曹寶喜

（中冶南方工程技術(shù)有限公司上海分公司，上海 201900）

引言

由于空分設(shè)備的進氣溫度過高，會導(dǎo)致能耗增大，空氣中含水量增大，進而導(dǎo)致主熱交換器的熱負(fù)荷增高，整個系統(tǒng)設(shè)備工作條件惡化[1]。為了降低分子篩吸附器的進氣溫度與含水量，在現(xiàn)代空分設(shè)備空壓機的出口端設(shè)置空氣預(yù)冷系統(tǒng)。從減少投資和運行費用角度考慮，在工藝流程中，常使用富余的氮氣（污氮和部分純氮）進入水冷塔，與水直接接觸，制取冷凍水[2]。在冶金企業(yè)中，制氧機的氧氮產(chǎn)量按照用戶的使用量來確定，通常為 1∶1～1.2。隨著市場行情的變化，對工業(yè)氣體的需求正不斷發(fā)生變化，主要體現(xiàn)在氮氣需求量不斷上升，而氧氣實際使用較計劃減少，氧氮的使用比例已逐步超過 1∶1.2，常導(dǎo)致用戶氮氣平衡緊張。為了保證氮氣的供需平衡，維持整個工廠的氧氮供應(yīng)，根據(jù)目前制氧工藝，可以通過增設(shè)冷凍機組置換去水冷塔的純氮氣，增加氮氣產(chǎn)量的同時保證進入空冷塔上部的冷凍水溫度。

筆者對某工廠原有預(yù)冷系統(tǒng)的改進，在原有生產(chǎn)工況不變及氧氣產(chǎn)量不變的前提下，大幅度提高產(chǎn)品氮氣的產(chǎn)量，同時滿足標(biāo)準(zhǔn)型冷凍機運行需求。通過分析冷凍水溫度、氮氣流量等參數(shù)對工藝流程的影響，為空分設(shè)備預(yù)冷系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計、設(shè)備選型及運行提供理論基礎(chǔ)。

1 工藝流程改造方案

圖1為改造前的空氣預(yù)冷系統(tǒng)流程，來自空壓機的高溫空氣進入空冷塔的下部，首先與常溫冷卻水在空冷塔下段直接接觸，進行初步冷卻；再上升到上段與冷凍水進一步熱交換，最后出空冷塔去分子篩系統(tǒng)[3]。從冷箱出來的氮氣，由下向上穿過水冷卻塔的塔板或填料層。由于氮氣為干燥氣體，相對于當(dāng)?shù)販囟仁遣伙柡偷模谒渌信c向下噴淋的水進行熱質(zhì)交換過程中，有一部分水吸收大量潛熱，蒸發(fā)成水蒸汽進入氮氣中，同時使水得到冷卻。由于進入水冷塔的氮氣量已經(jīng)確定，如果進入水冷塔的冷卻水溫度較高，尤其在夏季時，經(jīng)過水冷塔預(yù)冷后的冷凍水溫度還較高，不能直接進入空分塔，還需進冷凍機進行進一步的冷卻方能滿足后續(xù)工況對空氣溫度的需求[4]。

圖1 改造前空氣預(yù)冷系統(tǒng)

由于氮氣需求量不斷上升，原進入水冷塔的氮氣將作為產(chǎn)品氮氣輸出。此時由于沒有氮氣作為冷源或氮氣量減少，原進冷凍機的冷凍水從16℃～18℃上升到 33℃，與標(biāo)準(zhǔn)型冷凍機的常規(guī)制冷工況（蒸發(fā)側(cè)進口溫度為12℃，出口為7℃）嚴(yán)重偏離，冷凍機已經(jīng)無法運行，因此原有的預(yù)冷系統(tǒng)需進行一定的改進。

圖2為改進預(yù)冷系統(tǒng)流程，在預(yù)冷系統(tǒng)中需增加效率較高的板式換熱器作為外部換熱器進行輔助換熱，同時設(shè)置相關(guān)的輔助制冷水循環(huán)泵，高位膨脹水箱等。

