空分装置运行性能测评的研讨

（马钢比欧西气体有限责任公司，安徽马鞍山 243000）

引言

空分装置是能耗大户，随着各专业气体公司的发展与国内市场经济的完善，空分市场逐步形成以运行效率支撑行业利润的局面，比如在产品销售价格不变的情况下，装置设计效率一定，日常运行效率高，则产品成本降低，利润增加；反之，利润下降。所以，对空分装置的运行性能评估显得尤为重要。

1 工艺流程

某公司生产工艺为深度冷冻法生产氧气、氮气和氩气。工艺流程见图1，主要由以下几部分组成：

(1)空气压缩，预冷及净化；

(2)空气增压压缩及冷冻；

(3)空气分离；

(4)氩气精馏和提取；

(5)液体产品储存及备用系统。

空气首先经进入前置过滤器除尘紧接着进入空压机加压、然后由预冷系统及纯化系统进行预冷和净化处理，净化后的气体一路直接进入精馏塔精馏,一路进入增压机压缩后去膨胀机进行膨胀制冷、膨胀后空气进入精馏塔进行精馏，经过精馏塔的精馏最后得到氧氮氩产品并入管网和送入储罐。

2 工艺运行性能计算及评估

2.1 精馏塔的物料平衡和能量平衡

2.1.1 物料平衡

空分中的物料平衡指氧、氮、氩的介质平衡。通过物料平衡计算，我们可以对产品或原料气实际产量或实际用量及收集到的损耗之和与理论产量或理论用量之间比较，可以很清楚知道流量计的偏差和物料损失，对比以往数据，检查是否存在泄漏损失，杜绝由于物料不平衡造成的部分原料气或产品的损失。

下面对全塔的物料平衡进行叙述：

进塔空气量与氧气量

物料平衡式：

图1 现场空分流程示意图

组分平衡式（以物料中氧组分计）

在精馏塔的物料平衡中，必须着重指出的是氧的提取率。氧提取率表示氧产品中的含氧量占加工空气中氧含量的比例，通常以ρ表示。

式中：V氧—氧气产量；

V空—加工空气量；

y0氧、y0空—分别为氧气、空气的含氧量。

提取率是空气分离装置完善度的标志之一。提取率越高，就意味着氧损失越少，也就是氮气带走的氧越少。所以在操作制氧机时，应在保证氧纯度的前提下，力争提高氮纯度，以使氮气带走的氧量减少，从而提高氧产量。

表1 物料平衡表

图2 物料平衡图

由表1可知：

（1）根据物料平衡修正因子可以判定：空气流量计偏大约2.8%，氮气流量计偏小约4.8%，氩产品流量计偏小约1.2%但在控制范围内。

（2）与设计数据相比较，氧产品与氩产品提取率均在设计值之上，说明装置精馏效率较设计值好（注：提取率=产品生产量×空气中产品组分含量×100%）。

措施：空气流量显示应根据物料平衡修正系数用程序进行修正，以便正确指导正常生产中的效率计算，由于氮气流量计有2块表，且日常效率计算影响不大，所以不做变更。

2.1.2 能量平衡

空分中的能量平衡是指整个制冷、分离过程的能量平衡。它是由压缩、膨胀、热交换、精馏等一系列过程组成的。由于空分装置处于低温状态，外部必然有热量不断传入，以及主换热器的热端温差等带来的冷量损失。通过能量平衡计算，我们检查产品的潜在损失和冷量损失，通过对比以往数据可以检查发现冷损是否有扩大趋势等。

能量平衡即进入塔内的热量（包括冷损）总和应等于出塔产品的热量之和。对于塔的某一部分来说，就是进去的热量总和等于出来的热量的总和。

全塔的热量平衡，其热平衡式为：

VAirhAir+Q5=VGOhGO+VGNhGN+VGWNhGWN+VGARhGAR+VLOhLO+VLNhLN+VLARhLAR

式中：hAir、hGO、hGN、hGWN、hGAR、hLO、hLN、hLAR分别为入塔空气焓，出塔产品焓;这些焓值根据压力、温度(或饱和压力)及物料组分等因子在excel 表中用GCT 宏可以计算出来。

Q5—总跑冷损失,单位：×4.18kJ∕h,不包含液体带走冷量，Q5=。

表2 能量平衡表

由表2能量平衡计算结果可以得出：

进冷箱总热量：127.4×106kJ∕h；出冷箱总热量为：126.6×106kJ ∕h；冷箱总跑冷损失为：0.8×106kJ∕h；装置跑冷损失率为：0.68%（小于设计损失率1%），所以此空分装置冷箱跑冷在可控范围内。

2.2 压缩机的运行性能评估

压缩机是空分装置的心脏，也是空分的主要耗能单元，因此，在空分运行性能评估中压缩机的运行性能评估尤为重要。

2.2.1 压缩机比功率评估

压缩机比功率是压缩机的能量功耗与压缩的气体量之比。即压缩机压缩单位容积流量气体所消耗的功率。这是评判压缩机是否节能的一个很重要的指标参数。它通过计算和设计值相比较来调节进出口压力比。

表3 空压机比能计算表

由表3可知，空压机的实际功率比设计功率低，所以进出口压力比为正常。

2.2.2 空压机出口压力评估

过高出口压力就会增加压缩机的功耗。因此此方面的检查尤为重要。

检查项目：

空压机的出口压力0.415 MPa 和设计值0.464 MPa相比较。如果发现出口压力较高，应从以下方面进行检查：

（1）检查上塔压力控制设定值；

（2）检查空压机到下塔的压降是否异常。

根据比对出口实际运行压力和设计可以看出：ASU1,ASU2 空压机出口压力实际值远小于设计值，所以压缩机出口压力控制在正常范围。

2.2.3 压缩机冷却器效率评估

压缩机级间冷却器在离心压缩机中非常重要，也是离心式压缩机能耗高低的重要影响因素，平均冷却水温度没降低3℃，意味着功率降低1%。因此压缩机冷却器的冷却效率是空分装置效率评估的关键点，要求有足够的冷却效果和较低的气体阻力。

