内压缩流程空分设备热开车积液调纯方法分析

2023-06-04 18:58周金城刘江淮王胜利
低温与特气 2023年5期
关键词:液氧主塔空分

周金城,刘江淮,王胜利

(安徽马钢气体科技有限公司,安徽 马鞍山 243000)

1 前 言

马鞍山钢铁股份有限公司(以下简称:马钢)20 000 m3/h空分设备由杭氧设计、制造。20 000 m3/h空分设备采用空气循环增压、膨胀空气进下塔、液氧内压缩、全精馏制氩流程。20 000 m3/h液氧内压缩流程空分设备从主冷连续抽取一股液氧通过液氧泵加压,经组合式主换热器气化、复热后输送至冷箱外的马钢氧气管网。

马钢20 000 m3/h液氧内压缩流程空分设备自投产,在20 000 m3/h液氧内压缩流程空分设备热开车积液调纯阶段操作时,对主冷积液与主塔调纯采用边积液边调纯与先积液后调纯两种操作方法。对20 000 m3/h空分设备热开车积液调纯阶段采用两种积液调纯操作方法进行分析以及实际运用效果比较,研究这两种积液调纯操作方法对内压缩流程空分设备热开车的影响。

2 边积液边调纯

2.1 边积液边调纯操作方法特点

边积液边调纯是空分设备在热开车过程中对主冷积累液体的同时对主塔氧气、氮气纯度与氩馏分氩含量进行调节,即主冷积液与主塔调纯同步进行操作。

马钢20 000 m3/h空分设备采用液氧内压缩流程,中压膨胀空气等熵膨胀与高压空气等焓节流产生充裕的制冷量。低压空气、中压膨胀空气、高压空气作为加工空气均进入下塔参与精馏,所有加工空气均在下塔进行初步分离。在内压缩流程空分设备热开车过程中,当主冷积液与主塔调纯同步操作时,空分设备精馏系统较容易达到物料、组分、冷量平衡的状态。

液氧内压缩流程空分设备从主冷连续抽取液氧经液氧泵加压。在内压缩流程空分设备热开车过程中,采用主冷积液与主塔调纯同步操作的方式,在主冷液位处于较低状态时对主塔调纯,主冷液体中碳氢化合物与氮氧化合物不易浓缩、积聚,可以有效保证空分设备热开车安全。

采用边积液边调纯的操作方法,在主冷液位升至小于联锁值时,逐步增加主冷热负荷,使下塔、上塔上升蒸气与回流液体进行热质交换。在主冷液位升至大于联锁值、小于低报警值时,同步对主塔氧气、氮气纯度及氩馏分氩含量进行调节。在主冷液位升至大于低报警值、小于正常运行值时,提前启动液氧泵,根据主冷液位变化,对主塔调纯。在主冷液位升至正常运行值时,使主塔氧气、氮气纯度与氩馏分氩含量达到正常运行值,氧气、氮气产量与污氮气流量则根据其纯度分步调至正常运行值,使精馏系统达到物料、组分、冷量平衡的状态。

空分设备在主冷液位升至大于低报警值、小于正常运行值时,通过提前启动液氧泵,将液氧作为返流液体送至主换热器气化、复热,此时必须提前将高压空气导入主换热器与返流液氧换热。此股高压空气在主换热器内降温、液化,经高压节流阀节流降温、降压送至下塔,高压液空提前通过高压节流阀经节流制冷,充分发挥内压缩流程空分设备高压空气节流阀制冷量高的优势。

同时,因提前启动了液氧泵,将返流液氧提前导入主换热器,使主换热器中部温度降低,根据膨胀端机前、机后温度变化,提前将膨胀机膨胀量调至额定值,充分发挥内压缩流程空分设备中压增压透平膨胀机制冷量大的优势。通过边积液边调纯操作方法的运用,提前启动液氧泵,使空分设备在积液调纯阶段处于高制冷量运行状态。

