空氣循環(huán)、雙泵內(nèi)壓縮流程-空分設(shè)備的分析

空氣循環(huán)、雙泵內(nèi)壓縮流程空分設(shè)備的分析158000m3/h空分設(shè)備主要性能指標

根據(jù)公司用氣要求，3套空分設(shè)備需向煤氣化裝置提供8.2MPa（G，下同）高壓氮氣用于粉煤輸送（煤氣化裝置開車時使用，正常運行時用二氧化碳輸送粉煤）；5.2MPa高壓氧氣用于氣化爐內(nèi)粉煤的燃燒和硫回收等，017MPa壓力氮氣用于粉煤干燥及磨煤、低溫甲醇洗的氣提、各類催化劑的再生及保護等；此外還向公司提供儀表空氣（11000m3/h×3）和工廠空氣（30000m3/h×3）.因為承擔著全公司氣體“公用工程島”的作用，3套58000m3/h空分設(shè)備必須安全穩(wěn)定、長周期運行。

258000m3/h空分設(shè)備流程選擇

在空分設(shè)備合同簽訂前，與國內(nèi)外空分設(shè)備制造廠商進行過多次技術(shù)交流，曾就各種流程方案進行比較，最終選擇氧產(chǎn)品升壓方式為內(nèi)壓縮；在氮氣增壓方式上，借鑒了中國石化兩套48000m3/h空分設(shè)備的運行經(jīng)驗，并根據(jù)公司用氮品種規(guī)格不多的特點，最終選擇產(chǎn)品氮氣也采用內(nèi)壓縮方式，即選擇雙泵內(nèi)壓縮流程。由于煤氣化裝置只是在開車階段使用氮氣輸送粉煤，正常生產(chǎn)期間則利用低溫甲醇洗產(chǎn)生的二氧化碳進行粉煤輸送，因此選擇了2臺氮壓機分別提供8.2MPa和5.6MPa2個壓力等級的氮氣，供煤氣化裝置開車用，待輸送物料切換以后，氮壓機就停止運行，而將下塔壓力氮氣升壓至0.7MPa后輸入全廠氮氣管網(wǎng)。由于中國石化48000m3/h空分設(shè)備氮氣產(chǎn)品規(guī)格有5種，能夠?qū)崿F(xiàn)氮氣增壓循環(huán)與產(chǎn)品輸送的有效結(jié)合，而這3套58000m3/h空分設(shè)備的產(chǎn)品氮氣規(guī)格在正常運行時只有2種，因此最終確定其流程為空氣循環(huán)、雙泵內(nèi)壓縮流程。

358000m3/h空分設(shè)備的流程特點

（1）采用空氣循環(huán)膨脹制冷的雙泵內(nèi)壓縮流程。氧、氮產(chǎn)品采用內(nèi)壓縮，但在氣化裝置開車初期，將流量約41000m3/h的中壓氮氣通過外壓縮方式分別升壓至5.6MPa和8.2MPa，供煤氣化裝置開車用。待煤氣化裝置正常生產(chǎn)后改變工況，將下塔壓力氮氣通過氮壓機升壓至0.7MPa后輸入氮氣管網(wǎng)。雙泵內(nèi)壓縮流程的應(yīng)用，空分設(shè)備的安全性大大提高，既取消了氧壓機，又保證能大量抽取主冷內(nèi)液氧，降低了碳氫化合物積聚的可能性，現(xiàn)空分設(shè)備正常運行時主冷液氧中的烴類含量僅為1×10-6～3×10-6.

