（馬鋼比歐西氣體有限責(zé)任公司，安徽馬鞍山 243000）

引言

空分裝置是能耗大戶，隨著各專業(yè)氣體公司的發(fā)展與國內(nèi)市場經(jīng)濟(jì)的完善，空分市場逐步形成以運(yùn)行效率支撐行業(yè)利潤的局面，比如在產(chǎn)品銷售價(jià)格不變的情況下，裝置設(shè)計(jì)效率一定，日常運(yùn)行效率高，則產(chǎn)品成本降低，利潤增加；反之，利潤下降。所以，對空分裝置的運(yùn)行性能評估顯得尤為重要。

1 工藝流程

某公司生產(chǎn)工藝為深度冷凍法生產(chǎn)氧氣、氮?dú)夂蜌鍤?。工藝流程見圖1，主要由以下幾部分組成：

(1)空氣壓縮，預(yù)冷及凈化；

(2)空氣增壓壓縮及冷凍；

(3)空氣分離；

(4)氬氣精餾和提取；

(5)液體產(chǎn)品儲存及備用系統(tǒng)。

空氣首先經(jīng)進(jìn)入前置過濾器除塵緊接著進(jìn)入空壓機(jī)加壓、然后由預(yù)冷系統(tǒng)及純化系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)冷和凈化處理，凈化后的氣體一路直接進(jìn)入精餾塔精餾,一路進(jìn)入增壓機(jī)壓縮后去膨脹機(jī)進(jìn)行膨脹制冷、膨脹后空氣進(jìn)入精餾塔進(jìn)行精餾，經(jīng)過精餾塔的精餾最后得到氧氮?dú)瀹a(chǎn)品并入管網(wǎng)和送入儲罐。

2 工藝運(yùn)行性能計(jì)算及評估

2.1 精餾塔的物料平衡和能量平衡

2.1.1 物料平衡

空分中的物料平衡指氧、氮、氬的介質(zhì)平衡。通過物料平衡計(jì)算，我們可以對產(chǎn)品或原料氣實(shí)際產(chǎn)量或?qū)嶋H用量及收集到的損耗之和與理論產(chǎn)量或理論用量之間比較，可以很清楚知道流量計(jì)的偏差和物料損失，對比以往數(shù)據(jù)，檢查是否存在泄漏損失，杜絕由于物料不平衡造成的部分原料氣或產(chǎn)品的損失。

下面對全塔的物料平衡進(jìn)行敘述：

進(jìn)塔空氣量與氧氣量

物料平衡式：

圖1 現(xiàn)場空分流程示意圖

組分平衡式（以物料中氧組分計(jì)）

在精餾塔的物料平衡中，必須著重指出的是氧的提取率。氧提取率表示氧產(chǎn)品中的含氧量占加工空氣中氧含量的比例，通常以ρ表示。

式中：V氧—氧氣產(chǎn)量；

V空—加工空氣量；

y0氧、y0空—分別為氧氣、空氣的含氧量。

提取率是空氣分離裝置完善度的標(biāo)志之一。提取率越高，就意味著氧損失越少，也就是氮?dú)鈳ё叩难踉缴佟Ｋ栽诓僮髦蒲鯔C(jī)時(shí)，應(yīng)在保證氧純度的前提下，力爭提高氮純度，以使氮?dú)鈳ё叩难趿繙p少，從而提高氧產(chǎn)量。

表1 物料平衡表

圖2 物料平衡圖

由表1可知：

（1）根據(jù)物料平衡修正因子可以判定：空氣流量計(jì)偏大約2.8%，氮?dú)饬髁坑?jì)偏小約4.8%，氬產(chǎn)品流量計(jì)偏小約1.2%但在控制范圍內(nèi)。

（2）與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)相比較，氧產(chǎn)品與氬產(chǎn)品提取率均在設(shè)計(jì)值之上，說明裝置精餾效率較設(shè)計(jì)值好（注：提取率=產(chǎn)品生產(chǎn)量×空氣中產(chǎn)品組分含量×100%）。

