国内空分系统设备发展现状*

聂辅亮 张宏伟

(浙江浙能技术研究院有限公司)

国内空分系统设备发展现状*

聂辅亮 张宏伟

(浙江浙能技术研究院有限公司)

以某煤制气项目配套内压缩空分系统为例，简要介绍空分系统的制氧流程和设备运行状况，详细阐述了国内空分系统中板翅式换热器、分子筛吸附器、精馏塔、离心压缩机、透平膨胀机及低温液体泵等主要设备的发展历程，最后对国内空分装置动静设备常见选用概况进行了总结。

空分系统 制氧流程 动静设备 发展现状

氧气是一种无色、无味，比空气略重的气体，它广泛应用于人们的日常生活和各行业部门中。氧气的制取主要有化学法、电解法和空气分离法3种。低温空气分离法是指将空气冷却至120K以下的低温状态再通过精馏获取高纯度氧氮产品，由于低温空气分离法具有产量大、纯度高及能耗低等其他制氧方法所不具备的优点，因此广泛应用于煤化工、冶炼钢铁及IGCC等高耗氧量行业。经百余年的发展，低温空气分离法经历了6次巨大的变革，制氧机的容量由最初的10m3/h发展到如今的150 000m3/h，其能耗也由最初的3.00kW·h/Nm3O2降至0.37kW·h/Nm3O2。同时近年来煤化工行业的迅速发展也促进了空分行业向着全自动化、低压、节能、大型化的方向发展[1]。

空分系统设备主要包含动设备和静设备。动设备主要有离心压缩机、工业汽轮机、透平膨胀增压机及低温液体泵等；静设备主要有各类管壳式换热器、板翅式换热器、分子筛、精馏塔、粗氩塔、冷却塔、管道及储气罐等。空分设备之间环环相扣，其稳定可靠运行是全厂正常生产的前提，因而了解各设备的性能与运行特点至关重要。以某个煤制天然气项目配套内压缩空分系统的试运行阶段情况为例，就出现过空压机振动偏大、高速齿轮箱高速轴部件磨损、透平膨胀增压机喘振、油温偏高致使跳车及工业汽轮机轴温偏高联锁停车等动设备故障和过空压机内置换热器左右两侧换热不均匀、粗氩塔氮塞、法兰和阀门泄漏、分子筛冷吹时未出现“冷吹峰值”及油冷却器油侧压力高致使换热器破坏等静设备故障进行介绍。此外有文献报道在运行比较稳定的预冷系统中水冷却塔、空冷塔等设备也出现过比较严重的运行故障[2，3]。

1 空分系统制氧流程简介

图1为某煤化工项目配套内压缩空分设备的PFD图。空气首先经过自洁式空气过滤器，吸附机械杂质后进入离心式空气压缩机进行压缩，压缩后的空气经过空冷塔进行冷却后进入分子筛吸附空气中的CO2和水分，分子筛在低温高压状态吸附，在低压高温状态下脱附再生。脱除水分和CO2后的空气分为3股：第1股作装置空气；第2股直接经过低压换热器后进入两级精馏塔的下部作精馏所需的上升气；第3股气体去离心式增压机，在增压机二段入口处抽出一部分作仪表空气，其余空气进入第2段压缩，在增压机三段入口处再抽出一部分空气去透平膨胀机的增压端，增压后被水冷却至进入增压端前的温度，然后再进入高压换热器冷却，冷却后的空气去透平膨胀机的膨胀端，膨胀后空气的温度进一步下降，成为气液混合状态，再进气液分离器，气态部分进入两级精馏塔的下部作精馏所需的上升气，液态部分进入粗氩塔的顶部作物料参与精馏。经增压机第2段压缩后剩余的空气进入增压机三段压缩后进高压换热器冷却，再经节流阀后，成为气液混合状态，进入两级精馏塔的下部参与精馏，这样就在下塔底部形成了富氧液空。高压换热器中返流的低温流体是来自上塔顶部的污氮气和来自下塔顶部的氮气和从上塔底部抽出的液氧；低压换热器中返流的低温流体是来自于上塔顶部的污氮气和来自粗氩塔的粗氩。

图1 某煤化工项目配套内压缩空分设备的PFD图

2 静设备

2.1 板翅式换热器

板翅式换热器在空分系统中有非常广泛的应用，主要有高/低压换热器、过冷器、上下塔之间的主冷凝蒸发器及粗氩塔冷凝器等，板翅式换热器中往往有多股冷热流体同时换热。板翅式换热器传热效率高，由于翅片结构特殊，流动过程中形成强烈湍流，有效降低了热阻，换热器中热端温差可达1～3℃；结构紧凑，现在板翅式换热器传热密度最高已达17 300m2/m3，一般是管壳式换热器的10倍左右；流道狭小，容易堵塞。

