王 海

[聯(lián)華林德氣體(成都)有限公司,四川 成都 610000]

1 壓縮空氣備用系統(tǒng)

壓縮空氣是僅次于電力的第二大動力能源,是具有多種用途的工藝氣源,其應(yīng)用十分廣泛。連續(xù)性生產(chǎn)的工廠均不允許中斷壓縮空氣,壓縮空氣供應(yīng)的中斷將給工廠帶來巨大的損失。鑒于此,多數(shù)工廠均設(shè)有空氣備用系統(tǒng)以保證壓縮空氣的不間斷供應(yīng)。壓縮空氣備用系統(tǒng)反應(yīng)時間越短,供應(yīng)時間越長越能給解決故障留出充足的時間。

備用系統(tǒng)分為兩類:氣態(tài)加壓存儲備用系統(tǒng)、液態(tài)存儲備用系統(tǒng),液態(tài)存儲備用系統(tǒng)又可分為:液化空氣存儲備用系統(tǒng)、液態(tài)氮氧混配備用系統(tǒng)。氣態(tài)存儲備用系統(tǒng)存儲容量是壓強的倍數(shù),儲存量小、占地面積大;液態(tài)存儲備用系統(tǒng)存儲容量是水容積的600倍以上,存儲量大、占地面積小。

混配存儲備用系統(tǒng)與液空存儲備用系統(tǒng)比較:混配需要2臺真空絕熱儲槽,混配器目前不能大型化,需要數(shù)量較多,氧氮儲槽存在污染可能。液空存儲需要1臺真空絕熱儲槽,無需混配器,不存在氧氮儲槽污染,所需汽化器數(shù)量等同上者,液空存儲備用系統(tǒng)優(yōu)勢顯而易見。

液化空氣的性質(zhì)不同于其他那些低溫液體,例如液氧或者液氮,它為多元組分,實際使用中有可能產(chǎn)生特殊的問題,因此國內(nèi)應(yīng)用較少。

2 液空備用系統(tǒng)的現(xiàn)場應(yīng)用

聯(lián)華林德氣體(成都)有限公司于2018年配置了一套液空備用系統(tǒng),如圖1所示,裝置設(shè)計:壓縮空氣供應(yīng)能力0.7 MPa、30 000 Nm3/h,滿足2 h需求,濃度變化范圍19.5%～22.5%?，F(xiàn)場配備:120 m3液空儲槽、汽化器4×8000 Nm3/h、液化器、循環(huán)泵、PCV等。設(shè)計理念:零排放,避免液空分層,供應(yīng)時濃度變化在要求范圍之內(nèi)。

圖1 液空備用系統(tǒng)流程圖

2.1 流程介紹

循環(huán)氮氣:氮壓機將管內(nèi)的氮氣0.02 MPa加壓至1.0 MPa,進入膨脹機增壓端增壓至1.4 MPa,送至冷箱內(nèi)換熱器被冷卻到設(shè)計溫度(-135℃左右),然后抽出送入膨脹機膨脹端,經(jīng)膨脹降溫后獲得低溫(-185℃左右)作為系統(tǒng)的冷源,低溫低壓氮氣通過換熱器復熱后回流至氮壓機入口循環(huán)使用,不足氮氣由PIC補給,維持系統(tǒng)平衡[1]。

空氣液化:干燥后的0.95 MPa壓縮空氣直接進入換熱器,被低溫循環(huán)氮氣冷卻到液化溫度(-185～-190℃)成為過冷液體,由LIC控制進入儲槽存儲。

液空備用:真空絕熱儲槽儲存液空,自動調(diào)節(jié)閥(PCV)檢測到壓縮空氣管網(wǎng)壓力低于設(shè)定壓力自動開啟,儲槽內(nèi)的液空在壓差的作用下自動輸出,經(jīng)汽化器汽化、PCV閥、過濾器、單向閥送入管網(wǎng)。

2.2 儲槽降壓的方法

真空絕熱儲槽依靠真空和絕熱填料隔熱,但不能做到絕對的隔熱,外部的熱能將逐步的傳入儲槽內(nèi)部。儲槽密閉的情況下,內(nèi)部儲存的液體吸熱后溫度升高,儲槽壓力升高,達到或超過儲槽設(shè)計壓力,產(chǎn)生危險?？諝馐嵌嘣M分,主要由氧和氮組成,氮與氧的沸點是不一致的,根據(jù)圖2氧氮氣液相平衡圖[2]可知80%氮含量的液空對應(yīng)氣態(tài)氮含量為89.19%。液空儲槽吸熱漲壓,如果排放儲槽頂部的氣態(tài),易揮發(fā)氮氣被排出,剩余的液空中氧含量將會增高,氧濃度將超過22.5%,不能滿足要求。

