40000 m3/h空分设备变负荷操作及过程优化

习建刚，赵信义

40000 m3/h空分设备变负荷操作及过程优化

习建刚，赵信义

（包钢钢联股份有限公司氧气厂，内蒙古包头014010）

主要探讨了冶金用制氧机组如何适应炼钢炼铁需求量的不断变化，减少氧气放散。通过对40000 m3/h制氧机组进行变负荷操作以及对操作过程的优化，实现了节能降耗、减少氧气放散的目的。

V3阀；变负荷；空压机；放散率

1 引言

KONDAr-40000/80000/1513型空分设备为杭氧第一套氧气、氮气产品比为1∶2的大型外压缩流程空分设备。其产品气体主要供给炼钢、炼铁使用，然而炼钢、炼铁对气体的使用量具有周期性，势必要求供气量具有周期性。对于制氧机组来说，开停车非常耗费电能和时间，如果保持制氧机组的稳定运行，在公司用气量较少时，会有大量氧气、氮气放散掉，这样氧气放散率比较高，造成极大的能源浪费。为了解决这个矛盾问题，决定对9#制氧机组试行变负荷操作，然而既没有相关操作规程又没有实际经验，只能摸索试验。在初级阶段变负荷幅度比较小，不能满足调节公司用气量不平衡的要求。其工艺流程如图1。

2 工艺流程概述

2.1 氧气和氮气的生产(参照工艺流程图1)

空气经净化后，然后分两路，大部分空气在主换热器中与返流气体(纯氧、纯氮、污氮等)换热达到接近空气液化温度约-173℃进入下塔。～26830 m3/h的空气经透平膨胀机的增压机提高压力后也进入主换热器内，被返流冷气体冷却到170 K(-103℃)时抽出进入膨胀机膨胀制冷，最后送入上塔或旁通一部分(视装置运行情况而定)。

在下塔中,空气被初步分离成氮和富氧液体空气，顶部气氮在主冷凝器中液化，同时主冷的低压侧液氧被气化。部分液氮作为下塔回流液，另一部分液氮从下塔顶部引出，经过冷器被纯气氮和污气氮过冷并节流后送入辅塔顶部作回流液。液空在过冷器中过冷后经节流送入上塔中部作为回流液。

纯气氧从主冷的上部引出，并在主换热器复热后出冷箱。污氮气从上塔上部引出，并在过冷器及主换热器中复热后送往分馏塔外，部分作为分子筛纯化器的再生气体，其余部分去水冷塔。约80000 m3/h纯氮气从上塔顶部引出，在过冷器及主换热器中复热后出冷箱。

2.2 氩气的生产（参照工艺流程简图1）

精液氩是采用低温全精馏法制取的。

从上塔相应部位抽出氩馏份气体约48420 m3/h，含氩量为7%～11%（体积百分数），含氮量约0.017%（体积百分数）。氩馏份直接从粗氩塔Ⅰ的底部导入，粗氩塔Ⅰ上部采用粗氩塔Ⅱ底部排出的粗液氩作回流液，作为回流液的粗液氩经液氩泵加压后直接进入粗氩塔Ⅰ上部。粗氩自粗氩塔Ⅰ顶部排出，经粗氩塔Ⅱ底部导入。粗氩冷凝器采用过冷后的液空作冷源，上升气体在粗氩冷凝器中液化，其中一部分为1513 m3/h的粗氩气（其组成为99.6%Ar，≤2×10-6O2）经粗氩气流量调节阀导入粗氩液化器进行液化，然后进入纯氩塔中，继续精馏；其余作为回流液入粗氩塔Ⅱ。冷凝器蒸发后的液空蒸汽和少量液空同时返回上塔。

粗液氩从纯氩塔中部进入，与此同时在纯氩塔蒸发器氮侧内利用下塔顶部来的压力氮气作为热源，促使纯氩塔底部的液氩蒸发成上升蒸汽，而氮气被冷凝成液氮经节流后进入V3阀后，然后返回上塔。来自液氮过冷器并经节流的液氮进入纯氩冷凝器作为冷源，使纯氩塔顶部产生回流液，以保证塔内的精馏，使氩氮分离，从而在纯氩塔底部得到纯液氩。纯液氩可以直接以液态的形式注入用户储槽，也可以在冷箱内经中压液氩泵加压到3.0 MPa(G)汽化回收冷量后送用户管网。

