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        內(nèi)壓縮流程空分設(shè)備的能耗影響因素研究

        2014-12-04 01:02:46厲彥忠
        真空與低溫 2014年5期
        關(guān)鍵詞:熱端空分溫差

        蔣 旭,厲彥忠

        (1.中空能源設(shè)備有限公司,浙江 杭州 310051;2.西安交通大學(xué)能動(dòng)學(xué)院,陜西 西安 710049)

        0 引言

        隨著能源化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,當(dāng)前大型煤化工業(yè)、大型化肥、大型鋼鐵冶煉以及集中園區(qū)式供氣的項(xiàng)目越來(lái)越多,相應(yīng)的配套空分需求也與日俱增。大型及特大型內(nèi)壓縮流程空分設(shè)備已成為主流產(chǎn)品,合理組織空分流程,使之達(dá)到最優(yōu)化,降低了總的投資和消耗[1]。

        空分設(shè)備的原料是空氣,主要消耗的是電耗或者能源,能源消耗一般占到生產(chǎn)成本的80%以上,合理組織并設(shè)計(jì)空分設(shè)備會(huì)降低生產(chǎn)成本,從而節(jié)約能耗。而空分設(shè)備所消耗的能源是由不可逆過(guò)程引起的,盡管每一個(gè)可逆過(guò)程中所消耗的能量方式不同,但是都會(huì)產(chǎn)生有效能的損失,因而從設(shè)計(jì)角度,使得裝置在理論上已經(jīng)處于最優(yōu)化的狀態(tài),有效能得到最大程度的利用,這對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)意義很大。

        1 內(nèi)壓縮流程能耗影響因素

        在能源轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)移、傳遞和使用的過(guò)程中,可以有效地利用有效能發(fā)揮其功效,可無(wú)效地?fù)p失,也就是通常所說(shuō)的有效能損失,有效能的損失是不可逆的??辗衷O(shè)備的有效能輸入,主要用空壓機(jī)電耗、原料空氣所帶入的有效能、水泵消耗的電能、各種泵所消耗的電耗及電加熱器消耗的電能。其損失主要存在于傳熱過(guò)程、壓縮或膨脹過(guò)程、節(jié)流過(guò)程、精餾過(guò)程中。

        內(nèi)壓縮空分流程在外壓縮流程能夠?qū)崿F(xiàn)的條件下能耗要往往較外壓縮空分流程高(外壓縮機(jī)器效率低時(shí)內(nèi)壓較外壓能耗低或者持平)。從設(shè)計(jì)角度,如果將外壓縮空分流程的能耗組成簡(jiǎn)單分為產(chǎn)品外壓縮能耗、膨脹制冷能耗、精餾能耗、液體產(chǎn)品液化能耗四部分,內(nèi)壓縮空分流程若不考慮部分產(chǎn)品外壓縮部分,僅僅考慮產(chǎn)品內(nèi)壓縮部分,則其能耗組成也可以分為四部分:產(chǎn)品增壓復(fù)熱能耗、膨脹制冷能耗、精餾能耗、液體產(chǎn)品液化能耗,以下詳細(xì)分析各因素的影響[2]。

        1.1 增壓復(fù)熱能耗

        內(nèi)壓縮從本質(zhì)上說(shuō)屬于間接壓縮,復(fù)熱流體對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行熱值傳遞,在一定背壓下增加其內(nèi)能。

        復(fù)熱有普通復(fù)熱和增壓復(fù)熱兩種;普通復(fù)熱為氣換熱;增壓復(fù)熱為含有相變的熱值高流體復(fù)熱低產(chǎn)品流體。氣體介質(zhì)的壓力越高,復(fù)熱品質(zhì)越高,冷卻品質(zhì)越低,增壓復(fù)熱采用熱值品質(zhì)較高的介質(zhì)復(fù)熱熱值品質(zhì)較低的介質(zhì),即壓力等級(jí)要求要高一檔[3]。

        1.2 膨脹制冷能耗

        膨脹制冷能耗包括熱端冷損能耗和裝置冷損及制冷產(chǎn)液能耗三部分。

        熱端溫差越大冷量回收越少,損失就大,導(dǎo)致制冷能耗增大,但是熱端溫差擴(kuò)大后,最小溫差也被擴(kuò)大,對(duì)換熱有利,從而可以減小增壓復(fù)熱流體或者增大膨脹空氣的中抽量,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)液量增大。

