氮、氧液化生产。

图1 YPON-3750/1710型氧氮液化装置工艺流程简图

1.2 氮气循环压缩流程

目前位于气体公司北区的2套大型空分装置(杭氧KON-20000/20000、法液空KON-35000/40000)，其中杭氧二万液氧内压缩空分机组满负荷生产时，仅有14 500 m3/h产品氮经氮压机压缩并入中压氮气管网，空分产能未完全释放。法液空KON35000/40000型液氧部分外压缩空分配有2台20 000 m3/h氮气压缩机。显而易见，液化站透平膨胀机冷量的获取，受限于中压氮气管网压力。在管网氮气需求紧张、空分需满负荷生产的时候，二液化开机率明显降低，致使马钢北区氧气放散率居高不下。再加之动力管网介质平衡波动较大，严重危及中压氮气透平膨胀机的稳定运行，外销液体产量深受牵制。此次改造，作为连通介质(低压氮气)不仅要满足流量的连续稳定，还要能保证透平压缩机吸入工况匹配。

通过设备实际运行工艺数据采集，液化站循环中压氮气16 250～25 000 m3/h，膨胀制冷量15 000～23 000 m3/h。在保证透平膨胀机吸入压力1.3～1.7 MPa条件下，膨胀后氮气压力20～40 kPa。二万空分配套的IngersollRand 14 500 m3/h离心压缩机吸入压力4～15 kPa，排气设计压力2.0 MPa。三万五空分配套的两台氮压机分别为：Cooper 20 000 m3/h离心压缩机吸入压力4～19 kPa，排气压力设计2.0 MPa；IngersollRand 20 000 m3/h离心压缩机吸入压力7～30 kPa，排气设计压力2.0 MPa。通过对比分析，3台氮气压缩机均能实现液化系统氮气循环的功能。

2 原氮气循环系统缺陷

借二万空分机组计划性停机检修之际，停运14 500 m3/h氮透。对原厂区内低压氮气连通系统进行试验。

2.1 连通试验记录

关闭产品氮气去水冷塔V106阀，打开低压氮气管网连通阀。逐步关闭产品氮气放空阀，C60吸入压力可保持在10～14.8 kPa，满足氮压机启运条件。渐开C60导叶升压并网，并进行加负荷操作。

1.吸入流量18 500 m3/h、压力9.8～10.32 kPa。出二万冷箱产品氮气压力13.5～14.1 kPa。

2.吸入流量19 000 m3/h、压力7.1 kPa。出二万冷箱产品氮气压力11.3 kPa。

3.吸入流量19 500 m3/h时，二万产品氮气流量、压力出现波动。

4.试验期间环境温度17℃，水冷塔水温由12.3℃上升至13.0℃。

2.2 系统缺陷

实现二万、三万五空分氮压机互连、互通、互备，有效组织生产模式应对管网保供及液化站循环压缩原料气，原厂区内低、中压氮管线互连系统存在以下几点缺陷。

1.采用三万五(二万)空分低压氮连通，保证机组稳定运行前提下，可释放二万空分产能至少4500 m3/h，解决二万空分产品氮气压机配型过小的问题。

2.虽然以液化站为中转，出两套空分装置的低压氮气并没有直接连通路径。如液化站处于加温备用状态，3台氮气压缩机之间不能实现互连、互通、互备，氮气资源全量并网输送成为问题。

3.原二万产品氮气流量计靠近低压放散口，连通运行后孔板流量计所在管段被短路，无量显。需在新敷设管道上安装孔板流量计1套，实时监控二万空分产品氮气抽取量，以免空分主塔工况波动。

4.原二万空分至液化系统DN500氮气管线输送能力偏小,出二万空分冷箱低压氮气(10～14 kPa)在输送管阻损失后，造成C60氮压机吸入压力偏低，压差损失可达5 kPa。为保持氮压机出口压力不变，压缩比增加，能耗也相应增加。

5.原连通路径并未完全绕开二液化冷箱系统。若长周期运行会将大气中的湿空气通过放散口倒吸入液化站冷箱内及板式换热器内，造成冷箱保冷下降，板式换热器有冰堵隐患，危及液化站膨胀机安全启停。

6.若二液化板式通道出现内漏，很可能将氧气带入低压氮气系统，污染中压氮气管网。

7.C60氮压机无回流防喘振调节功能，工况异常跳车后，低压氮气放散缓慢易憋压，危及二万空分稳定。故将二万产品氮气放空阀改为压力联锁自动控制。

8.二万空分配套循环水泵房，仅有2台轴流冷却风机，高温季节调控水温能力已至极限。在释放氮气产能的同时，需增加至少1000 kW大温差冷水机组一套，使空气出空冷塔的温度不高于18℃，确保分子筛吸附器工作负荷。

3 改造实施

3.1 液化系统优化

1.中压氮气透平膨胀机可谓是液化系统的心脏部件，为了保证运行工况的连续稳定，且能为液化站提供满负荷的冷量需求，设备选型必须具备：大膨胀比有效应对管网压力波动、可调喷嘴负荷调整空间大、最佳特性等熵比焓降高、可靠轴承润滑系统、精密减压密封气系统、启动/跳车连锁保护完善等要求(透平膨胀机设计技术参数见表1)。

表1 中压氮气透平膨胀机技术参数

2.为确保氧氮液化单/双通道灵活组产切换，液氮节流阀HC4001更换为进口阀门。提升该阀节流降温效果，能有效避免液氮节流汽化引起的超压风险。同时，增强过冷器E4003的换热效率，液化系统液体产量得到提升。