措施：空氣流量顯示應(yīng)根據(jù)物料平衡修正系數(shù)用程序進(jìn)行修正，以便正確指導(dǎo)正常生產(chǎn)中的效率計(jì)算，由于氮?dú)饬髁坑?jì)有2塊表，且日常效率計(jì)算影響不大，所以不做變更。

2.1.2 能量平衡

空分中的能量平衡是指整個(gè)制冷、分離過程的能量平衡。它是由壓縮、膨脹、熱交換、精餾等一系列過程組成的。由于空分裝置處于低溫狀態(tài)，外部必然有熱量不斷傳入，以及主換熱器的熱端溫差等帶來的冷量損失。通過能量平衡計(jì)算，我們檢查產(chǎn)品的潛在損失和冷量損失，通過對比以往數(shù)據(jù)可以檢查發(fā)現(xiàn)冷損是否有擴(kuò)大趨勢等。

能量平衡即進(jìn)入塔內(nèi)的熱量（包括冷損）總和應(yīng)等于出塔產(chǎn)品的熱量之和。對于塔的某一部分來說，就是進(jìn)去的熱量總和等于出來的熱量的總和。

全塔的熱量平衡，其熱平衡式為：

VAirhAir+Q5=VGOhGO+VGNhGN+VGWNhGWN+VGARhGAR+VLOhLO+VLNhLN+VLARhLAR

式中：hAir、hGO、hGN、hGWN、hGAR、hLO、hLN、hLAR分別為入塔空氣焓，出塔產(chǎn)品焓;這些焓值根據(jù)壓力、溫度(或飽和壓力)及物料組分等因子在excel 表中用GCT 宏可以計(jì)算出來。

Q5—總跑冷損失,單位：×4.18kJ∕h,不包含液體帶走冷量，Q5=。

表2 能量平衡表

由表2能量平衡計(jì)算結(jié)果可以得出：

進(jìn)冷箱總熱量：127.4×106kJ∕h；出冷箱總熱量為：126.6×106kJ ∕h；冷箱總跑冷損失為：0.8×106kJ∕h；裝置跑冷損失率為：0.68%（小于設(shè)計(jì)損失率1%），所以此空分裝置冷箱跑冷在可控范圍內(nèi)。

2.2 壓縮機(jī)的運(yùn)行性能評估

壓縮機(jī)是空分裝置的心臟，也是空分的主要耗能單元，因此，在空分運(yùn)行性能評估中壓縮機(jī)的運(yùn)行性能評估尤為重要。

2.2.1 壓縮機(jī)比功率評估

壓縮機(jī)比功率是壓縮機(jī)的能量功耗與壓縮的氣體量之比。即壓縮機(jī)壓縮單位容積流量氣體所消耗的功率。這是評判壓縮機(jī)是否節(jié)能的一個(gè)很重要的指標(biāo)參數(shù)。它通過計(jì)算和設(shè)計(jì)值相比較來調(diào)節(jié)進(jìn)出口壓力比。

表3 空壓機(jī)比能計(jì)算表

由表3可知，空壓機(jī)的實(shí)際功率比設(shè)計(jì)功率低，所以進(jìn)出口壓力比為正常。

2.2.2 空壓機(jī)出口壓力評估

過高出口壓力就會增加壓縮機(jī)的功耗。因此此方面的檢查尤為重要。

檢查項(xiàng)目：

空壓機(jī)的出口壓力0.415 MPa 和設(shè)計(jì)值0.464 MPa相比較。如果發(fā)現(xiàn)出口壓力較高，應(yīng)從以下方面進(jìn)行檢查：

（1）檢查上塔壓力控制設(shè)定值；

（2）檢查空壓機(jī)到下塔的壓降是否異常。

根據(jù)比對出口實(shí)際運(yùn)行壓力和設(shè)計(jì)可以看出：ASU1,ASU2 空壓機(jī)出口壓力實(shí)際值遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)值，所以壓縮機(jī)出口壓力控制在正常范圍。

