69 000 Nm3·h-1空分装置变负荷对系统的影响

朱玉芹

69 000 Nm3·h-1空分装置变负荷对系统的影响

朱玉芹

（河南能源集团鹤壁煤化工有限公司，河南 鹤壁 458000）

鹤壁煤化工空分装置利用动力厂提供的8.8 MPa的高压蒸汽驱动汽轮机空气压缩机压缩环境空气，带压的工艺气经预冷、纯化系统及膨胀机制冷后进入精馏塔，采用低温精馏的方法分离出氧、氮、氩，并为后系统提供合格的高压氧气、高中压氮气、仪表气，并生产副产品液氧、液氮、液氩。阐述了69 000 Nm3·h-1内压缩空分装置在实际运行中的变负荷原则、操作顺序及操作速度，最后结合空分原理分析了变负荷时对主塔及氩系统的影响。

空分；内压缩；氩系统；变负荷

近年来，随着国内经济的高速发展，为冶金、石化、化工等工业领域配套的大型空分得到迅速的发展和广泛使用[1-3]。鹤壁煤电股份有限公司60万t甲醇项目空分装置具有69 000 Nm3·h-1的制氧能力，该装置采用法国液空公司的空气分离技术，采用内压缩流程和全精馏无氢制氩工艺，该套装置具有变负荷能力，具体流程见图1。根据市场价格的变化，可以对液氧、液氮的生产负荷和比例进行调节，以更灵活的适应市场对不同液体产品的需求。对带氩的空分设备来说，变负荷是比较复杂的工况调节，会引起氩系统工况波动，容易发生氮塞，严重时会引起氩系统停车，进而造成氧气产品纯度、压力波动。

F01—过滤器；ST—汽轮机；C01—空压机；C05—增压机；E07—空冷塔；E60—水冷塔；X60—冷冻机；P60—冷却水泵；R01/02—分子筛纯化器；E08—蒸汽再生加热器；E09—特殊再生加热器；ET01—膨胀机；E01—主换热器；E03—过冷器；K01—下塔；K02—上塔；E02—主冷；K10—粗氩塔；E10—粗氩塔冷凝器；K11—精氩塔；E15—精氩塔蒸发器；E16—精氩塔冷凝器；P03—液氧泵；P05—液氮泵；P10—粗氩泵；V30—液氩储槽；V40—液氧储槽；V50—液氮储槽；V51—液氮储槽；P30—液氩槽车泵；P40—液氧槽车泵；P50—液氮槽车泵；P51—事故氮泵；P33—氩充瓶泵；P43—氧充瓶泵；P53—氮充瓶泵；E51—水浴蒸发器；E52—气化器；E57—气化器。

1 变负荷操作基本原则

空分装置的变负荷操作，包括加负荷操作和减负荷操作两个主要方面，均涉及空气量的变化。在具体操作过程中，负荷的加减应该缓慢进行，避免因加减负荷强度过大使工况产生波动，造成产品质量和供气压力受影响。

空分装置生产负荷无论是加负荷或减负荷的调整要都分步次逐渐加、减来完成，目的是保证调整过程中保持系统工况的相对稳定。具体操作过程需要根据装置的需求来确定每次负荷加减量的多少。加减负荷时首先要保证主塔物料含量不发生较大的变化为原则，一般空分负荷调整量控制在设备处理空气量的0.5％～1％[4]范围内。负荷调整的时间间隔必须保证在下一次调整前，空分设备从空压机、增压机、膨胀机、精馏塔、氩系统到气液态产品已充分消化了上一次的调整量，所调整参数已经达到预定要求，高、低压氮气，氧气和液氧及氩气、液氩等主要分析指标均在正常范围内且不产生较大波动才能进行加减负荷的操作。

为确保各种气体及液体产品指标不产生较大波动，增加负荷时一般采取从空压机到氩系统顺序进行，每次加空压机导叶0.5％，空气量增加750 Nm3·h-1,根据需求，可以缓慢多次增加空压机导叶开度来提高系统负荷；降低负荷时一般采取从氩系统到空压机的顺序进行。先通过降低氩系统负荷、到精馏系统，调整膨胀机的膨胀量到降低空压机的空气量来降低装置负荷；在调整过程中，要将DCS系统趋势平滑的上升或下降的直线为参考依据，保证各相关参数变化平稳，避免引起系统较大波动。

2 变负荷的操作顺序及调整速度

在负荷调整操作过程中一定要把握好系统处理空气量和所生产气体产量之间的相对应的变化及变化速度，增加负荷时要先增加系统处理空气量，稍后再增加氧气量、氮气量，最后增加氩塔负荷，反之，在减负荷时要先降低氩塔负荷、再减少氧气量及氮气量、最后减空气量，需要注意的是在减负荷时要多减少氧气量，使主冷氧纯度高一些，这样有利于控制氩馏分不至于太低，可以有效防止粗氩塔氮塞。而且空分装置变负荷操作前必须在装置负荷到70％以上，且所有的产品送出，纯度到达要求后才能进行；空分装置变负荷操作是从一个平衡到另一平衡的动态操作过程，在此过程中要建立物料平衡、冷量平衡、精馏塔气液相平衡3个平衡。其中建立物料平衡和冷量平衡的时间长短取决于空压机、膨胀机工况的调节速度。所以负荷调整操作的速度要平稳。如果操作太快不仅会使主塔工况波动太大，而且容易造成氩塔大幅度波动而引起氮塞事故。