由于翅片在换热器中作为隔板的延伸和拓展，在一定的材料消耗下增加换热面积，获得了二次传热面，因而具有强化传热作用，根据传热学的知识，在有限体积内翅片个数越多，强化换热的效果越好，因此翅片布置间距越小，换热性能越强，所以增加板翅式换热器的传热密度是当前的主要发展趋势。

图2所示为常见板翅式换热器采用的4种不同的翅片类型，每列翅片用不同的隔板隔开，翅片类型不同，形成的流动的传热性能各异，在空分系统中往往需要根据传热要求选用传热特点[4]。当前空分向着超大型化发展，换热器流道长度也随之变大，由于板翅式换热器结构紧凑，解决了超大型化带来的换热不充分的难题。此外，国内外学者也提出了不同导流增效的新型翅片型式以优化传热，如螺旋翅片、钉型翅片及波纹翅片等，还提出了流体旋转导流增效技术和人工粗糙壁导流增效技术增加换热流体流动过程中的湍流强度以增强板翅式换热器的换热效果[5]。

图2 常见板翅式换热器采用翅片类型

早在20世纪60年代我国就开始了板翅式换热器的研究，1983年杭氧和开空均开发出中压板翅式换热器，1991年杭氧引进美国大型真空钎焊炉和铝制板翅式换热器的设计制造技术，于1994年开始大规模生产，1994年生产的7.6MPa高压板翅式换热器出口美国市场。2009年杭氧研制成功的上海赛科石化年产量119万吨的乙烯冷箱，其配套设计为8MPa高压板翅式换热器，标志着我国在高压板翅式换热器方面的设计制造能力与国际最高水平进一步缩小。据悉，四川空分集团目前已投用的板翅式换热器最大尺寸为8.0m×1.3m×1.1m，设计压力为7.7MPa。2009年12月1日国家能源局发布了《铝制板翅式热交换器》行业标准，将设计压力由原标准的6.3MPa提高到8.0MPa，表明我国已经完全实现了8MPa以下高压板翅式换热器的国产化。国内外板翅式换热器技术参数对比见表1。

表1 国内外板翅式换热器技术参数对比表

2.2 分子筛吸附器

空分系统中分子筛吸附器往往一备一用，其工作周期为8h，其中吸附4h，再生4h，在低温高压状态吸附，吸附顺序为：H2O>C2H2>CO2，在高温低压状态脱附。

图3所示为某卧式分子筛吸附器的结构简图，用于中型和中大型规模空分装置中，是目前国产空分常用的类型，2008年杭氧提出使用多孔管做气流分布器替代传统缓冲板的设想，杭氧与浙江大学合作，对卧式分子筛吸附器流场特性进行了研究，结果表明采用多孔管和多孔板结构可以降低分子筛床层气流速度分布的不均匀度，能够获得更加高效的吸附效果，使设想成为了现实[6]。图4所示为某立式径向分子筛吸附器的结构简图，对于大型和特大型规模空分装置，立式径向流分子筛吸附器能够有效增大气体流通面积，大大降低床层阻力，比卧式水平结构节能10%～20%，同时可克服了卧式水平结构占地面积大，运输困难的缺点。

图3 卧式分子筛吸附器结构简图

图4 立式径向分子筛吸附器结构简图

自2002年起，杭氧开始对立式径向流分子筛吸附器进行研究，已经在中小型空分装置中进行了试验，与卧式水平结构相比具有占地面积小、节能降耗的优点，但维修难度大，投资成本高，总体而言，优势并不明显，因此需要继续研发用于大型和特大型空分装置中的立式径向流分子筛吸附器， 2015年杭氧已经完成了105Nm3/h空分装置配套立式径向流分子筛吸附器的研制工作[7]。如果试验顺利，这又将是我国空分行业一大突破。

当前，深冷空分系统常用的分子筛是13X-APG，其化学式为Na2O·Al2O3·(2.8±0.2)SiO2·(6～7)H2O，有4种不同规格[8]。2015年杭氧还对不同规格分子筛应用于径向流吸附器中的流场进行了数值分析，分析了吸附工作中可能出现吸附饱和的临界位置[9]。