圖2 改進空氣預(yù)冷系統(tǒng)

板式換熱器是由一系列具有一定波紋形狀的金屬片疊裝而成的一種高效換熱器。各種板片之間形成薄矩形通道，通過板片進行熱量交換，具有換熱效率高、熱損失小、結(jié)構(gòu)緊湊輕巧、占地面積小、應(yīng)用廣泛、使用壽命長等特點。在本項目中板式換熱器將來自氮水塔的高溫冷凍水與來自冷凍機的低溫制冷水進行熱交換。

膨脹水箱是收容和補償系統(tǒng)中水的脹縮量，亦用作系統(tǒng)供水。由膨脹水箱容納系統(tǒng)的水膨脹量，可減小系統(tǒng)因水的熱脹冷縮而造成的水壓波動，提高了系統(tǒng)運行的安全、可靠性，當(dāng)系統(tǒng)由于某種原因漏水或系統(tǒng)降溫時，膨脹水箱水位下降，還為系統(tǒng)補水。膨脹水箱還可以起到穩(wěn)定系統(tǒng)的壓力和排除水在溫度變化過程中所釋放出來的空氣。一般都將膨脹水箱設(shè)在系統(tǒng)的最高點，接在循環(huán)水泵吸水口附近的回水干管上，保證水泵有足夠的吸入壓頭，避免汽蝕。

2 物理和數(shù)學(xué)模型分析

對冷凍機蒸發(fā)側(cè)分析，冷凍機制冷量：式中，E2——冷凍機制冷量，kW；

QE——蒸發(fā)側(cè)循環(huán)水流量，kg/s；

CPW——水的定壓比熱，kJ/kg·℃；

TE1——制冷水進冷凍機溫度，℃；

TE2——制冷水出冷凍機溫度，℃。

對板式換熱器進行能量守恒分析，忽略板式換熱器與環(huán)境之間的換熱，有：

式中，QW——冷凍水流量，kg/s；

TW，2——冷凍水出水冷塔的溫度，即冷凍水進板式換熱器的溫度，℃；

TW，3——冷凍水出板式換熱器溫度，即冷凍水進水冷塔的溫度，℃。

在水冷塔中有：

式中，QN——氮氣流量，m3/s；

ρN——氮氣密度，kg/m3；

TN，1——進水冷塔的溫度，℃；

TN，2——出水冷塔的溫度，℃；

ρv——水蒸汽密度，kg/m3；

γ——水蒸汽汽化潛熱，J/kg。

由于氮氣的顯熱遠(yuǎn)小于水蒸汽的蒸發(fā)潛熱，因此可以忽略氮氣的顯熱。

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程可得，在濕飽和氮氣的絕對濕度為：

式中，Ps——蒸汽的飽和壓力，Pa；

Rg，v——蒸汽的氣體常數(shù)，J/kg·K。

同時有：

式中，QN0——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氮氣流量，m3/s。

聯(lián)系（3）、（4）、（5）可得：

（2）+（6）有：

冷凍機能效比：

式中，W——冷凍機的額定輸入功率，kW。

所以可得：

蒸發(fā)側(cè)循環(huán)水量：

循環(huán)水泵的總軸功率：

式中，N——軸功率，kW；

H——水泵的揚程，m；

k——富余系數(shù)，通常為10%～15%；

η——效率，通常為0.65～0.75。

從以上幾式可以看出所需冷凍機制冷量、電機功率、制冷水流量及循環(huán)水泵功率等參數(shù)與氮氣量、進水冷塔的冷凍水的溫度成線性關(guān)系，隨提氮量增大（進塔氮氣量減少）和進水冷塔的冷凍水的溫度升高而增大。

