位天時，蔣衛(wèi)兵，劉江淮，黃春濤

(馬鋼股份氣體銷售分公司，安徽 馬鞍山 243000)

制氧廠氮氣利用挖潛改造實踐

位天時，蔣衛(wèi)兵，劉江淮，黃春濤

(馬鋼股份氣體銷售分公司，安徽 馬鞍山 243000)

介紹制氧廠以氮氧液化裝置為中心的氮氣循環(huán)壓縮利用工藝流程及改造實踐活動。解決動力介質(zhì)管網(wǎng)供需矛盾，靈活組織生產(chǎn)模式。充分挖潛氮氣利用，同時降低氧氣放散率。提升液體外銷產(chǎn)能的同時，設(shè)備運行更經(jīng)濟可靠。

氧氮液化裝置；循環(huán)氮氣壓縮；氮氣有效利用；氮壓機互連互備

0 引言

近幾年來，隨著馬鋼公司生產(chǎn)規(guī)模的擴大，氧氣、氮氣需求量不匹配矛盾顯現(xiàn)，尤其氮氣資源短缺的問題日益突出。位于北區(qū)的2套大型空分裝置(杭氧KON-20000/20000、法液空KON-35000/40000)產(chǎn)品氣配比一定，長期處于“一開一備”保供模式。再者，如要保證中壓氮氣管網(wǎng)壓力，氧氣放散率可達8%以上，制氧廠產(chǎn)品單耗居高不下。眾所周知，采用液化和汽化后備系統(tǒng)能及時有效平衡動力介質(zhì)管網(wǎng)壓力波動，已成為提高管網(wǎng)運行經(jīng)濟性的有效途徑。為此馬鋼氣體公司因地制宜，以氧氮液化裝置為中心，綜合統(tǒng)籌中壓氮氣管網(wǎng)保供、低壓氮氣資源循環(huán)壓縮利用、液態(tài)產(chǎn)品外銷等方面，于2012年對已建成投產(chǎn)的“二液化站”進行“氮氣循環(huán)壓縮利用”系統(tǒng)改造實踐。

1 項目簡介

1.1 氧氮液化流程(圖1)

YPON-3750/1710型氧氮液化裝置工作介質(zhì)是來自動力管網(wǎng)的中壓氮氣(1.3～1.6 MPa)、氧氣(1.8～2.1 MPa)。原料氮氣經(jīng)透平膨脹機BC端增壓至2.50 MPa，冷卻后進入板式換熱器E4001換熱后分為兩路，一路進入ET端絕熱膨脹后獲取液化系統(tǒng)所需的冷量，與此同時產(chǎn)生的推動功又被BC端所吸收。膨脹后的低溫低壓氮氣(40 kPa)作為返流氣依次進入板式換熱器E4002/E4001復(fù)熱后出冷箱，而后經(jīng)循環(huán)氮壓機升壓并入中壓氮氣管網(wǎng)。另一路增壓氮氣經(jīng)板式換熱器E4002、過冷器E4003后冷卻液化為液氮進入集液罐SV4002，而后帶壓輸入液氮儲槽。液氮過冷器E4003冷端抽取少量液氮，經(jīng)節(jié)流閥HC4001降溫進入E4003/E4002/E4001作為返流氣復(fù)熱后出冷箱，而后經(jīng)循環(huán)氮壓機升壓并入中壓氮氣管網(wǎng)。

來自中壓管網(wǎng)的氧氣經(jīng)E4001/E4002被逐步冷卻液化為液氧入集液罐SV4001，而后帶壓輸入液氧儲槽。根據(jù)管網(wǎng)介質(zhì)富裕情況，調(diào)控過冷器E4003及節(jié)流閥HC4001運行工況，既可實現(xiàn)單通道，又可雙通道氮、氧液化生產(chǎn)。

圖1 YPON-3750/1710型氧氮液化裝置工藝流程簡圖

1.2 氮氣循環(huán)壓縮流程

目前位于氣體公司北區(qū)的2套大型空分裝置(杭氧KON-20000/20000、法液空KON-35000/40000)，其中杭氧二萬液氧內(nèi)壓縮空分機組滿負荷生產(chǎn)時，僅有14 500 m3/h產(chǎn)品氮經(jīng)氮壓機壓縮并入中壓氮氣管網(wǎng)，空分產(chǎn)能未完全釋放。法液空KON35000/40000型液氧部分外壓縮空分配有2臺20 000 m3/h氮氣壓縮機。顯而易見，液化站透平膨脹機冷量的獲取，受限于中壓氮氣管網(wǎng)壓力。在管網(wǎng)氮氣需求緊張、空分需滿負荷生產(chǎn)的時候，二液化開機率明顯降低，致使馬鋼北區(qū)氧氣放散率居高不下。再加之動力管網(wǎng)介質(zhì)平衡波動較大，嚴重危及中壓氮氣透平膨脹機的穩(wěn)定運行，外銷液體產(chǎn)量深受牽制。此次改造，作為連通介質(zhì)(低壓氮氣)不僅要滿足流量的連續(xù)穩(wěn)定，還要能保證透平壓縮機吸入工況匹配。