具有高焓值的高压空气提前导入组合式主换热器,有效减小主换热器热端温差,降低热交换不完全冷损,使空分设备在积液调纯阶段处于低冷损运行状态。

返流液氧提前导入主换热器,有效降低低压空气、中压膨胀空气、高压空气进下塔温度,增大下塔上升蒸气液化量,减小下塔回流液体蒸发量,有助于增加下塔液空生成量及主冷液体生成量,缩短空分设备主冷积液时间。

边积液边调纯过程是根据主冷液位上升变化同步对主塔进行调纯的。通过增大主冷热负荷,降低上塔提馏段回流比,增大下塔回流比,调节下塔塔釜液空氧含量、下塔顶部液氮纯度与上塔底部氧气纯度、上塔中部氩馏分氩含量、上塔顶部氮气纯度,缩短空分设备主塔调纯时间。

2.2 边积液边调纯操作方法运用

2.2.1主换热器操作

在主冷液位未升至低报警值、液氧泵未启动时,主换热器未导入返流液氧,低压空气、高压空气流量根据主换热器冷端温度的降低逐步增加,使低压空气、高压空气进下塔温度≤-172℃。同时,全开膨胀机膨胀端冷段进气阀V41、全关热段进气阀V32,中压膨胀空气流量根据膨胀机转速分步增加。返流污氮气、氮气调节阀根据主换热器中部温度的变化调节。

在主冷液位升至大于低报警值、提前启动液氧泵后,高压空气流量与压力根据主换热器热端温差、中压膨胀空气流量根据主换热器中部温度、低压空气流量根据下塔阻力分步增加。使设备处于高制冷量、低冷损运行状态,将主冷液位升至正常运行值。

2.2.2主塔操作

在主冷液位未升至低报警值、液氧泵未启动时,根据主冷液位上升幅度,逐步开启液氮回流阀V11、纯液氮节流阀V3,逐步增加主冷热负荷,使上塔提馏段上升蒸气与下塔回流液体量逐步增加,促使下塔、上塔精馏工况逐步建立。在此阶段,液空节流阀V1仍保持全开,将下塔塔釜生成的液空全部送至上塔提馏段参与精馏。

在主冷液位升至大于联锁值、小于低报警值时,开启液氧泵进液阀与排液阀,对液氧泵预冷。根据主冷液位变化,调节液氧泵进液阀与排液阀开度,使主冷液体生成量大于液氧泵预冷液体气化量,避免主冷液位降低。

在主冷液位升至大于低报警值、提前启动液氧泵后:在液氧泵启动初期,将液氧泵变频器调节方式设定为手动模式,根据主冷液位变化,开启液氧泵回流阀,使液氧泵处于低负荷运行状态,降低主冷液体抽取量,使主冷液体生成量与液氧泵抽取量差值降至最小值,避免主冷液位降幅过大。随着中压膨胀空气、高压空气流量的增加,在主冷液体生成量大于液氧泵抽取量时,根据主冷液位升幅,调节液氧泵回流阀,逐步增加液氧泵流量。

同时,根据下塔阻力与进塔低压空气流量的变化,分步增加液氮回流阀V11阀门开度。根据下塔液空氧含量、下塔液空液位变化,调节污液氮节流阀V2、液空节流阀V1阀门开度。根据下塔顶部液氮与上塔顶部气氮氧含量差值,逐步调节纯液氮节流阀V3阀门开度。使主塔物料、组分达到平衡状态,将氧气、氮气纯度及氩馏分氩含量调至正常运行值。

3 先积液后调纯

先积液后调纯是空分设备在热开车过程中采用的一种传统的积液调纯操作方法,过去较多运用于膨胀空气进上塔的氧气外压缩流程空分设备。先积液后调纯是将主冷积液与主塔调纯分步操作。在空分设备热开车过程中,先对主冷积液,当主冷液位升至正常运行值后,再对主塔氧气、氮气纯度及氩馏分氩含量进行调节,从而使精馏系统物料、组分、冷量达到平衡状态。

在马钢20 000 m3/h空分设备热开车积液阶段,因主冷液位未升至正常运行值,液氧泵未启动,导致进入下塔的低压空气、中压膨胀空气温度高,下塔上升蒸气液化量低、回流液体蒸发量高,下塔塔釜液空与主冷液体生成量低。