        制冷產(chǎn)液能耗一般有液體產(chǎn)品的量來(lái)定。當(dāng)液體產(chǎn)品的量大時(shí),所需的制冷產(chǎn)液能耗也大,由于低溫膨脹機(jī)是在低溫段抽出,所以一般強(qiáng)化制冷流路在高溫段設(shè)置低溫冷氣機(jī)組或者高溫膨脹機(jī),將冷量傳遞給熱流體,一方面降低換熱器高溫段不可逆損失,實(shí)現(xiàn)降低能耗;另一方面有外加冷源的低溫制冷循環(huán),由于進(jìn)氣溫度降低而循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性提高,因?yàn)槠湓谳^高溫度下的制冷量通過(guò)低溫制冷循不被轉(zhuǎn)移到低溫下,而同樣數(shù)量的冷量在低溫下的品質(zhì)更高,即獲得同樣多的冷量,溫度越低消耗的功越多。

        對(duì)于內(nèi)壓縮流程而言,一般不考慮膨脹機(jī)葉輪增大帶來(lái)的附加投資,因?yàn)樵鰪?qiáng)制冷流路,增大熱端溫差,對(duì)換熱有利,一般是節(jié)省能耗的,同時(shí)中抽溫度盡可能低,這樣有利于高溫段換熱,實(shí)現(xiàn)節(jié)省能耗。

        1.3 精餾能耗

        精餾效率影響的另一可變因素是進(jìn)出料抽口及量的設(shè)定。產(chǎn)品抽口一般是固定的,可變抽口有污氮?dú)獬榭?,污液氮抽口及進(jìn)料口,貧液空抽口及進(jìn)料口,對(duì)于氮?dú)庋h(huán)(下塔抽氮量大)還需要將液氮與液空混合后進(jìn)入污液氮與液空進(jìn)料口之間(進(jìn)料與組分純度接近),以使得上塔頂部下流液體均衡,對(duì)提氬有利。

        帶氬裝置由于富氧液空與氬氣有氣液置換(冷凝器相變換熱),本質(zhì)上破壞了上塔精餾(但是氬組分除去后,有利于提高氧組分的純度,從而量也增加,所以制氬系統(tǒng)對(duì)制氧有增效作用),導(dǎo)致液空蒸氣進(jìn)料口以上液氣比急劇減??;液氬進(jìn)料口以下液氣比急劇增大。而在精餾過(guò)程中液氮洗滌氬氣和氧氣,液氬洗滌氧氣,氬餾分抽口區(qū)以上段回流液不足,從而導(dǎo)致氬組分大量放散入污氮當(dāng)中,從而導(dǎo)致氬提取率大幅下降[4],如圖1所示。

        在保證空分設(shè)備正常精餾工況的換熱溫差下,上塔的壓力盡可能要低,這樣有效能損失最小,同時(shí)壓力越低,精餾能耗也低。

        圖1 帶氬裝置冷凝器相變換熱圖

        1.4 液體產(chǎn)品液化能耗

        制冷流路和液化流路,制冷流路同時(shí)會(huì)機(jī)后帶液,附帶產(chǎn)一股高品質(zhì)的低壓液體產(chǎn)品,這樣避免像中高壓液體產(chǎn)品節(jié)流后出現(xiàn)一定程度的氣化那樣會(huì)有損失,所以一般膨脹機(jī)都要求最大程度帶液。

        2 能耗因素影響分析

        以4.8萬(wàn)等級(jí)空分設(shè)備為例,產(chǎn)品規(guī)格如表1所列。所有氧氣、氮?dú)?、氬氣產(chǎn)品執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為:氧產(chǎn)品執(zhí)行JB/T8693-1998,一等品;氮產(chǎn)品執(zhí)行GB/T8979-1996,一等品;液氬產(chǎn)品執(zhí)行GB/T10624-1995特等品。

        表1 4.8萬(wàn)等級(jí)空分設(shè)備產(chǎn)品規(guī)格

        2.1 最佳復(fù)熱壓力區(qū)