3 变负荷操作的背景

由于公司用气量的不平衡，造成管网压力波动较大，为了维持一定的管网压力，迫使我厂放散掉部分气体或者开停小的制氧机组，从而造成我厂的气体放散率较高，有效制氧单耗较高；小制氧机组频繁开停车，总的能耗较高，使我厂的生产成本难以降低。

目前我厂院内共有9台制氧机组，其中1#～7#为制氧机组产量相对于8#、9#制氧机组较小，变负荷操作的潜力较小；而8#制氧机组、9#制氧机组为40000 m3/h制氧机，自动化程度相对比较高，变负荷操作潜力较大。然而对于40000 m3/h的制氧机组变负荷操作没有经验参考，只能不断探索总结，进行变负荷技术创新。

4 变负荷操作及理论依据

4.1 变负荷操作

空分设备的变负荷操作,主要指加工空气量的变化，包括加负荷操作和减负荷操作两个主要方面。在具体实施过程中，都应该缓慢进行，稳中求变。调整过程中为保持系统工况的相对稳定，负荷的调整是通过若干次加、减量来完成的。一般每次加减量控制在设备加工空气量的0.5%～1%范围内，以主塔物料纯度不发生较大波动为原则。另外,还应注意加量的时间间隔，保证主要分析指标不产生较大波动。

为确保产品纯度不产生较大波动，加量时一般采取从空压机到制氩系统由前向后的顺序，减量时则相反。在调整过程中，可以充分利用DCS系统提供的产品纯度分析趋势记录。由于纯度检测本身滞后比较严重，操作员可以根据变化的趋势，对操作幅度做相应的调整。理想的加、减量操作，各流量趋势图应是一条平滑的上升和下降的直线[1]。

4.2 变负荷操作理论依据

（1）该制氧机组设计工况氧气产量可以降低至35000 m3/h。

（2）空压机入口导叶自动控制，可以根据塔内进气量的多少自动开关导叶。

（3）根据物料平衡，进塔空气量的减少可以减少产品气体量，降低设备负荷。

（4）增负荷操作和正常开车加负荷操作一样，容易实现，可以在公司用氧高的情况下及时增产。

5 正常变负荷操作过程（操作步骤以减负荷为例）

5.1 减空压机负荷操作方法

（1）首先改变空压机设定压力，0.001 MPa的往低设，要缓慢进行操作，以免因减产过快而造成空压机喘振。

（2）在减少空压机压力的同时，相应减少氧、氮产量。

（3）空压机可由0.466 MPa，设定到0.459 MPa，空气量由208000 m3/h减少到200000 m3/h，氧气产量由42000 m3/h减到39000 m3/h，氮气产量由82000 m3/h减到78000m3/h，粗氩量也要相应的减少，由1300 m3/h减到1000 m3/h左右。

（4）关小V3阀（每次关小0.5°，67.8%～60%），与氧气产量减少做到同步。

（5）空压机压力定值从0.466 MPa减到0.464 MPa约30 min。

5.2 理论分析

（1）降低空压机出口压力，使空压机入口导叶关小，气体输出量减少，空压机电流下降，节约能耗。

（2）由于空气量的减少，氧氮产量随之减少，氧气放散率降低，节能降耗。

（3）在氧产量减少的同时，控制氮气产量尽可能减少，以使空压机导叶尽可能关小，电流更低，能耗更小。

（4）由于降低空压机的出口压力，减少了空压机的空气输出量，进而使进入下塔的空气量减少。根据物料平衡，进塔空气量减少，所产生的氧气、氮气产量也会随之减少。在下塔顶部的冷凝氮气量随之减少，在V3阀开度不变的情况下，液氮的纯度下降，随之也影响到气氮纯度。因此，需要调节阀V3开度，减少液氮的提取量。

通过几次变负荷操作，产生表1记录。

6 变负荷操作过程优化

由记录表1可以看出，虽然实现了变负荷操作，但是效果不是很明显。制订了以下优化方案，以减负荷操作方案为例。

6.1 减空压机负荷优化方案

（1）首先保持空压机出口压力设定值不变，减少氧气产量（42000～35000 m3/h），减少氮气产量（82 000～70000 m3/h），大约需要1 h。

（2）关小V3阀，减小幅度不能太大，每次最多0.5%（67.8%～60%），大约需要1 h，并注意液空及液氮纯度的变化。

（3）增加单台膨胀机膨胀量至最大，超过27500 m3/h需要旁通一部分膨胀空气量（此过程大约10 min），并根据主冷液位及时开关V7阀（开一台膨胀机）。

（4）减少粗氩量，逐渐降低粗氩冷凝器液空液位（317～266 mm，根据液空纯度的高低来降低粗氩冷凝器热负荷）。

（5）稳定氩馏分，稳定氩产量（1000～1100 m3/h）。

（6）氧气产量减少时应注意氩馏分含氩量，维持在5%～7%为宜；氧气产量减少时要适当提高上塔压力由正常的38 kPa提高到40 kPa，并保持稳定。

6.2 理论分析

（1）减少氧气氮气产量，会提升上下塔压力，促使空压机入口导叶关小，空压机空气输出量减少（空气量由208000 m3/h减少到195000 m3/h），空压机电流下降（可降低50 A），节约能耗；氧氮产量减少，氧气放散率降低，节能降耗。