通過設(shè)備實際運行工藝數(shù)據(jù)采集，液化站循環(huán)中壓氮氣16 250～25 000 m3/h，膨脹制冷量15 000～23 000 m3/h。在保證透平膨脹機吸入壓力1.3～1.7 MPa條件下，膨脹后氮氣壓力20～40 kPa。二萬空分配套的IngersollRand 14 500 m3/h離心壓縮機吸入壓力4～15 kPa，排氣設(shè)計壓力2.0 MPa。三萬五空分配套的兩臺氮壓機分別為：Cooper 20 000 m3/h離心壓縮機吸入壓力4～19 kPa，排氣壓力設(shè)計2.0 MPa；IngersollRand 20 000 m3/h離心壓縮機吸入壓力7～30 kPa，排氣設(shè)計壓力2.0 MPa。通過對比分析，3臺氮氣壓縮機均能實現(xiàn)液化系統(tǒng)氮氣循環(huán)的功能。

2 原氮氣循環(huán)系統(tǒng)缺陷

借二萬空分機組計劃性停機檢修之際，停運14 500 m3/h氮透。對原廠區(qū)內(nèi)低壓氮氣連通系統(tǒng)進行試驗。

2.1 連通試驗記錄

關(guān)閉產(chǎn)品氮氣去水冷塔V106閥，打開低壓氮氣管網(wǎng)連通閥。逐步關(guān)閉產(chǎn)品氮氣放空閥，C60吸入壓力可保持在10～14.8 kPa，滿足氮壓機啟運條件。漸開C60導(dǎo)葉升壓并網(wǎng)，并進行加負荷操作。

1.吸入流量18 500 m3/h、壓力9.8～10.32 kPa。出二萬冷箱產(chǎn)品氮氣壓力13.5～14.1 kPa。

2.吸入流量19 000 m3/h、壓力7.1 kPa。出二萬冷箱產(chǎn)品氮氣壓力11.3 kPa。

3.吸入流量19 500 m3/h時，二萬產(chǎn)品氮氣流量、壓力出現(xiàn)波動。

4.試驗期間環(huán)境溫度17℃，水冷塔水溫由12.3℃上升至13.0℃。

2.2 系統(tǒng)缺陷

實現(xiàn)二萬、三萬五空分氮壓機互連、互通、互備，有效組織生產(chǎn)模式應(yīng)對管網(wǎng)保供及液化站循環(huán)壓縮原料氣，原廠區(qū)內(nèi)低、中壓氮管線互連系統(tǒng)存在以下幾點缺陷。

1.采用三萬五(二萬)空分低壓氮連通，保證機組穩(wěn)定運行前提下，可釋放二萬空分產(chǎn)能至少4500 m3/h，解決二萬空分產(chǎn)品氮氣壓機配型過小的問題。

2.雖然以液化站為中轉(zhuǎn)，出兩套空分裝置的低壓氮氣并沒有直接連通路徑。如液化站處于加溫備用狀態(tài)，3臺氮氣壓縮機之間不能實現(xiàn)互連、互通、互備，氮氣資源全量并網(wǎng)輸送成為問題。

3.原二萬產(chǎn)品氮氣流量計靠近低壓放散口，連通運行后孔板流量計所在管段被短路，無量顯。需在新敷設(shè)管道上安裝孔板流量計1套，實時監(jiān)控二萬空分產(chǎn)品氮氣抽取量，以免空分主塔工況波動。

4.原二萬空分至液化系統(tǒng)DN500氮氣管線輸送能力偏小,出二萬空分冷箱低壓氮氣(10～14 kPa)在輸送管阻損失后，造成C60氮壓機吸入壓力偏低，壓差損失可達5 kPa。為保持氮壓機出口壓力不變，壓縮比增加，能耗也相應(yīng)增加。