2.3 精馏塔

空气分离在精馏塔中进行，空分塔由上、下塔和介于二者之间的主冷凝蒸发器组成，上、下塔均具有一定的温度和压力梯度，因此在不同高度，气液含量和纯度不一，以杭氧制造的中型空分装置配套空分塔为例，其上塔为规整填料塔，填料由瑞士苏尔寿公司提供，下塔为筛板塔，塔板由杭氧开发。利用下塔顶部和上塔底部的2～3K的温差，使得上塔底部的液氧连续气化，下塔顶部的氮气冷凝。这样连续不断地参与精馏，使得下塔顶部气态氮纯度和上塔顶部液氧的纯度越来越高，达到产品的要求。当前国内空分塔冷凝蒸发器主要结构类型有立式单层、双层及卧式多列等，但当空分大型化时这些结构难以解决空分冷凝蒸发器换热面积不足的问题，现今中空能源设备有限公司正在开展立式三层和四层冷凝蒸发器的研发工作，该研发工作能够解决大型空分冷凝蒸发器所需换热面积大的问题，且结构紧凑，强化了塔的稳定性[10，11]。

在筛板塔方面，杭氧开发了S型、导向型、环流型、单溢流及多溢流等不同阶段的塔板，最初S型塔板应用于小型空分装置，如今另外4种溢流塔板已应用于中大型空分装置中，达到了与Mellapkplus填料下塔相当的性能[12]。在填料塔方面，规整填料塔具有压降小、分离效率高、产品提取率高、节能及塔径小等优点，填料塔的设计技术长久以来属于技术保密范畴，在与苏尔寿、法液空等公司进行多次合作后，在对合作项目设备长期运行数据进行总结和研究的基础上，杭氧也走上了自主研发的道路，现如今杭氧自主开发的填料塔已经应用在中大型空分装置配套空分塔上塔和氩塔中。在已成功应用的21 000Nm3/h空分装置中，规整填料下塔的阻力只是筛板下塔的1/3，2004年北台钢铁公司50 000Nm3/h空分装置中采用全规整填料塔，其变工况能力非常灵活，且空压机背压降低10～15kPa，降低了制氧能耗。可见，若是在大型和特大型空分塔中全部采用规整填料塔，可能会使制氧能耗进一步降低。规整填料塔的大型化和筛板塔向低压降、高通量、高效率发展是空分塔主要发展方向。

3 动设备

3.1 离心压缩机

大中型空分配套压缩机全部采用离心式，这是由于离心压缩机具有结构紧凑、运转平稳、占地面积小及连续运转周期长等优点。在空分系统中，离心压缩机的主要作用是将空气压缩至临界状态以上，使之易于通过节流或膨胀的方式液化，为参与精馏提供条件。离心压缩机最早出现在公元前60年的古希腊时代，但由于社会条件的限制，在近2000年的时间内离心压缩机没有得到实质的发展[13]。直到19世纪末期，工业应用中对高压空气需求日益增加，推动了离心压缩机的发展，而此时Euler、Bernoulli及Carnot等科学大师们已经奠定了流体机械的理论基础。20世纪初期理论研究更加深入，轴承润滑、密封技术及新型材料的应用等使得离心压缩机向着高压力、宽范围、高效率的方向发展，20世纪90年代以后，在经济全球化趋势下，国外离心压缩机制造企业发生了巨大的兼并重组，形成了以GE、SIEMENS及MITSUBISHI等通用机械具体为代表的世界格局，此时国外离心压缩机巨头企业完全停止对外输出技术。在严格技术封锁背景下，我国沈鼓、陕鼓由之前的引进吸收转变为自主研发、技术创新，具备了一定的生产制造能力，尽管国产离心机仍有效率偏低、运行不够稳定等缺点，但已经有了很大的突破。如图5所示，当前多级离心压缩机效率已经接近90%，随着技术的进步，也由于级内损失如摩擦损失、尾迹损失及二次流动等损失不可避免，离心压缩机效率正逼近其空气动力学极限的92%[14]。数十年来，我国学者们对离心压缩机的流动扩稳[15]、变工况性能调节[16]、性能分析与预测[17]、多目标参数优化[18]及失速与喘振现象[19]等方面进行了非常深入的理论研究，为我国离心压缩机设计研发方向提供了理论支持。