        增壓機(jī)壓力4 MPa以上時(shí),由于壓力增大,可能會(huì)引起機(jī)器跨檔(級(jí)數(shù)增多)而導(dǎo)致投資增加,所以在能耗相差不大的情況下,優(yōu)先按照機(jī)器的合理性及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行選擇增壓機(jī)末級(jí)排壓;增壓機(jī)壓力在4 MPa以下時(shí),嚴(yán)格按照最佳點(diǎn)選取,如圖2所示。

        圖2 最佳復(fù)熱壓力區(qū)

        隨著壓力的增加,能耗先減小后增加,說(shuō)明存在一個(gè)能耗最小的壓力點(diǎn),一般選擇一個(gè)壓力區(qū)域進(jìn)行壓力選擇,在能耗影響較小的情況下選擇較為合適的機(jī)組(投資與效率,機(jī)器是否跨檔,級(jí)數(shù)增多而導(dǎo)致投資增加等因素)。

        流體都在超臨界壓力以上,增大流量可以復(fù)熱;臨界壓力以下有氣化段,要求復(fù)熱流體的氣化壓力必須高于被復(fù)熱流體的氣化壓力。對(duì)于超臨界狀態(tài)能耗影響因素不大,而在臨界壓力以下則影響較大,對(duì)于低壓內(nèi)壓縮需要單獨(dú)設(shè)置增壓機(jī)。

        2.2 熱端溫差

        熱端溫差影響裝置冷損,但是對(duì)低溫段的不可逆損失有平衡作用,所以需要合理選取,如表2所列。

        表2 熱端溫差對(duì)低溫段不可逆損失的平衡

        由此可看出隨著熱端溫差的增大,能耗先減小后增加,其中7 K左右出現(xiàn)最小值。同時(shí)隨著熱端溫差的增大,冷端溫差逐漸減小。

        2.3 中抽溫度

        隨著膨脹機(jī)中抽溫度的降低,膨脹機(jī)帶機(jī)后帶液逐漸增多,能耗也降低,當(dāng)帶液體接近10%時(shí),能耗減少非常小。從膨脹機(jī)機(jī)后不帶液體到帶10%的液體,能耗相差2%左右,節(jié)能顯著。當(dāng)前帶大液體量膨脹機(jī)國(guó)外已有應(yīng)用,國(guó)內(nèi)一般控制在5%以內(nèi)。機(jī)后帶大液體量的中壓膨脹機(jī)已成影響內(nèi)壓縮流程能耗的一大因素。

        2.4 積分溫差

        不同積分溫差如表3所列。

        表3 不同積分溫差

        由此可看出,在滿足最小換熱溫差1 K的前提下,隨著換熱器積分溫差的增大,總能耗在增大,換熱器投資在減小。

        一般工業(yè)應(yīng)用換熱最小溫差相變換熱要求1 K以上,非相變換熱1.5 K以上,以防止出現(xiàn)計(jì)算物性誤差及金屬熱阻過(guò)大而導(dǎo)致實(shí)際所需換熱器長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)而出現(xiàn)換熱面積不足現(xiàn)象。

        3 結(jié)束語(yǔ)

        隨著當(dāng)前煤化工的崛起,內(nèi)壓縮空分流程空分裝置是當(dāng)前的主流需求產(chǎn)品,內(nèi)壓縮空分流程較外壓縮空分流程形式多變,其換熱與制冷較其他流程要復(fù)雜的多[5]。而空分裝置的流程的組織與選擇非常重要,其決定流程能耗及其先進(jìn)性,最大程度減少不可逆損失,節(jié)約能源的消耗,所以研究?jī)?nèi)壓縮流程的綜合能耗影響因素,從設(shè)計(jì)角度,對(duì)于裝置的運(yùn)行及節(jié)能而言意義重大。

        [1]張祉祐.低溫技術(shù)原理與裝置[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,1985.

        [2]蔣旭.化工型空分設(shè)備內(nèi)壓縮流程選擇[J].深冷技術(shù),2011(7):10-15.

        [3]蔣旭,張淼,白寧莉.冶金型空分設(shè)備的流程選擇[J].低溫與特氣,2012(5):6-10.

        [4]黃建斌.工業(yè)氣體手冊(cè)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003.

        [5]蔣旭,丁友勝,厲彥忠,等.鋼廠應(yīng)用空分裝置的配套[J].通用機(jī)械,2013(11):40-43.

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