圖2 氧氮氣液平衡圖

要保證儲槽內(nèi)氧含量不發(fā)生變化,就需要儲槽零排放,零排放又會導致儲槽復熱漲壓。為解決該問題,流程增設(shè)了冷凝器,專門用于儲槽降壓:將上部的氣態(tài)引入冷凝器與來料的低壓液氮進行換熱后變?yōu)橐簯B(tài),通過自重流回儲槽頂部。由于沒有排放,儲槽內(nèi)的液空保持原組分濃度。此方案實現(xiàn)了儲槽降壓,避免了因排放引起的儲槽內(nèi)部濃度變化。

2.3 濃度分層的控制

現(xiàn)場120 m3液空儲槽規(guī)格:內(nèi)桶高度17 m、直徑3.2 m、設(shè)計壓力1.5 MPa。儲槽有兩個分析口可檢測頂部氣態(tài)氧含量和底部液態(tài)氧含量。

2018年11月儲槽液空液位90%,靜置15 d 后儲槽壓力達到1.0 MPa,測得儲槽底部液態(tài)平均氧含量22.0%,儲槽頂部氣態(tài)平均氧含量10.5%,查閱“氧氮氣液相平衡圖”1.0 MPa時(圖2),氣態(tài)中氧濃度10.5%對應(yīng)液態(tài)中氧濃度20%。儲槽存在濃度梯度變化,有氧氮分層現(xiàn)象。根據(jù)上下濃度分析,15m的液空高度上下存在2.0%的濃度差,如果采用同容量臥式真空絕熱儲槽直徑小于4 m,儲槽內(nèi)的液空上下濃度差將會低于 0.6%,可以減輕氧氮分層現(xiàn)象。根據(jù)以上數(shù)據(jù),公司的下一個項目已更換為臥式存儲,目前正建設(shè)中。

2.4 儲槽的攪拌

現(xiàn)場儲槽安裝有循環(huán)泵,定期將儲槽底部的液態(tài)泵至頂部進行攪拌,避免氧氮分層。實際使用中,啟動攪拌泵將導致儲槽迅速漲壓,使用本文第2.2節(jié)降壓措施控制困難。原因分析:儲槽17 m高,由于液體重力影響,儲槽底部的壓強較上部大,底部的飽和態(tài)液空溫度高于上部液空溫度。運行攪拌泵,將底部的高溫液空抽至上部低壓區(qū)域,有部分液體必定蒸發(fā),尋求該溫度下的壓力平衡,儲槽漲壓。如果加大冷凝器進行降壓,增大投資和液氮消耗不經(jīng)濟。為了避免該現(xiàn)象發(fā)生,現(xiàn)場沒有再啟動循環(huán)泵。后期項目建設(shè)采用了臥式真空絕熱儲槽,直接減輕分層現(xiàn)象,攪拌功能沒有意義。

2.5 液空儲存安全

液空的存儲及生產(chǎn),雖然理論上是零排放,實際生產(chǎn)中或多或少會有一定排放,導致液化空氣生產(chǎn)與儲存區(qū)域存在氧的富集與缺乏的可能。22.5%以上的富氧空氣將導致使用地點和設(shè)備中燃燒的風險增加;空氣中氧的缺乏會導致位于缺氧區(qū)域的人員窒息。

由于氮的蒸發(fā)氣化,儲罐中液空的組成成分可能會變化,造成液相中氧富集和氣相中缺氧。因此,現(xiàn)場將潤滑油更換成了氧兼容潤滑油,液空備用系統(tǒng)所有管道、部件、絕熱材料、設(shè)備和管配件都考慮了氧兼容性,按照氧氣系統(tǒng)進行管理。在液空使用區(qū)域設(shè)置了氣氛監(jiān)測,當氧濃度超過許可極限時報警并或切斷空氣供應(yīng),區(qū)域設(shè)置警示標志,警告富氧、缺氧存在的危險。

3 結(jié)束語

總之,液化空氣使用日益廣泛。本文所述液空備用系統(tǒng)在實際生產(chǎn)中的問題以及處理方案希望對后期設(shè)計及應(yīng)用類似裝置有所幫助,也請各位多提寶貴意見。