3.出液化站冷箱低压氮气放空阀V4113为气闭式电磁阀，若20 000 m3/h氮气压缩机出现异常工况运行时，操作人员需要手动失电。另外，该阀无快开特性，屡次出现放散不及时，膨胀机出口超压联锁液化系统跳停。故将低压氮气放空阀V4113更换为气动薄膜调节阀，与膨胀机出口压力形成联锁自动调节，防止超压伤及板式换热器。

4.设置中压氮气进气阀V4101与膨胀机快切阀HC4401联锁同时切断，确保透平膨胀机安全启停。

3.2 低压氮气连通方案优化

1.本着节约、便于改造施工的原则，保留原DN500(液化站至二万14 500 m3/h氮压机)管线。新增一路DN600低压氮气管线，短路连接至三万五低压氮并入二液化DN600管路。并增设DN600蝶阀、孔板流量计，部分管道支架利旧。考虑到低压氮气流动阻力损失，管道尽量平直少弯头，碰管方式采用变径、T型三通方式(如图2所示)。

2.出二液化冷箱低压氮气进连通管网(并设有进口放散)，经循环氮压机升压后既可并入中压氮气管网对外输送，又可直接送入液化系统，成为原料气循环再使用。低压氮气闭路循环系统，既可降低产品氮气的放散损失，又可平衡中压氮气管网需求。

3.原二液化原料气来自于中压氮气管网，受管网压力波动牵制，液化站膨胀机最佳工况难以保持。故保留现有三万五空分中压管道，并增设蝶阀V14。在管网压力较高时，关闭V14阀，厂区内中压氮气可形成闭路循环。

图2 低压氮气管道连通示意图

3.3 冷水机组安装

冷冻机制冷无级连续调节范围在15%～100%，从原水冷塔水路系统并联接入。考虑到新增冷水机组及其相应配管后，系统管路特性将发生变化，管路的沿程阻力损失增加。为此更换2台节能型循环冷冻水泵，提升扬程及流量。部分管路、阀门进行优化配置。

4 氮气循环压缩利用组产模式(图3)

4.1 以14 500 m3/h氮压机作“循环压缩”

打开二万空分中压氮气并网阀V1、V2，关闭V3、V7、V8、V106。打开二液化进口阀V4、出口阀V6、二万氮压机进口阀V104、放空阀V105。启动二液化，低压氮气通过二万机组V105阀放空。调整二液化工况至膨胀量稳定时启动14 500 m3/h氮压机实现氮气循环使用。

4.2 以20 000 m3/h氮压机作“循环压缩”

打开管网连通阀门V3，关闭V4、V6、V12阀门。打开二液化出口手动阀V11、自动放空阀V7。启动二液化，低压氮气通过二液化V7放空，调整二液化工况至膨胀量稳定时，启动三万五20 000 m3/h 氮压机升压送管网，同时二液化放空阀V7自动关闭，二液化氮气循环使用。

4.3 厂区内中压氮气闭路循环

若中压氮气管网压力波动较大时，可关闭V1、V2、V6、V14阀门。打开V3、V11、V13，出二万空分机组20 000 m3/h氮气经三万五氮压机升压，直接送入二液化作原料气。启动二液化，低压氮气经V7阀放空，调整二液化工况至膨胀量稳定。此时，厂区内氮气形成闭路循环，液化站可实现氮氧双通道液化生产。

4.4 液化站停运，氮压机之间“互连互备”

如液化系统停运，三万五空分停机备用，关闭V3、V4、V106，打开连通阀V13。出二万冷箱20 000 m3/h低压氮气送至三万五氮压机升压并网。

图3 液化站氮气循环压缩系统图

5 结论

通过连通改造，三万五、二万两套制氧机和液化站，产品氮气产能被充分释放。整个制氧厂区内低压、中压氮气管线互连互通，既能确保中压氮透平膨胀机稳定安全运行，氮压机之间互备更可靠，又能使制氧厂生产组织更灵活，氧气放散率明显下降。液化站已具备长周期可靠运行的条件，通过实际运行测算，液氧、液氮平均产量已分别提升至3.74 m3/h与3.22 m3/h，改造投入短期内可全部回收。

位天时(1986)，空分助理工程师，2010年毕业于北京科技大学热能系低温工艺与装置专业，现马钢气体销售分公司从事空分工艺技术、设备可靠性、安全标准化管理等工作。电子邮箱：2079464655@qq.com。

Practice of Tapping The Potential Utilization ofNitrogen in Oxygen Plant

WEI Tianshi，JIANG Weibing，LIU Jianghuai，HUANG Chuntao

(Gas Sales Division, Maanshan Iron & Steel Co.,Ltd., Maanshan 243000,China)

This paper introduces the design of nitrogen circulation compression process and the reform practice in the ASU plant. According to the dynamic change of the pipe network, flexible production mode. Fully explore the existing equipment to protect the potential, reduce the oxygen release rate, enhance the operation of the network economy. Increase the export capacity of liquid, while improving equipment reliability.

oxygen nitrogen liquefaction plant；cyclic nitrogen compression；nitrogen utilization；nitrogen compressor interconnection

2017-04-05

TQ116.1

B

1007-7804(2017)03-0022-05

10.3969/j.issn.1007-7804.2017.03.007