图5 离心压缩机效率变化趋势

我国离心压缩机生产厂家主要有沈鼓集团和陕鼓集团，一些空分设备商和风机制造企业也在研制空分配套离心压缩机，但只在小型空分中有业绩，以开空集团为例，最新研制的离心压缩机仅应用于1.5×104Nm3/h空分装置中。沈鼓集团自20世纪70年代起开始引进国外离心压缩机制造技术，如70年代末从当时还未并入GE的意大利Nuovo-Pignone公司全套引进MCL、PCL、BCL 3个系列的离心压缩机制造技术，80年代从日本HITACHI引进DH型双轴四级离心压缩机和HS系列离心式冷冻机组，90年代从德国DEMAG引进VK8-3S系列和日本川崎重工GM系列离心机技术。在石油化工领域，沈鼓自行设计制作的裂解气离心压缩机流量为12×104Nm3/h，功率为18MW；在空分行业，2004年沈鼓研制了我国第一套国产4.0×104Nm3/h空分装置配套压缩机，之后相继开发了4.8×104Nm3/h和5.2×104Nm3/h空分装置配套压缩机，填补了国内空白，2015年沈鼓自主研发我国首套105Nm3/h空分装置配套压缩机在沈鼓集团营口基地圆满完成全负荷性能试验，通过了国家能源局的验收。陕鼓集团1994年与瑞士Sulzer签订了离心压缩机合作生产协议，在Sulzer并入MAN-TURBO后续签了合作生产协议，其中叶轮、转轴、密封及轴承等核心部件由MAN-TURBO提供，内置冷却器、机壳及油箱等辅助部件由陕鼓提供。陕鼓于2002年开始致力于空分压缩机组的研究，已能提供12×104Nm3/h空分装置配套压缩机。

3.2 透平膨胀机

在开车过程中，高压空气在透平膨胀机中膨胀产生大量冷量至液化，为精馏工况的建立提供条件。在正常运行状态下，透平膨胀机可以补充换热过程中的冷量损失。此外，透平膨胀机中近似等熵膨胀，其制冷量远大于同参数下的节流制冷量。由于透平膨胀机具有获取低温冷量的优势，成为低温空气分离制氧不可或缺的核心设备，新型高效的透平膨胀机的开发决定了空分行业的发展与变革，20世纪90年代后期，随着增压透平膨胀机的开发成功，空分装置全部采用增压透平膨胀机，采用提升了膨胀前压力，提高了膨胀比，使制冷量大大提升，推动了空分装置由大型化向特大型化发展。

1930年，林德首次将单级透平膨胀机应用于空气分离，此后透平膨胀机广泛应用于空气分离、天然气液化、余热发电、余压利用及能量回收等行业之中，均取得了良好的业绩。据新闻报道，2016年5月，天加公司ORC项目中采用UTC旗下普惠公司的成熟透平技术和集成控制系统，余热发电效率远高于同类螺杆膨胀机，应用透平膨胀机使热电效率从9%提升至23%。

国外著名企业如GE、Dresser-Rand、Linde、MAN TURBO、Atlas Copco及MHI等在工艺流程匹配、先进材料应用、高端加工工艺、叶轮设计试验及转子稳定性分析等核心技术占据垄断地位，现代空分装置中透平膨胀机绝大多数选用的是国外生产的设备。

我国透平膨胀机生产厂家主要有杭氧集团、开空集团和川空集团。国内三大空分巨头通过引进吸收消化国外先进技术和与国内重点高校、科研院所合作，取得了不少成绩，对透平膨胀机的热力设计[20]、数值模拟[21]、转子动力学[22，23]及轴向推力计算[24，25]等方向进行了深入研究。杭氧集团于1992年引进NREC透平设计软件，NREC软件具有先进的性能计算程序、流动分析与叶轮造型模块，结合美国国家标准局的流体物性计算程序，使设计达到了很高的准确度，设计出的转子流道流动损失较小。同时，杭氧集团引进瑞典五轴数控铣床，确保了流道和叶片型面的加工精度。在转子-轴承系统方面，杭氧与西安交大、上海交大及浙江大学等高校合作，对主轴振动、不平衡响应等方面进行了研究，提高了膨胀机运行的稳定性。目前杭氧已经实现了30 000～60 000Nm3/h空分设备的全部国产化，2013年杭氧与西安交大合作开发了等熵效率不小于78.8%的全液体透平膨胀机组，在某40 000Nm3/h等级内压缩空分项目上实现了工业化应用[26]。川空集团于1978年起不断引进GE公司旗下Rotoflow、德国Linde等公司的设计制造技术，经过几十年的消化吸收，目前具备生产50～100 000Nm3/h空分设备增压透平膨胀机和液态膨胀机，30～480t/d气体液化装置用增压透平膨胀机，(3～1 000)×104Nm3/d、10MPa天然气液化分离装置用增压透平膨胀机的能力。开空集团在20世纪60年代开始从事透平膨胀机的研发、生产、设计和制作，通过与西安交通大学联合研究开发，并引进国外先进的透平膨胀机设计软件包和先进的加工机床，目前已经生产了上千台机组广泛应用于钢铁、石化等工业部门，目前开空集团最新生产的PLPK-1283/39×5型透平膨胀机，与天津荣程82 000Nm3/h空分配套，其流量为77 000Nm3/h，膨胀比为8，额定转速为18 200r/min，等熵效率不小于86%。