5.原連通路徑并未完全繞開二液化冷箱系統(tǒng)。若長周期運行會將大氣中的濕空氣通過放散口倒吸入液化站冷箱內(nèi)及板式換熱器內(nèi)，造成冷箱保冷下降，板式換熱器有冰堵隱患，危及液化站膨脹機安全啟停。

6.若二液化板式通道出現(xiàn)內(nèi)漏，很可能將氧氣帶入低壓氮氣系統(tǒng)，污染中壓氮氣管網(wǎng)。

7.C60氮壓機無回流防喘振調(diào)節(jié)功能，工況異常跳車后，低壓氮氣放散緩慢易憋壓，危及二萬空分穩(wěn)定。故將二萬產(chǎn)品氮氣放空閥改為壓力聯(lián)鎖自動控制。

8.二萬空分配套循環(huán)水泵房，僅有2臺軸流冷卻風(fēng)機，高溫季節(jié)調(diào)控水溫能力已至極限。在釋放氮氣產(chǎn)能的同時，需增加至少1000 kW大溫差冷水機組一套，使空氣出空冷塔的溫度不高于18℃，確保分子篩吸附器工作負荷。

3 改造實施

3.1 液化系統(tǒng)優(yōu)化

1.中壓氮氣透平膨脹機可謂是液化系統(tǒng)的心臟部件，為了保證運行工況的連續(xù)穩(wěn)定，且能為液化站提供滿負荷的冷量需求，設(shè)備選型必須具備：大膨脹比有效應(yīng)對管網(wǎng)壓力波動、可調(diào)噴嘴負荷調(diào)整空間大、最佳特性等熵比焓降高、可靠軸承潤滑系統(tǒng)、精密減壓密封氣系統(tǒng)、啟動/跳車連鎖保護完善等要求(透平膨脹機設(shè)計技術(shù)參數(shù)見表1)。

表1 中壓氮氣透平膨脹機技術(shù)參數(shù)

2.為確保氧氮液化單/雙通道靈活組產(chǎn)切換，液氮節(jié)流閥HC4001更換為進口閥門。提升該閥節(jié)流降溫效果，能有效避免液氮節(jié)流汽化引起的超壓風(fēng)險。同時，增強過冷器E4003的換熱效率，液化系統(tǒng)液體產(chǎn)量得到提升。

3.出液化站冷箱低壓氮氣放空閥V4113為氣閉式電磁閥，若20 000 m3/h氮氣壓縮機出現(xiàn)異常工況運行時，操作人員需要手動失電。另外，該閥無快開特性，屢次出現(xiàn)放散不及時，膨脹機出口超壓聯(lián)鎖液化系統(tǒng)跳停。故將低壓氮氣放空閥V4113更換為氣動薄膜調(diào)節(jié)閥，與膨脹機出口壓力形成聯(lián)鎖自動調(diào)節(jié)，防止超壓傷及板式換熱器。

4.設(shè)置中壓氮氣進氣閥V4101與膨脹機快切閥HC4401聯(lián)鎖同時切斷，確保透平膨脹機安全啟停。

3.2 低壓氮氣連通方案優(yōu)化

1.本著節(jié)約、便于改造施工的原則，保留原DN500(液化站至二萬14 500 m3/h氮壓機)管線。新增一路DN600低壓氮氣管線，短路連接至三萬五低壓氮并入二液化DN600管路。并增設(shè)DN600蝶閥、孔板流量計，部分管道支架利舊?？紤]到低壓氮氣流動阻力損失，管道盡量平直少彎頭，碰管方式采用變徑、T型三通方式(如圖2所示)。

2.出二液化冷箱低壓氮氣進連通管網(wǎng)(并設(shè)有進口放散)，經(jīng)循環(huán)氮壓機升壓后既可并入中壓氮氣管網(wǎng)對外輸送，又可直接送入液化系統(tǒng)，成為原料氣循環(huán)再使用。低壓氮氣閉路循環(huán)系統(tǒng)，既可降低產(chǎn)品氮氣的放散損失，又可平衡中壓氮氣管網(wǎng)需求。

3.原二液化原料氣來自于中壓氮氣管網(wǎng)，受管網(wǎng)壓力波動牽制，液化站膨脹機最佳工況難以保持。故保留現(xiàn)有三萬五空分中壓管道，并增設(shè)蝶閥V14。在管網(wǎng)壓力較高時，關(guān)閉V14閥，廠區(qū)內(nèi)中壓氮氣可形成閉路循環(huán)。