（2）空压机的空气输出量减少，进而使进入下塔的空气量减少。根据物料平衡，进塔空气量减少，所产生的氧气、氮气产量也会随之减少。在下塔顶部的冷凝氮气量随之减少，在V3阀开度不变的情况下，液氮的纯度下降，随之也影响到气氮纯度。因此，需要调节阀V3开度，减少液氮的提取量。

（3）膨胀空气量的增大可以充分利用上塔的精馏潜力，又可以为空分提供足够的冷量。但是，上塔精馏潜力是有限的，当膨胀空气进上塔量超过27500 m3/h时，会导致上塔工况变坏，氧的提取率降低，氩馏分含氧含氮增多，一提高氩馏分氩系统容易产生氮塞。

（4）由于整体入塔空气量的减少，根据物料平衡势必减少氩产量。减少氩产量的有效措施之一是降低粗氩冷凝器热负荷。由于V3阀开度的关小，下塔压力的不变，下塔回流比会稍微变大，下塔液空纯度会降低，进而增大了粗氩冷凝器换热温差，增大了粗氩冷凝器热负荷。因此，要通过降低粗氩冷凝器液空液位的方式，减小粗氩冷凝器换热面积，即降低了粗氩冷凝器热负荷，减少粗氩量。

（5）由于上塔压力的提高，上塔精馏潜力的充分利用，上塔富氩区域的变化，氩馏分会降低，氩产量需要降低。

优化方案后并对记录表进行了改进，几次变负荷产生的记录见表2。

7 效果总结

（1）对比2013年1～6月份和2013年9～10月份氧气放散率由4.52%下降到4.34%。

（2）通过对变负荷操作过程的优化，统计了10月10日～10月31日的历次减负荷操作空压机电流降低平均值为50 A。

（3）在满足公司需求的情况下，近半年来共进行减负荷操作200余次，累计减负荷运行约1600 h，每小时节约电流50 A，空压机电压10 kV，由此可以计算标准化以来空压机共节约电能1600×50× 10×1.732×0.98=133.28万kW·h，共节约电费133.28×0.44=58.64万元（注：1.732为线电压/相电压，0.44为电价，0.98为功率因数，单位：元）。

[1]尹超，涂后沅.变负荷操作对空分装置制氩系统工况的影响[J].河南化工，2008，25（10）：43.

5 改造效果

1#机主油泵在运行一个月以后，对另一台机的油系统进行了改造。到目前为止，2台空压机的油系统已安全运行1年，运行参数非常稳定，这标志着SVK20-3S型离心式压缩机油系统改造获得成功。这对空压机的长周期运行将起到关键性的作用。

6 结论

SVK20-3S型离心式压缩机主油泵频繁发生故障的主要原因是原主油泵的传动齿轮啮合不好，而采用2台电动油泵作为主、辅油泵配合高位油箱向压缩机供油后，保证了压缩机油系统的安全稳定运行，从而确保了压缩机的正常生产。

收稿日期：2014－09－25

作者简介：魏鹏（1980－），男，大学本科学历，工程师，现从事设备管理工作。

Duty-varying Operation and Process Optimization of 40000 m3/h Air Separator

XI Jiangang，ZHAO Xinyi
(The Oxygen Plant of Baotou Steel Union Co.,Ltd.,Baotou,Inner Mongolia 014010,China)

This article mainly discusses on metallurgical oxygen generating units adapting to the changing oxygen consumption of steelmaking and ironmaking and reducing oxygen release loss.Through duty-varying operation of the 40000 m3/h oxygen generating unit and optimization of operating process,the purpose of energy saving and reduction of oxygen loss has been achieved.

V3 valve;duty-varying;air compressor;loss rate

TB657.7

B

1006-6764(2015)01-0013-04

2014－10－27

习建刚（1971－），男，研究生学历，制氧工程师，现从事氧气生产和设备管理工作。