3 变负荷对主塔及氩塔的影响

变负荷操作过程中，如果加工空气量增加过多过快时，会使主塔内的上升蒸汽增加过快，而相应的主冷中冷凝液体量也增加，主冷的热负荷加大，当传热面积不足时，主冷的温差必然扩大，下塔压力升高，同时塔内气流速度增加，下流液体量增加，塔板上液层加厚，使塔板阻力增加，上下塔压力相应提高，这将对氧氮分离带来不利影响，当气量过大时，会造成液体无法下流，下塔回流比变小，在塔底产生的液相氧纯度较高，上升气相氮纯度较低，不利于下塔精馏工况，严重时还会破坏主塔正常工况[5]。

当加工空气量减少过多时，可能出现上升气量减少过多而托不住塔板上液体，将产生漏液现象，下漏的液体没有与上升蒸汽充分接触，部分蒸发不充分，造成回流比增大，液相氧纯度低，气相单纯度较高。因为在精馏过程中，下塔的富氧液空通过节流阀送到上塔作为上塔的回流液，如果氧纯度低，会使上塔使精馏效果也大大下降，影响到产品氧氮的纯度，严重时会破坏精馏塔工况，无法维持生产。

在变负荷过程中，随着加工空气量的变化，主冷的液位也会发生变化，所以在这一动态过程中必须严格控制主冷液位，确保主冷液位的稳定就能确保主塔工况不出现大幅波动，对稳定主塔工况起到重要的作用。

对主塔进行负荷调整时，会对液空纯度产生影响，从而影响氩塔的精馏工况；因为粗氩、精氩冷凝器是有主塔的一部分富氧液空作冷源，所以液空的纯度直接影响粗氩、精氩冷凝器的热负荷。当氧氮纯度发生变化时，即工况稍有变动，氩在塔内的分布也会发生变化。当氧气纯度变化0.1％，氩馏分氧的体积分数就要变化0.8%~1％。氩馏分中的含氩量是随氧纯度提高而降低的。具体影响是：如果氩馏分含氧过高，将导致粗氩产品含氧量增高，产量降低，氩的提取率也降低。如果氩馏分含氮量过高，粗氩塔冷凝器中温差减小，甚至降为零，这样就会导致粗氩冷凝器冷凝量减少或者不冷凝，使粗氩塔无法工作。并且，随着氩馏分抽出量减少，上塔回流比也相应减少，氧纯度提高，使得氩馏分中含氮量也相应减少。于是冷凝蒸发器温差又会扩大，氩馏分抽出量又会增大，这样反复变化，使粗氩塔无法正常工作。因此，只有在空分设备工况特别稳定，氧氮纯度都满足要求时才能进行负荷的调整。

4 结束语

空分装置作为化工生产的中间环节，其稳定与否关系整个化工装置的稳定，变负荷作为空分操作中的重要部分，操作时都要缓慢进行，并要及时、恰当，力求空分装置的稳定。

[1]贺永德. 现代煤化工技术手册[M]. 北京:化学工业出版社，2011: 681-713.

[2] 刘勋. 大型煤化工空分技术与设备发展现状[J].中国高新区，2017，16: 160.

[3] 余化, 冯天照. 大型空分装置国产化技术发展状况及应用前景[J]. 化肥设计，2014（1）: 9-12.

[4]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]. 低温与特气，2008（2）：30-32.

[5]蒋旭, 王忠建. 空分设备制氩系统原理与操作浅析[J]. 气体分离，2013（2）：21-28.

Influence of Variable Load Operation on 65 000 Nm3·h-1Air Separation Unit

（Hebi Coal Chemical Industry Co., Ltd. of Henan Energy and Chemical Industry Group, Hebi Henan 458000,China）

The air separation unit of Hebi Coal Chemical Industry Co., Ltd.uses 8.8 MPa high pressure steam provided by power plant to drive turbine air compressor to compress ambient air. Process gas with pressure enters into rectification tower after being cooled by precooling, purification system and expander. Oxygen, nitrogen and argon are separated by low-temperature distillation, and qualified high-pressure oxygen, high-pressure nitrogen and instrument gas are provided for the next system, and the by-products are liquid oxygen, liquid nitrogen and liquid argon. In this article, operating principle, operating sequence and operating speed of the 65000 Nm3·h-1internal compression air separation unit in actual operation were mainly expounded. At last, based on the principle of air separation, the influence of load changing on the main tower and argon system was analyzed.

Air separation unit; Internal compression; Argon system; Variable load operation

2020-08-06

朱玉芹（1983-），女，工程师，河南省濮阳市人，2007年毕业于河南科技学院化学工程与工艺专业，从事煤化工生产技术工作。

TQ116.11

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1004-0935（2020）09-1108-03