（2）原設(shè)計高壓液氧泵采用在線冷備用，若工作泵出故障，備用泵在10秒鐘內(nèi)自動達到工作負荷。但中國石化48000m3/h空分設(shè)備實際運行過程中，這種流程設(shè)置較難實現(xiàn)備用泵在10秒鐘內(nèi)自啟動并達到穩(wěn)定工作負荷，但人為主動干預(yù)備用泵啟動可以滿足工藝要求。

（3）精餾塔采用上、下塔平行布置，高度為49m；主冷單獨布置，采用浴式結(jié)構(gòu)，全浸式操作，以增加主冷內(nèi)的循環(huán)倍率，避免產(chǎn)生干蒸發(fā)導(dǎo)致烴類和氧化亞氮積聚。這種布置形式既降低了冷箱的高度，又保證了主冷的安全運行。

（4）在流程設(shè)計和組織上，吸取了國內(nèi)近幾年引進的大型內(nèi)壓縮流程空分設(shè)備和杭氧自身的設(shè)計和運行經(jīng)驗，充分考慮到高壓內(nèi)壓縮的特點，在空分設(shè)備的啟動、調(diào)節(jié)、正常生產(chǎn)和故障停車方面精心設(shè)計，如：高壓氧氣管線設(shè)置高壓空氣充氣線；高壓差大口徑自動閥設(shè)置旁通閥；氧氣系統(tǒng)增設(shè)緩沖罐；優(yōu)化氧、氮產(chǎn)品輸送控制系統(tǒng)等。

（5）為提高氧、氮提取率，在空分設(shè)備上增設(shè)提氬增效塔等。

（6）針對超高壓調(diào)峰用氮量的不足，增設(shè)了2臺低溫液氮常壓貯槽，采用從常壓液氮貯槽抽取液氮經(jīng)高壓液氮泵加壓、由水浴式汽化器汽化的方式來提供高壓氮氣。當高壓氮氣系統(tǒng)壓力低于6.5MPa時啟動備用高壓液氮泵，當高壓氮氣系統(tǒng)壓力高于8.2MPa時停運高壓液氮泵。0.7MPa的事故用氮采用低溫液氮泵將液氮增壓和空冷式汽化器汽化的方式得到。低溫液氮泵兩路供電，停電情況下可由事故柴油發(fā)動機供電。這種產(chǎn)品輸送方式，可以滿足Shell粉煤氣化工藝對氮氣峰值的要求，還可以保證在空分設(shè)備事故和故障狀態(tài)下氮氣的供應(yīng)不中斷。

4空分設(shè)備的配置情況

4.1空壓機組

空壓機與空氣增壓機由汽輪機拖動，布置緊湊，占地面積小。壓縮機采用進口產(chǎn)品，空壓機為RIKT140-1+1+1型，流量為361000m3/h；空氣增壓機為多軸齒輪型、5級壓縮，型號為RG5625，進口流量為154950m3/h，一、三級進口有進口導(dǎo)葉控制。汽輪機為雙出軸、全凝式，型號為DK080/190R.汽輪機冷凝液系統(tǒng)由杭州汽輪機股份有限公司總成，其中汽輪機乏汽冷凝采用空冷系統(tǒng)，該空冷系統(tǒng)由法國公司提供。整個空壓機組采用集中潤滑油站供油，由國內(nèi)公司配套。空壓機組還配備了葉輪在線清洗機構(gòu)，既方便了葉輪的除垢清洗，又提高了機組等溫壓縮效率，使機組始終保持在高效狀態(tài)下運行。

4.2空氣預(yù)冷系統(tǒng)

空氣預(yù)冷系統(tǒng)采用帶水冷塔及氟利昂制冷系統(tǒng)的高效預(yù)冷方式，其作用是冷卻和洗滌原料空氣?？绽渌幚須饬繛?61000m3/h，水冷塔主要利用污氮氣的不飽和吸濕性，降低冷卻水的溫度，從而降低氟利昂制冷系統(tǒng)的制冷量?？绽渌退渌捎蒙⒍烟盍?，效率高，操作彈性大，其中空冷塔下段采用不銹鋼DC環(huán)加耐溫性、增強性散堆填料。由于內(nèi)蒙古多倫地區(qū)年平均溫度較低（214℃），在夏季，氟利昂制冷系統(tǒng)不投入運行，對空分設(shè)備滿負荷運行影響不大。

4.3分子篩純化系統(tǒng)