因空分设备积液阶段高压空气节流阀未开启,高压空气节流阀未能产生节流制冷量。同时,积液阶段主换热器中部温度高,使得中压增压透平膨胀机转速高、流量低。空分设备积液阶段处于低制冷量、高冷损运行状态,主冷积液时间较长。

在主冷液位升至正常运行值、液氧泵启动后,对主塔调纯时,因开启液氮回流阀V11与纯液氮节流阀V3,使主冷热负荷增幅大,主冷蒸发侧液体蒸发量大于液体生成量,主冷液位降幅大。同时,主冷冷凝侧上升蒸气液化量增幅大,下塔液空液位、阻力及进塔低压空气流量均大幅上升。在主塔调纯过程中,氧气、氮气纯度与液空氧含量、氩馏分氩含量波动较大,主塔精馏工况不易建立。

为避免主冷液位降至液氧泵自动停泵联锁值,造成液氧泵联锁停机,使空分设备精馏系统联锁停运,停止对主塔调纯,重新对主冷积液。在主冷液位再次升至正常运行值后,重新对主塔调纯,主塔调纯时间较长。

先积液后调纯的操作过程是使主冷从达到稳定状态变为波动状态,再由波动状态调至稳定状态。主冷积液与主塔调纯重复交替进行,精馏系统达到物料、组分、冷量平衡状态时间长,造成空分设备热开车时间较长。

4 两种积液调纯操作方法比较

内压缩流程空分设备具有冷量充裕、原料空气均经下塔进行初步精馏分离、主冷连续抽取液氧的特点。在内压缩流程空分设备热开车过程中,采用边积液边调纯操作方法,在较短时间内,使精馏系统物料、组分、冷量达到平衡状态。同时,在对主冷积液与主塔调纯同步操作时,主冷液位波动小,主塔调纯时间短,空分设备精馏工况易建立。边积液边调纯操作方法充分利用内压缩流程空分设备工艺流程特点,有效缩短内压缩流程空分设备热开车时间,马钢20 000 m3/h内压缩流程空分设备热开车氧气、氮气纯度合格时间分别在31 h, 37 h以内。边积液边调纯操作方法较适用于马钢20 000 m3/h液氧内压缩流程空分设备。

内压缩流程空分设备热开车过程中,采用传统的先积液后调纯的操作方法,使已稳定的主冷液位波动大,主冷积液时间较长。主塔调纯时主塔精馏工况波动大,氧气、氮气纯度及氩馏分氩含量达到正常运行值时间较长。先积液后调纯操作方法使内压缩流程空分设备热开车时间较长,马钢20 000 m3/h内压缩流程空分设备热开车,氧气、氮气纯度合格时间分别在36.75 h, 43 h以上。先积液后调纯操作方法未能发挥内压缩流程空分设备的优势。

在内压缩流程空分设备热开车过程中运用边积液边调纯操作方法,要求操作人员必须掌握较深层次的制氧理论知识及丰富的空分设备操作经验,方能保证空分设备热开车安全稳定。

因20 000 m3/h等级中小型空分设备主冷储存液体容积量与液氧泵流量相比较大,主冷液体缓冲能力较强,在中小型内压缩流程空分设备热开车过程中,边积液边调纯操作方法易于实施。

因笔者工作经历所限,未能在大型或特大型内压缩流程空分设备热开车过程中运用边积液边调纯的操作方法。因大型或特大型空分设备主冷储存液【】【】体容积量与液氧泵流量相比较小,主冷液体缓冲能力不强。在大型或特大型内压缩流程空分设备热开车过程中,应根据空分设备实际状况,有针对性地实施、完善边积液边调纯操作方法,在液氧泵启动初期,防止主冷液位降幅大。

5 结束语

随着空分设备技术的不断发展、工艺流程的不断创新,在空分设备开车、运行中,必须根据低温制氧精馏理论和空分设备流程特点,对空分设备采取有针对性、行之有效的操作方法,才能最大化发挥空分设备性能,保证设备安全、稳定、经济运行。

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