2.2.3 壓縮機(jī)冷卻器效率評估

壓縮機(jī)級間冷卻器在離心壓縮機(jī)中非常重要，也是離心式壓縮機(jī)能耗高低的重要影響因素，平均冷卻水溫度沒降低3℃，意味著功率降低1%。因此壓縮機(jī)冷卻器的冷卻效率是空分裝置效率評估的關(guān)鍵點(diǎn)，要求有足夠的冷卻效果和較低的氣體阻力。

評估內(nèi)容：

測量冷卻器趨近溫度△T 和設(shè)計(jì)值進(jìn)行對比,△T 是冷卻器出口工藝氣和入口冷卻水的溫差。如果△T 太高，級間空氣溫度將升高，壓縮機(jī)功率將增大。這可能是以下原因造成的：

(1)水或氣測的污染，堵塞；

(2)水流量不足-盡可能的增加水流量；

(3)冷卻器的氣體側(cè)走短路；

(4)冷卻器殼側(cè)水短路。

表4 空壓機(jī)冷卻器實(shí)測值和設(shè)計(jì)值

由表4 可看出：空壓機(jī)趨近溫度運(yùn)行在較低的水平，進(jìn)回水溫差較設(shè)計(jì)值低，考慮到環(huán)境溫度與設(shè)備運(yùn)行負(fù)荷較小等因素，可以認(rèn)定空壓機(jī)級間冷卻器運(yùn)行在高效率水平，不存在缺陷。

2.2.4 空壓機(jī)效率評估

通過對壓縮機(jī)的等溫壓縮效率分析和比較，發(fā)掘潛能降低能耗。判斷壓縮機(jī)的操作點(diǎn)是否接近設(shè)計(jì)值，并調(diào)試壓縮機(jī)運(yùn)行曲線修正效率差異。造成壓縮機(jī)效率減少的原因是：（1）操作超過了設(shè)計(jì)范圍；（2）氣體損失(疏水器、密封、法蘭等泄漏)；（3）防喘閥泄漏；（4）排氣閥∕安全閥泄漏；（5）錯(cuò)誤的測量。

空壓機(jī)的等溫效率73.7%較設(shè)計(jì)值74.2%略有偏小，考慮出口壓力控制較設(shè)計(jì)值低，經(jīng)查證空壓機(jī)性能曲線圖，此壓縮機(jī)等溫效率處于正常范圍。

2.3 膨脹機(jī)的性能評估

膨脹機(jī)的工藝效率評估分為兩大類，通過對氣體膨脹機(jī)增壓側(cè)、膨脹側(cè)等熵效率和液膨膨脹側(cè)效率的計(jì)算，回顧是否在最佳運(yùn)行點(diǎn)。另對氣膨及液膨的損失功的計(jì)算，跟蹤膨脹機(jī)傳動(dòng)損失、惡化增大的趨勢，及時(shí)建立大修計(jì)劃。

根據(jù)膨脹機(jī)等熵膨脹原理，通過膨脹機(jī)入口壓力、溫度及空氣組分由林德物性計(jì)算器GTC 可計(jì)算出入口空氣的熵值和焓值；同時(shí)根據(jù)出口壓力及溫度，可查出膨脹機(jī)出口的實(shí)際熵值和焓值；根據(jù)等熵原理，查出出口理論焓值并計(jì)算出等熵效率。等熵膨脹效率低，表示膨脹機(jī)效率低，可能的原因有：存在泄漏，冷量損失增大，或存在機(jī)械問題等。

由膨脹機(jī)輸出功和膨脹增壓段輸入功率或發(fā)電機(jī)功率比較，得出中間的功率損失量；損失功率大，則表示潤滑不足、發(fā)電機(jī)效率下降等。

以氣體膨脹機(jī)為例，膨脹機(jī)實(shí)際運(yùn)行性能計(jì)算結(jié)果見圖3。

從圖3 可以看出，膨脹機(jī)膨脹端和增壓端的效率均在設(shè)計(jì)值內(nèi)，能量損失略有偏大，后期需檢查檢查膨脹端及增壓端回流閥是否有內(nèi)漏，通過油品分析和狀態(tài)監(jiān)測等進(jìn)一步分析膨脹機(jī)的運(yùn)行狀況，必要時(shí)進(jìn)行拆檢保養(yǎng)。