圖2 低壓氮氣管道連通示意圖

3.3 冷水機組安裝

冷凍機制冷無級連續(xù)調(diào)節(jié)范圍在15%～100%，從原水冷塔水路系統(tǒng)并聯(lián)接入?？紤]到新增冷水機組及其相應(yīng)配管后，系統(tǒng)管路特性將發(fā)生變化，管路的沿程阻力損失增加。為此更換2臺節(jié)能型循環(huán)冷凍水泵，提升揚程及流量。部分管路、閥門進行優(yōu)化配置。

4 氮氣循環(huán)壓縮利用組產(chǎn)模式(圖3)

4.1 以14 500 m3/h氮壓機作“循環(huán)壓縮”

打開二萬空分中壓氮氣并網(wǎng)閥V1、V2，關(guān)閉V3、V7、V8、V106。打開二液化進口閥V4、出口閥V6、二萬氮壓機進口閥V104、放空閥V105。啟動二液化，低壓氮氣通過二萬機組V105閥放空。調(diào)整二液化工況至膨脹量穩(wěn)定時啟動14 500 m3/h氮壓機實現(xiàn)氮氣循環(huán)使用。

4.2 以20 000 m3/h氮壓機作“循環(huán)壓縮”

打開管網(wǎng)連通閥門V3，關(guān)閉V4、V6、V12閥門。打開二液化出口手動閥V11、自動放空閥V7。啟動二液化，低壓氮氣通過二液化V7放空，調(diào)整二液化工況至膨脹量穩(wěn)定時，啟動三萬五20 000 m3/h 氮壓機升壓送管網(wǎng)，同時二液化放空閥V7自動關(guān)閉，二液化氮氣循環(huán)使用。

4.3 廠區(qū)內(nèi)中壓氮氣閉路循環(huán)

若中壓氮氣管網(wǎng)壓力波動較大時，可關(guān)閉V1、V2、V6、V14閥門。打開V3、V11、V13，出二萬空分機組20 000 m3/h氮氣經(jīng)三萬五氮壓機升壓，直接送入二液化作原料氣。啟動二液化，低壓氮氣經(jīng)V7閥放空，調(diào)整二液化工況至膨脹量穩(wěn)定。此時，廠區(qū)內(nèi)氮氣形成閉路循環(huán)，液化站可實現(xiàn)氮氧雙通道液化生產(chǎn)。

4.4 液化站停運，氮壓機之間“互連互備”

如液化系統(tǒng)停運，三萬五空分停機備用，關(guān)閉V3、V4、V106，打開連通閥V13。出二萬冷箱20 000 m3/h低壓氮氣送至三萬五氮壓機升壓并網(wǎng)。

圖3 液化站氮氣循環(huán)壓縮系統(tǒng)圖

5 結(jié)論

通過連通改造，三萬五、二萬兩套制氧機和液化站，產(chǎn)品氮氣產(chǎn)能被充分釋放。整個制氧廠區(qū)內(nèi)低壓、中壓氮氣管線互連互通，既能確保中壓氮透平膨脹機穩(wěn)定安全運行，氮壓機之間互備更可靠，又能使制氧廠生產(chǎn)組織更靈活，氧氣放散率明顯下降。液化站已具備長周期可靠運行的條件，通過實際運行測算，液氧、液氮平均產(chǎn)量已分別提升至3.74 m3/h與3.22 m3/h，改造投入短期內(nèi)可全部回收。

位天時(1986)，空分助理工程師，2010年畢業(yè)于北京科技大學(xué)熱能系低溫工藝與裝置專業(yè)，現(xiàn)馬鋼氣體銷售分公司從事空分工藝技術(shù)、設(shè)備可靠性、安全標(biāo)準(zhǔn)化管理等工作。電子郵箱：2079464655@qq.com。

Practice of Tapping The Potential Utilization ofNitrogen in Oxygen Plant

WEI Tianshi，JIANG Weibing，LIU Jianghuai，HUANG Chuntao

(Gas Sales Division, Maanshan Iron & Steel Co.,Ltd., Maanshan 243000,China)

This paper introduces the design of nitrogen circulation compression process and the reform practice in the ASU plant. According to the dynamic change of the pipe network, flexible production mode. Fully explore the existing equipment to protect the potential, reduce the oxygen release rate, enhance the operation of the network economy. Increase the export capacity of liquid, while improving equipment reliability.

oxygen nitrogen liquefaction plant；cyclic nitrogen compression；nitrogen utilization；nitrogen compressor interconnection

2017-04-05

TQ116.1

B

1007-7804(2017)03-0022-05

10.3969/j.issn.1007-7804.2017.03.007