設(shè)計中如果把氮氣全部作為產(chǎn)品輸出，因此上面幾式可簡化為：

3 設(shè)備選型

考慮制氧機組的實際運行情況，在空分裝置流程參數(shù)確定后，有如下幾個參數(shù)為定值，很少發(fā)生變化：以某企業(yè) 3萬m3/h空分為例，氮氣進水冷塔的溫度TN，1=25℃；冷凍水流量為QW=29.17 kg/s（105 t/h），進空冷塔的溫度為TW，3=10℃；冷凍機蒸發(fā)側(cè)進水溫度與出水溫度標(biāo)準(zhǔn)工況ΔTE=TE1-TE2=5℃。

其他幾個參數(shù)則會隨著氣象條件、季節(jié)以及用戶需求等發(fā)生變化，如氮氣的流量QN，冷凍水進水冷塔的溫度 TW，1，出水冷塔的溫度 TW，2；冷凍機蒸發(fā)側(cè)的制冷水流量為QE。

常規(guī)3萬m3/h空分機組，除作為產(chǎn)品氮氣、分子篩再生用氣，尚有約4萬m3/h的氮氣進入水冷塔，可通過一定技術(shù)手段全部變?yōu)榧兊?，本例中原進入水冷塔的全部為純氮，氮氣的最大可用流量為QN0=11.11 m3/s（4萬 m3/h）；在夏季氮氣出水冷塔的溫度為TN，2=33℃；冷凍水進水冷塔的溫度為TW，1=33 ℃。

在設(shè)備選型時，考慮氮氣全部作為產(chǎn)品輸出，沒有氮氣進入水冷塔，可得：所需冷凍機制冷量E2≈2800 kW，板式換熱器的換熱量與之相同。制冷水流量QE=483 t/h；選擇循環(huán)水泵時，還需考慮～10%的富余系數(shù)，總計約530 t/h。循環(huán)泵的揚程與管網(wǎng)和設(shè)備運行狀況相關(guān)，此處冷凍機10 m，板式換熱器6 m，管網(wǎng)損失6 m，另外考慮10%～15%的富余系數(shù)，總計H=24 m 。

根據(jù)以上參數(shù)，可選出合適的冷凍機組、板式換熱器以及循環(huán)水泵。

在本項目中根據(jù)制氧機組的空氣預(yù)冷系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性、可靠性以及現(xiàn)場的位置，選擇了2臺額定制冷量為1400 kW的冷凍機，COP為5.1，每臺制冷機的額定輸入功率為275 kW。板式換熱器額定換熱量為2800 kW，2臺（一用一備）。制冷水泵選擇了3臺離心循環(huán)水泵（兩用一備），單臺額定流量265 t/h，揚程24 m，所配電機功率37 kW。膨脹水箱采用不銹鋼沖壓焊接水箱，有效容積為1 m3。

改造后2臺冷凍機可同時使用，也可單臺使用。在正常氣體工況下（或冬季運行）只開1臺冷凍機，滿足制氧機組正常氣體工況下的要求；需要提取大量氮氣（特別是在夏季）時，2臺冷凍機同時開啟。在夏季時，提取全部4萬m3/h的氮氣后，進空冷塔的水溫可維持在10℃左右，達(dá)到了改造目標(biāo)。

4 結(jié)論

通過在空分裝置預(yù)冷系統(tǒng)中增設(shè)冷凍機組，及輔助換熱設(shè)施，可在氧氣產(chǎn)量不變的條件下，將至水冷塔的氮氣置換出來，大幅度增加氮氣產(chǎn)量，降低分子篩的進氣溫度，保證空分設(shè)備安全穩(wěn)定運行。隨著冶金行業(yè)的高附加值產(chǎn)品的不斷開發(fā)和產(chǎn)能提高，所帶來的產(chǎn)能提高和節(jié)能效益，具有較高的推廣價值和應(yīng)用前景。

膨脹水箱可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，安全性，是不可缺少的重要組成部分。 所需冷凍機制冷量、電機功率、制冷水流量、冷凍機冷卻水流量等參數(shù)均隨提氮量增大而增大，隨進水冷塔的冷凍水的溫度升高而升高。

收稿日期：2018－06－12