2.4 其他設(shè)備的評估

2.4.1 空冷塔及氮水預(yù)冷塔運(yùn)行性能評估

主要包含空冷塔除霧器性能評估；水冷塔趨近溫度及內(nèi)部壓降評估等

2.4.2 冷箱運(yùn)行性能評估

冷箱是一組高效、絕熱保冷的低溫?fù)Q熱和精餾設(shè)備。是深冷分離過程的重要組成部分，它由結(jié)構(gòu)緊湊的高效板式換熱器和精餾塔所組成。因?yàn)榈蜏貥O易散冷，要求極其嚴(yán)密的絕熱保冷，故用絕熱材料把換熱器和精餾塔均包裝在一個(gè)箱形物內(nèi)，稱之為冷箱。

空分冷箱的效率評估主要從以下5方面著手：

圖3 膨脹機(jī)實(shí)際運(yùn)行性能圖

（1）冷箱保冷效果，檢查冷箱或者連接管道上是否有大的冰斑，檢查冷箱密封氣壓力、流量和報(bào)警情況。

（2）主換熱器壓降分析。換熱器通道中的壓降應(yīng)該和設(shè)計(jì)值相比較，通道中太高的壓降會增加設(shè)備的功率消耗。當(dāng)對壓降偏大時(shí)，應(yīng)通過流量適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行調(diào)整。調(diào)整前，應(yīng)使用一個(gè)精密的壓力變送器對壓降進(jìn)行檢查。

（3）主換熱器熱端溫度分析。主換熱器每個(gè)通道的熱端溫差都應(yīng)該和設(shè)計(jì)值進(jìn)行比較。熱端溫差過高就表明有冷損，就會增加設(shè)備的功率消耗。

（4）主換熱器冷端溫度分析。主換熱器的冷端溫度應(yīng)該和設(shè)計(jì)值相比較。流道內(nèi)的冷端溫度溫度過高是沒有意義的。它會增加設(shè)備的功率消耗?？諝鉁囟冗^低可能導(dǎo)致氬產(chǎn)品的量過低。

（5）主冷凝器碳?xì)浠衔锓治雠c監(jiān)督。

2.4.3 壓差評估。

主要分析空氣-氮?dú)庋h(huán)中沒有過多的壓降。評估各塔器、換熱設(shè)備及各介質(zhì)通道是否存在堵塞及運(yùn)行工況偏離等狀況。

2.4.4 分子篩的評估

主要包括分子篩壓差；二氧化碳穿透及分子篩冷卻峰值等方面的評估分析。

3 結(jié)論

通過對某公司40000 m3∕m 裝置的綜合運(yùn)行性能評估可知，裝置總體運(yùn)行性能處于較高性能狀態(tài)，但部分設(shè)備運(yùn)行偏離設(shè)計(jì)工況，如：在對裝置物料平衡和能量平衡測算評估中發(fā)現(xiàn)部分流量計(jì)偏差較大。為了更好地跟蹤和計(jì)算裝置運(yùn)行狀態(tài)，需修正或校準(zhǔn)流量計(jì)；發(fā)現(xiàn)氣體膨脹機(jī)功率損失偏大，考慮運(yùn)行時(shí)間較長了需提出檢修保養(yǎng)計(jì)劃。在對壓縮機(jī)的過濾器、導(dǎo)流葉片、冷卻器、比功率、防喘振控制等一系列參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評估和分析后，發(fā)現(xiàn)部分增壓機(jī)、氮壓機(jī)的換熱器趨近溫度偏離正常狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)增壓機(jī)和氮壓機(jī)均存在一、二段壓力比偏離設(shè)計(jì)值，影響壓縮機(jī)效率；研究還發(fā)現(xiàn)氮壓機(jī)的喘振閥動(dòng)作頻繁，影響效率，需要優(yōu)化調(diào)整。