3.3 低温液体泵

低温液体泵是在空分、化工装置中用来输送低温液体(如液氮(-196℃)、液氧(-183℃)、液氩及液化天然气等)的特殊泵，空分系统中使用的低温液体泵主要是液氧泵和液氮泵，低压低温液体在低温液体泵中增压后进入汽化器成为高压常温气体供用户使用。煤化工内压缩空分系统中使用液氧泵使系统简单得多，费用也小于使用氧压机，且比直接压缩氧气要安全得多；煤化工内压缩空分系统中使用液氮泵则是出于工艺考虑，空分装置需为下游工艺提供必要的不同压力等级的氮气，即使空分跳车，氮气也不能停止供应，因而需要配置液氮储槽和液氮泵。低温液体泵由于输送介质出于极低温的状态，在材料、结构、运行上有特殊要求，因而国内外仅有极少数企业能够生产。空分系统中采用的低温泵往往采用国外进口，主要的设备生产商有法国Cryostar、Fives、瑞士Cryomec、美国Flowserve及ACD等。

2000年以前，国内多家企业和研究机构对低温液体泵的国产化进行了探索，由于“高压低温”的难题始终没有得到解决，我国在低温液体泵方面的研究往往集中在数值模拟、轴振动、泵空化、汽蚀、水力设计、流场测试，但由于科研工作存在理论与实践严重脱节的问题，国内具有自主知识产权的低温液体泵产品很少见于报道[27]。据报道，在2009年我国大连深蓝泵业有限公司研发成功多级低温液氧泵，应用于山东华鲁恒升化工股份有限公司，经过调试，机组平稳，技术性能达到了预期目标。

液氮设备制造技术门槛很高，目前国内仅有两家石油装备技术公司具备生产液氮车的能力，但液氮泵仍是使用国外产品。

4 国内空分装置动静设备选用

表2为当前国内空分装置动静设备选用概况，以前述6种动静设备为例，我国完全实现了中大型空分项目静设备的国产化，但大型和特大型空分项目中的静设备主要还是依赖于进口。在动设备方面我国落后得比较多，国内制造商还不具备生产中大型空分项目配套压缩机的能力，我国三大空分供应商对透平膨胀机技术掌握得较多，已经具备了生产大型空分项目配套透平膨胀机的能力，在低温液体泵方面几乎还是空白，尽管具备了生产部分动设备的能力，但由于国产设备性能、运行稳定性等方面的不足，国内空分装置中动设备还是以进口为主。

表2 国内空分装置动静设备常见选用概况

5 结束语

我国目前已经具备了大型和特大型空分项目的设计、制造能力，尽管核心动设备的前沿研究已经非常成熟，但国内相关透平机械厂家技术能力相对薄弱，先进的研究成果往往不能够产业化，绝大多数空分动设备依赖进口，近年来我国在空分静设备方面却取得了很大的突破，在静设备的研发设计的很多方面已经能够推陈出新，突破国外垄断。在国家政策推进制造业核心设备国产化的要求下，透平机械作为高端制造业的代表，应当得到国家大力培育，同时国内动设备厂家也应该提高自身研发能力，在深化与科研院所和国外先进企业合作的同时加强前沿研究成果在产业化的应用，鼓励自主创新，努力突破行业壁垒，当前空分行业的快速发展也正是核心设备国产化的重要契机。

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DevelopmentStatusofRotatingMachineryandStaticEquipmentsinDomesticCryogenicAirSeparationSystem

NIE Fu-liang,ZHANG Hong-wei

(ZhejiangEnergyGroupR&DInstituteCo.,Ltd.)

Taking the inner compression process’s air separation system prepared for a coal gas project as an example,the process of oxygen generation and the operation of rotating and static equipments were introduced briefly,of which,the development of molecular sieve absorber,plate-fin heat exchanger,distillation column and centrifugal compressor,turbo-expander and cryogenic liquid pump were illuminated in detail.Finally,both general selection and use of rotating machinery and static equipments at home in air separation system was summarized.

air separation system,process of oxygen generation,rotating machinery and static equipment,development status

聂辅亮(1991-)，男，助理工程师，从事煤化工项目中空分系统的技术研究工作，865517825@qq.com。

TQ051.8

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0254-6094(2017)04-0367-08

2016-08-31，

2016-12-29)