分子篩純化系統(tǒng)采用雙層床凈化技術(shù)，即活性氧化鋁加13X型分子篩，底層的氧化鋁層可有效保護分子篩，延長其使用壽命。另外，雙層床結(jié)構(gòu)使再生阻力下降、再生溫度降低，節(jié)約了再生加熱蒸汽。切換系統(tǒng)采用無沖擊切換技術(shù)。分子篩純化系統(tǒng)采用長周期4小時設(shè)計，減少了切換損失，延長了切換閥的使用壽命。分子篩純化系統(tǒng)自投產(chǎn)以來已連續(xù)穩(wěn)定運行至今，相比中國石化的2套48000m3/h空分設(shè)備，這3套58000m3/h空分設(shè)備的分子篩純化系統(tǒng)的性能已大大提升。

4.4膨脹機系統(tǒng)

增壓透平膨脹機的增壓端將210MPa的氮氣增壓至2.9MPa后送入冷箱，冷卻后的氮氣再進入膨脹端膨脹，膨脹后的氣體去下塔參與精餾。該膨脹機膨脹端效率達87.5%，增壓端增壓效率達81%，膨脹機出口允許一定的帶液量。膨脹機系統(tǒng)只設(shè)置1臺機組，另外采購了1套機芯總成以便膨脹機事故狀態(tài)的搶修。

4.5精餾及換熱系統(tǒng)

主換熱器采用杭氧生產(chǎn)的低壓板翅式換熱器，共10臺；高壓板翅式換熱器采用美國公司的產(chǎn)品，共3臺。下塔采用杭氧制造的鋁制四溢流篩板塔，上塔為填料塔，為了保證空分設(shè)備性能，上、下塔分開并行布置；主冷為臥式主冷，放置在冷箱的32m外；6臺低溫液體泵全部采用進口產(chǎn)品。

4.6控制系統(tǒng)

58000m3/h空分設(shè)備的控制系統(tǒng)采用DCS集散控制系統(tǒng)，汽輪機升速控制采用TSC系統(tǒng)?？諌簷C組采用ITCC系統(tǒng)控制，實現(xiàn)對生產(chǎn)的有效控制和安全聯(lián)鎖保護，機組的軸振動、軸位移、轉(zhuǎn)速的安全保護功能均在ITCC系統(tǒng)內(nèi)完成?？辗衷O(shè)備在線分析取樣點有16個，有8條主分析回路，在線分析儀表設(shè)在現(xiàn)場分析室，檢測出的4～20mA信號輸入DCS控制系統(tǒng)，實現(xiàn)顯示、報警、聯(lián)鎖等控制。

5試車和運行情況

下面以2#空分設(shè)備為例介紹設(shè)備試車情況。

5.1空壓機組試車

2008年11月23日至2009年3月14日，期間經(jīng)歷了汽輪機單體試車、汽輪機與空壓機聯(lián)動試車、汽輪機與空壓機、空氣增壓機聯(lián)動試車3個階段。這段時間較長的原因：一方面是多倫地區(qū)每年12月至來年2月的氣溫太低，試車防凍工作難度大；另一方面是存在很多技術(shù)與施工方面的問題。

如：熱力管線因應(yīng)力問題整改時間較長；機組自帶的TSC控制系統(tǒng)與ITCC系統(tǒng)之間的接口通信不暢；壓縮機制造公司提供的升速曲線存在問題；1#空氣增壓機二級葉輪有一塊因釬焊內(nèi)部應(yīng)力未消除而脫落；汽輪機空冷系統(tǒng)冬季管線因凍裂而泄漏，真空度滿足不了開車要求等等。

通過空壓機組的聯(lián)動試車達到了以下效果：①打通了與空壓機相關(guān)系統(tǒng)的流程；②檢驗了設(shè)計、安裝和設(shè)備自身存在的問題；③鍛煉了隊伍，取得大機組操作的經(jīng)驗。

5.2空分設(shè)備裸冷試車

2009年4月4日至8日進行空分設(shè)備裸冷試車，期間沒有出現(xiàn)異常情況，只是流量計孔板墊片出現(xiàn)外漏，但由于多倫地區(qū)氣候干燥，結(jié)霜情況不明顯。后來通過對冷箱內(nèi)部適當加濕，達到了冷箱內(nèi)所有管線和容器均勻結(jié)霜的效果。裸冷試車時只發(fā)現(xiàn)了1處低溫液體排放管線有焊縫泄漏現(xiàn)象。

