張行東

（中國空分設(shè)備有限公司，浙江 杭州 310000）

空分裝置為整個下游的配套工程項目供應(yīng)必需的各種公用工程氣體，對保證下游工程項目安全、可靠和穩(wěn)定的運行起著至關(guān)重要的作用?？辗盅b置的意外停機，將會馬上切斷下游工程項目氣體的供應(yīng)，輕則將導(dǎo)致下游工藝裝置聯(lián)鎖停車，引起下游裝置停產(chǎn)，造成巨大的經(jīng)濟損失，重則將導(dǎo)致下游的工藝裝置失去安保氣體，造成機器設(shè)備的損壞。但是由于空分裝置的復(fù)雜性，雖然隨著裝置的設(shè)計和制造技術(shù)不斷提高和改進，自動化控制技術(shù)日趨完善，空分裝置的故障幾率已經(jīng)大為降低，但是偶爾的意外停機也在所難免，而配套響應(yīng)速度快、穩(wěn)定可靠的后備系統(tǒng)就能極大程度的降低空分裝置意外停機帶來的風(fēng)險，后備系統(tǒng)可用于保證向下游用氣裝置不間斷供氣，一旦空分裝置發(fā)生故障停止供氣將投用后備系統(tǒng)，通過蒸發(fā)將貯槽中的液體汽化成氣體送給下游用氣裝置。后備系統(tǒng)的成本對于一套空分裝置來說，所占的成本比例也很小，另外，在空分裝置短時間有計劃的停車檢修期間，也能通過起用后備系統(tǒng)，短時間內(nèi)維持對下游裝置氣體的供應(yīng)。

現(xiàn)代空分裝置配套的后備系統(tǒng)，要求具備多功能化，自動化程度高，響應(yīng)及時，并且要確保安全、穩(wěn)定和可靠等特點，一套復(fù)雜后備系統(tǒng)的設(shè)計需要考慮多方面的因素。

1 后備系統(tǒng)工藝流程設(shè)計方案

第一種方案是空分主工藝流程與后備系統(tǒng)流程結(jié)合在一起，空分液氧的內(nèi)壓縮與后備系統(tǒng)液氧的壓縮共用，液氧從空分主冷取出，出冷箱進入液氧貯槽，再經(jīng)過設(shè)置在后備系統(tǒng)的液氧泵壓縮后分為兩個流路，一路重新返回空分冷箱主換熱器，復(fù)熱后作為空分高壓氧氣產(chǎn)品送出，另一路進入后備系統(tǒng)汽化器汽化后，并入高壓氧氣管網(wǎng)，兩個流路分別單獨運行。工藝流程示意圖如下圖1。

這種方案的優(yōu)點是在主空分裝置意外停機時，可以停機不停泵，切斷液氧返回空分冷箱流路，打開進入后備系統(tǒng)汽化器流路，液氧經(jīng)過汽化器汽化后送入高壓氧氣產(chǎn)品管網(wǎng)，保證下游氧氣的不間斷供應(yīng)。另一種可能是如果主冷液氧純度污染，從空分主冷抽取的液氧將直接排放而不進入貯槽，貯槽內(nèi)貯存的液氧經(jīng)過液氧泵壓縮后返回冷箱主換熱器汽化，繼續(xù)維持空分裝置的運行，當(dāng)主冷液氧純度重新調(diào)整合格后，主冷抽取的液氧又可以重新切換至貯槽，恢復(fù)正常的工藝流路。這種配置方案由于空分裝置和后備系統(tǒng)的液氧泵共用，也節(jié)省了泵的投資，在從主空分裝置切換至后備系統(tǒng)運行時，沒有額外的液氧泵的冷卻、啟動和加載的限制，大大的縮短了后備系統(tǒng)啟動時間和增加了可靠性。另外，由于液體來自液氧貯槽，而不是直接來自主冷，能夠大大增加整套裝置的變負(fù)荷的能力。這種設(shè)計的缺點是后備系統(tǒng)的設(shè)計會影響整套空分裝置的運行，貯槽的安全設(shè)計和可靠性要求高，貯槽的自增壓和安全排放能力要增大，液體管道尺寸大，裝置冷損和液體閃蒸損失相對較大。

另外一種方案是后備系統(tǒng)與主空分裝置獨立設(shè)計，當(dāng)空分裝置意外停機或者

純度污染時，后備系統(tǒng)獨立啟動，互不干擾，缺點是后備系統(tǒng)需要額外增設(shè)后備液氧泵，增加了設(shè)備投資，并且為了保證能隨時啟動，后備液氧泵需要冷備或者惰轉(zhuǎn)，啟動時間會有加長，可靠性會有所降低。工藝流程示意圖如下圖2。

