液化空气备用系统的实际应用

王 海

[联华林德气体(成都)有限公司,四川 成都 610000]

1 压缩空气备用系统

压缩空气是仅次于电力的第二大动力能源,是具有多种用途的工艺气源,其应用十分广泛。连续性生产的工厂均不允许中断压缩空气,压缩空气供应的中断将给工厂带来巨大的损失。鉴于此,多数工厂均设有空气备用系统以保证压缩空气的不间断供应。压缩空气备用系统反应时间越短,供应时间越长越能给解决故障留出充足的时间。

备用系统分为两类:气态加压存储备用系统、液态存储备用系统,液态存储备用系统又可分为:液化空气存储备用系统、液态氮氧混配备用系统。气态存储备用系统存储容量是压强的倍数,储存量小、占地面积大;液态存储备用系统存储容量是水容积的600倍以上,存储量大、占地面积小。

混配存储备用系统与液空存储备用系统比较:混配需要2台真空绝热储槽,混配器目前不能大型化,需要数量较多,氧氮储槽存在污染可能。液空存储需要1台真空绝热储槽,无需混配器,不存在氧氮储槽污染,所需汽化器数量等同上者,液空存储备用系统优势显而易见。

液化空气的性质不同于其他那些低温液体,例如液氧或者液氮,它为多元组分,实际使用中有可能产生特殊的问题,因此国内应用较少。

2 液空备用系统的现场应用

联华林德气体(成都)有限公司于2018年配置了一套液空备用系统,如图1所示,装置设计:压缩空气供应能力0.7 MPa、30 000 Nm3/h,满足2 h需求,浓度变化范围19.5%～22.5%。现场配备:120 m3液空储槽、汽化器4×8000 Nm3/h、液化器、循环泵、PCV等。设计理念:零排放,避免液空分层,供应时浓度变化在要求范围之内。

图1 液空备用系统流程图

2.1 流程介绍

循环氮气:氮压机将管内的氮气0.02 MPa加压至1.0 MPa,进入膨胀机增压端增压至1.4 MPa,送至冷箱内换热器被冷却到设计温度(-135℃左右),然后抽出送入膨胀机膨胀端,经膨胀降温后获得低温(-185℃左右)作为系统的冷源,低温低压氮气通过换热器复热后回流至氮压机入口循环使用,不足氮气由PIC补给,维持系统平衡[1]。

空气液化:干燥后的0.95 MPa压缩空气直接进入换热器,被低温循环氮气冷却到液化温度(-185～-190℃)成为过冷液体,由LIC控制进入储槽存储。

液空备用:真空绝热储槽储存液空,自动调节阀(PCV)检测到压缩空气管网压力低于设定压力自动开启,储槽内的液空在压差的作用下自动输出,经汽化器汽化、PCV阀、过滤器、单向阀送入管网。

2.2 储槽降压的方法

真空绝热储槽依靠真空和绝热填料隔热,但不能做到绝对的隔热,外部的热能将逐步的传入储槽内部。储槽密闭的情况下,内部储存的液体吸热后温度升高,储槽压力升高,达到或超过储槽设计压力,产生危险。空气是多元组分,主要由氧和氮组成,氮与氧的沸点是不一致的,根据图2氧氮气液相平衡图[2]可知80%氮含量的液空对应气态氮含量为89.19%。液空储槽吸热涨压,如果排放储槽顶部的气态,易挥发氮气被排出,剩余的液空中氧含量将会增高,氧浓度将超过22.5%,不能满足要求。

图2 氧氮气液平衡图

要保证储槽内氧含量不发生变化,就需要储槽零排放,零排放又会导致储槽复热涨压。为解决该问题,流程增设了冷凝器,专门用于储槽降压:将上部的气态引入冷凝器与来料的低压液氮进行换热后变为液态,通过自重流回储槽顶部。由于没有排放,储槽内的液空保持原组分浓度。此方案实现了储槽降压,避免了因排放引起的储槽内部浓度变化。

2.3 浓度分层的控制

现场120 m3液空储槽规格:内桶高度17 m、直径3.2 m、设计压力1.5 MPa。储槽有两个分析口可检测顶部气态氧含量和底部液态氧含量。

2018年11月储槽液空液位90%,静置15 d 后储槽压力达到1.0 MPa,测得储槽底部液态平均氧含量22.0%,储槽顶部气态平均氧含量10.5%,查阅“氧氮气液相平衡图”1.0 MPa时(图2),气态中氧浓度10.5%对应液态中氧浓度20%。储槽存在浓度梯度变化,有氧氮分层现象。根据上下浓度分析,15m的液空高度上下存在2.0%的浓度差,如果采用同容量卧式真空绝热储槽直径小于4 m,储槽内的液空上下浓度差将会低于 0.6%,可以减轻氧氮分层现象。根据以上数据,公司的下一个项目已更换为卧式存储,目前正建设中。

2.4 储槽的搅拌

现场储槽安装有循环泵,定期将储槽底部的液态泵至顶部进行搅拌,避免氧氮分层。实际使用中,启动搅拌泵将导致储槽迅速涨压,使用本文第2.2节降压措施控制困难。原因分析:储槽17 m高,由于液体重力影响,储槽底部的压强较上部大,底部的饱和态液空温度高于上部液空温度。运行搅拌泵,将底部的高温液空抽至上部低压区域,有部分液体必定蒸发,寻求该温度下的压力平衡,储槽涨压。如果加大冷凝器进行降压,增大投资和液氮消耗不经济。为了避免该现象发生,现场没有再启动循环泵。后期项目建设采用了卧式真空绝热储槽,直接减轻分层现象,搅拌功能没有意义。

2.5 液空储存安全

液空的存储及生产,虽然理论上是零排放,实际生产中或多或少会有一定排放,导致液化空气生产与储存区域存在氧的富集与缺乏的可能。22.5%以上的富氧空气将导致使用地点和设备中燃烧的风险增加;空气中氧的缺乏会导致位于缺氧区域的人员窒息。

由于氮的蒸发气化,储罐中液空的组成成分可能会变化,造成液相中氧富集和气相中缺氧。因此,现场将润滑油更换成了氧兼容润滑油,液空备用系统所有管道、部件、绝热材料、设备和管配件都考虑了氧兼容性,按照氧气系统进行管理。在液空使用区域设置了气氛监测,当氧浓度超过许可极限时报警并或切断空气供应,区域设置警示标志,警告富氧、缺氧存在的危险。

3 结束语

总之,液化空气使用日益广泛。本文所述液空备用系统在实际生产中的问题以及处理方案希望对后期设计及应用类似装置有所帮助,也请各位多提宝贵意见。