5.3空分設(shè)備聯(lián)動試車

2009年7月26日至31日，對2#空分設(shè)備進行聯(lián)動試車。這次試車非常順利，只是因為上塔產(chǎn)生的工藝液氧排放的次數(shù)不夠多，出現(xiàn)了工藝液氧泵泵前過濾器反復(fù)堵塞現(xiàn)象，影響調(diào)純進度；而且出現(xiàn)了由于工藝液氧泵切換頻繁而來不及清除濾網(wǎng)的現(xiàn)象。3#空分設(shè)備調(diào)試時吸取了教訓(xùn)，將上塔先出現(xiàn)的工藝液氧反復(fù)排放數(shù)次，效果非常好。另外，由于工藝液氧泵進泵管線的管徑大，預(yù)冷一定要充分，否則影響正常出口壓力。3#58000m3/h空分設(shè)備于7月31日17：00生產(chǎn)出合格產(chǎn)品。

5.4運行情況

在下塔抽取大量壓力氮及制氬系統(tǒng)不投運的情況下，58000m3/h空分設(shè)備的氧提取率在96.1%～99.7%之間。整改情況在空分設(shè)備安裝過程中進行過大小整改項目30多項，在單試、裸冷、聯(lián)動試車和運行過程中進行了一些微改。

（1）增設(shè)儀表空壓機氣源。原設(shè)計開車儀表氣源來自動力分廠，但動力分廠提供的氣源由于含有微量油根本不能用。新增了2臺無油螺桿壓縮機，以滿足空壓機組啟動過程中空氣增壓機入口氣源壓力要求等。

（2）液氮泵密封氣氣源問題。常壓液氮貯槽的液氮泵由于進口壓力低，采用通常的空氣儀表氣源作為密封氣時會使貯槽內(nèi)液氮純度下降，改用低壓氮氣作為密封氣源后純度下降趨勢明顯見緩；另外，備用泵的冷備方式也可以不采用惰轉(zhuǎn)方式，避免回流產(chǎn)生的熱量對貯槽液氮質(zhì)量的影響。

（3）伴熱管線的整改。由于工程設(shè)計院對高寒地帶的防凍設(shè)計經(jīng)驗不足，伴熱管線管徑過小，在空壓機的單獨試車過程中就出現(xiàn)過伴熱管線凍堵現(xiàn)象。后來將管徑加粗，避免了凍堵現(xiàn)象的發(fā)生。

6存在的問題

（1）自潔式過濾器位置和汽輪機空冷器位置設(shè)置不合理。由于汽輪機空冷器由10臺風扇強制通風，使自潔式過濾器常年處于負壓區(qū)運行，影響了空壓機吸入口壓力的穩(wěn)定，增加了機組運行功耗。

（2）高、中壓蒸汽管線疏水排放口位置不合理。由于多倫地處高寒地帶，疏水排放的蒸汽在寒冷季節(jié)會被自潔式過濾器吸入，產(chǎn)生大量的雪霜，增加了吸入口的阻力，對機組安全運行不利。

（3）由于多倫地區(qū)常年低溫，防凍保溫工作異常艱難。而工程設(shè)計院對北方嚴寒條件下的防凍措施考慮不周全，普遍出現(xiàn)管線凍堵、凍裂現(xiàn)象，經(jīng)過2009年夏季的整改，情況有所好轉(zhuǎn)。但這方面的經(jīng)驗還有待摸索。

（4）前幾輪試車過程中均發(fā)現(xiàn)空氣增壓機五段出口、膨脹機增壓端出口安全閥未到整定壓力就起跳，分析后認為可能是管線振動造成的。今后將查明原因消除管線振動，使增壓機五段出口、膨脹機增壓端出口壓力提高至設(shè)計壓力，保證后續(xù)系統(tǒng)的正常運行。

7結(jié)束語