2 后備系統(tǒng)配套設(shè)備規(guī)模的選擇

后備系統(tǒng)配套貯槽的大小需考慮空分裝置設(shè)計的液體產(chǎn)量，后備系統(tǒng)維持運行的時間以及液體外銷能力等因素綜合考慮；低溫后備泵和汽化器的大小按照需要的后備能力選取，例如如果需要后備能力與主空分裝置相當(dāng)，那么低溫泵和汽化器的能力就可以按照空分裝置的產(chǎn)量來考慮。

如果后備系統(tǒng)有快速響應(yīng)的要求，后備系統(tǒng)的設(shè)計就需要根據(jù)下游工藝裝置對氣體供應(yīng)的要求進行設(shè)計，例如，在保證需求量不變的前提下，管網(wǎng)壓力的降低不能大于某個規(guī)定的壓力值，后備系統(tǒng)的設(shè)計就需要綜合考慮如何能滿足這個要求。

首先要確定在空分裝置意外停機，切斷氣體產(chǎn)品的供應(yīng)后，后備系統(tǒng)需要多長時間能夠啟動起來，并達到設(shè)計負(fù)荷，當(dāng)然這個時間越短越好，但是過短的時間又會增加對相關(guān)的機器、設(shè)備、閥門和控制系統(tǒng)的響應(yīng)時間和工作能力的要求，如果啟動時間要求過于苛刻，設(shè)計還不可能滿足。

其次根據(jù)確定好的后備系統(tǒng)響應(yīng)時間，核算現(xiàn)有供氣管網(wǎng)的容積在此時間內(nèi)壓降是否能滿足要求，如果不能滿足要求，就還需要額外增設(shè)壓力緩沖罐或者球罐。系統(tǒng)的緩沖容積也不可能設(shè)置得過大，需要與后備系統(tǒng)的響應(yīng)時間互相匹配選擇，達到可靠性和投資成本最佳。后備系統(tǒng)響應(yīng)時間越短，后備系統(tǒng)配套要求越嚴(yán)格，設(shè)備投資越大，需要的緩沖容積越小；后備系統(tǒng)響應(yīng)時間越長，后備系統(tǒng)配套要求降低，設(shè)備投資減少，但需要的緩沖容積越大，裝置的布置空間也會增大。下圖3為常規(guī)的后備系統(tǒng)配置圖。

另外，下游裝置對于氣體的需求量并不是穩(wěn)定不變的，而是隨著實際用氣需要起伏波動。當(dāng)需求量減小時，可通過空分裝置的自動變負(fù)荷或者放散來滿足，當(dāng)需求量增大時，除通過空分裝置自動變負(fù)荷滿足之外，過大的需求量也可以通過額外配置緩沖罐或者啟動后備系統(tǒng)來滿足。

3 后備系統(tǒng)設(shè)計需考慮的故障因素

為了確?？煽啃裕诤髠湎到y(tǒng)設(shè)計時，需要對工廠故障情況進行充分的了解，并對可能存在的工程危險程度進行評估，例如是否對生產(chǎn)造成影響，是否會導(dǎo)致不合格品，會帶來多大的經(jīng)濟損失，是否會危及安全，是否會有災(zāi)難性的后果等，并以此確定需要考慮何種故障因素。

（1）斷電

此處僅考慮動力供電故障，所有的用電設(shè)備均會停車，可以通過壓力液體罐，帶壓經(jīng)汽化器汽化后供下游使用；也可設(shè)置合適的應(yīng)急柴油發(fā)電機，給后備系統(tǒng)低溫泵和汽化器的強制對流循環(huán)水泵供電，維持后備系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)。

（2）斷汽

如果后備系統(tǒng)的蒸汽供應(yīng)故障，為了保證仍能給下游供氣，這種情況下就需要額外設(shè)置空浴式汽化器來汽化低溫液體，考慮到有些地區(qū)冬天環(huán)境溫度很低，經(jīng)過空浴式汽化器汽化后，氣體的溫度仍然很低，如果下游裝置不能夠使用，這時就需要在空浴式汽化器后面再串聯(lián)電加熱器，加熱到合適的使用溫度。