评估内容：

测量冷却器趋近温度△T 和设计值进行对比,△T 是冷却器出口工艺气和入口冷却水的温差。如果△T 太高，级间空气温度将升高，压缩机功率将增大。这可能是以下原因造成的：

(1)水或气测的污染，堵塞；

(2)水流量不足-尽可能的增加水流量；

(3)冷却器的气体侧走短路；

(4)冷却器壳侧水短路。

表4 空压机冷却器实测值和设计值

由表4 可看出：空压机趋近温度运行在较低的水平，进回水温差较设计值低，考虑到环境温度与设备运行负荷较小等因素，可以认定空压机级间冷却器运行在高效率水平，不存在缺陷。

2.2.4 空压机效率评估

通过对压缩机的等温压缩效率分析和比较，发掘潜能降低能耗。判断压缩机的操作点是否接近设计值，并调试压缩机运行曲线修正效率差异。造成压缩机效率减少的原因是：（1）操作超过了设计范围；（2）气体损失(疏水器、密封、法兰等泄漏)；（3）防喘阀泄漏；（4）排气阀∕安全阀泄漏；（5）错误的测量。

空压机的等温效率73.7%较设计值74.2%略有偏小，考虑出口压力控制较设计值低，经查证空压机性能曲线图，此压缩机等温效率处于正常范围。

2.3 膨胀机的性能评估

膨胀机的工艺效率评估分为两大类，通过对气体膨胀机增压侧、膨胀侧等熵效率和液膨膨胀侧效率的计算，回顾是否在最佳运行点。另对气膨及液膨的损失功的计算，跟踪膨胀机传动损失、恶化增大的趋势，及时建立大修计划。

根据膨胀机等熵膨胀原理，通过膨胀机入口压力、温度及空气组分由林德物性计算器GTC 可计算出入口空气的熵值和焓值；同时根据出口压力及温度，可查出膨胀机出口的实际熵值和焓值；根据等熵原理，查出出口理论焓值并计算出等熵效率。等熵膨胀效率低，表示膨胀机效率低，可能的原因有：存在泄漏，冷量损失增大，或存在机械问题等。

由膨胀机输出功和膨胀增压段输入功率或发电机功率比较，得出中间的功率损失量；损失功率大，则表示润滑不足、发电机效率下降等。

以气体膨胀机为例，膨胀机实际运行性能计算结果见图3。

从图3 可以看出，膨胀机膨胀端和增压端的效率均在设计值内，能量损失略有偏大，后期需检查检查膨胀端及增压端回流阀是否有内漏，通过油品分析和状态监测等进一步分析膨胀机的运行状况，必要时进行拆检保养。

2.4 其他设备的评估

2.4.1 空冷塔及氮水预冷塔运行性能评估

主要包含空冷塔除雾器性能评估；水冷塔趋近温度及内部压降评估等

2.4.2 冷箱运行性能评估

冷箱是一组高效、绝热保冷的低温换热和精馏设备。是深冷分离过程的重要组成部分，它由结构紧凑的高效板式换热器和精馏塔所组成。因为低温极易散冷，要求极其严密的绝热保冷，故用绝热材料把换热器和精馏塔均包装在一个箱形物内，称之为冷箱。

空分冷箱的效率评估主要从以下5方面着手：

图3 膨胀机实际运行性能图

（1）冷箱保冷效果，检查冷箱或者连接管道上是否有大的冰斑，检查冷箱密封气压力、流量和报警情况。

（2）主换热器压降分析。换热器通道中的压降应该和设计值相比较，通道中太高的压降会增加设备的功率消耗。当对压降偏大时，应通过流量适当的进行调整。调整前，应使用一个精密的压力变送器对压降进行检查。

（3）主换热器热端温度分析。主换热器每个通道的热端温差都应该和设计值进行比较。热端温差过高就表明有冷损，就会增加设备的功率消耗。

（4）主换热器冷端温度分析。主换热器的冷端温度应该和设计值相比较。流道内的冷端温度温度过高是没有意义的。它会增加设备的功率消耗。空气温度过低可能导致氩产品的量过低。

（5）主冷凝器碳氢化合物分析与监督。

2.4.3 压差评估。

主要分析空气-氮气循环中没有过多的压降。评估各塔器、换热设备及各介质通道是否存在堵塞及运行工况偏离等状况。

2.4.4 分子筛的评估

主要包括分子筛压差；二氧化碳穿透及分子筛冷却峰值等方面的评估分析。

3 结论

通过对某公司40000 m3∕m 装置的综合运行性能评估可知，装置总体运行性能处于较高性能状态，但部分设备运行偏离设计工况，如：在对装置物料平衡和能量平衡测算评估中发现部分流量计偏差较大。为了更好地跟踪和计算装置运行状态，需修正或校准流量计；发现气体膨胀机功率损失偏大，考虑运行时间较长了需提出检修保养计划。在对压缩机的过滤器、导流叶片、冷却器、比功率、防喘振控制等一系列参数和运行状态进行评估和分析后，发现部分增压机、氮压机的换热器趋近温度偏离正常状态，发现增压机和氮压机均存在一、二段压力比偏离设计值，影响压缩机效率；研究还发现氮压机的喘振阀动作频繁，影响效率，需要优化调整。