（3）同時斷電和斷汽

如果供電和供汽同時故障，通過采用壓力液體罐或者配置應(yīng)急柴油發(fā)電機給低溫泵供電，讓液體增壓，采用空浴式汽化器來汽化液體。

以上考慮有些過于苛刻，只是在某些特殊場合使用，另外其中一些工作方式生產(chǎn)的氣體量，不能滿足下游正常生產(chǎn)的全部需求量，有時只能是用來保證下游裝置的安全，比如安保氣體等用途。由于以上故障引起的后備系統(tǒng)響應(yīng)這段時間內(nèi)，由緩沖罐給下游供氣。

4 保證后備系統(tǒng)快速響應(yīng)的相關(guān)設(shè)計

為了保證后備系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)，后備系統(tǒng)需要經(jīng)過以下特殊的設(shè)計。

（1）后備液體泵需要冷備或者惰轉(zhuǎn)，泵變頻的加載速度要能滿足要求，一般低溫泵從冷備啟動到滿負(fù)荷運轉(zhuǎn)最短可以做到25s左右，而低溫泵從惰轉(zhuǎn)加載到滿負(fù)荷運轉(zhuǎn)可以做到10s以下。

（2）汽化器的設(shè)計要能滿足快速汽化的要求，除換熱通道需要特殊考慮之外，汽化器還需要額外增設(shè)強制對流循環(huán)水泵，增大換熱系數(shù)，加速汽化。

（3）相關(guān)的控制閥要求，常規(guī)的控制閥從全開到全閉或者從全閉到全開，需要的時間＜20s，但快速響應(yīng)后備系統(tǒng)內(nèi)配套的控制閥需要根據(jù)響應(yīng)時間，在閥門訂貨時要求合適的開啟或者關(guān)閉時間，例如需要＜5s或者更低。

（4）液體進汽化器前管路應(yīng)盡可能短，液體流速很低，流通距離過長會延遲啟動時間，另外過長的距離也會導(dǎo)致在后備系統(tǒng)待機時出現(xiàn)更多地汽化，氣體堵塞在管道內(nèi)或者閥前，在后備系統(tǒng)啟動時，這些汽化的氣體也會延長啟動的時間，因此也需要在液體管路上額外設(shè)置排氣管線，及時排放掉汽化的氣體。

（5）自動控制要求更加嚴(yán)格和精確，要選擇合適的激活后備系統(tǒng)響應(yīng)的條件，液體閥、蒸汽閥的具體開度以及二者之間開度的匹配等都需要嚴(yán)格的加以控制。

（6）貯槽內(nèi)要預(yù)留有足夠的液體量，能供后備系統(tǒng)投用后一段時間使用。

（7）后備系統(tǒng)的響應(yīng)快，給運行可靠性帶來了便利，但是卻增加了安全風(fēng)險，例如低溫液體更容易帶出汽化器后面的常溫管道中等問題。因此需要額外增加一些安全保護措施，如貯槽出液閥的自動切斷，汽化器后氣體管線溫度過低聯(lián)鎖，以及汽化器底部、中部和上部溫度的控制和聯(lián)鎖，相關(guān)閥門的自動控制和聯(lián)鎖等，有些控制甚至需要采用冗余設(shè)計或安全儀表控系統(tǒng)，以增加其安全可靠性。

結(jié)語

一套完整、可靠的后備系統(tǒng)設(shè)計，需要根據(jù)用戶的需求，掌握整個工廠的配套情況。選擇合適的后備系統(tǒng)流程，并確定后備系統(tǒng)內(nèi)貯存汽化系統(tǒng)和氣體緩沖罐的大小，動設(shè)備的備用模式和啟動加載速度，閥門的開啟或關(guān)閉速率，并且要設(shè)計有足夠的安全保護措施等。合理的后備系統(tǒng)的設(shè)計，是保證后備系統(tǒng)可靠運行的前提，但是由于后備系統(tǒng)絕大部分時間是處于待機狀態(tài)，隨時準(zhǔn)備投用，這就會導(dǎo)致部分機器設(shè)備或者閥門在需要時不能正常投用，因此，對后備系統(tǒng)進行經(jīng)常性的檢查，對其故障修復(fù)和日常維修及時處理，也是保證后備系統(tǒng)能夠可靠運行的基礎(chǔ)。

[1]孫洪波.空分裝置后備儲存系統(tǒng)的設(shè)計（一）[J].石油化工設(shè)計，2012（02）.

[2]張曉亮，李江龍.談變電二次設(shè)計過程中的細(xì)節(jié)問題 [J].科技情報開發(fā)與經(jīng)濟，2006（24）.