蘇禮勇，周 程

（靖遠煤業(yè)集團劉化化工有限公司，甘肅白銀 730900）

0 引 言

我國是能源消費大國，能源消費約占全球能源消費總量的23%，但能源利用效率卻僅約33%，比發(fā)達國家低約10%，差距明顯。國家在“十三五”提出“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享”的發(fā)展理念，以開源、節(jié)流、減排為重點，將著力提高能源使用效率列為國家能源發(fā)展戰(zhàn)略。石化產(chǎn)業(yè)所涉及的工業(yè)氣體主要有壓縮空氣、氧氣、氮氣、氬氣等，而空分裝置是產(chǎn)業(yè)鏈中最大的耗能者，在我國，合成氣的生產(chǎn)成本中制氧（氧氣）成本占比達30%以上，高出發(fā)達國家約30%，我國工業(yè)氣體領(lǐng)域的節(jié)能還有較大的提升空間。

近幾年來，靖遠煤業(yè)甘肅劉化（集團）有限責任公司（簡稱甘肅劉化）對其園區(qū)空分裝置從技術(shù)優(yōu)化改造和加強基礎(chǔ)管理兩個方面開展降本工作。

（1）大力推行操作技術(shù)創(chuàng)新和“小改小革”合理化建議活動，研究開發(fā)了系列節(jié)能新措施，主要成果有22000m3／h空分裝置啟動操作全過程優(yōu)化、氬精餾系統(tǒng)臨時停車后冷態(tài)投氬8h內(nèi)產(chǎn)品合格的操作實踐（冷態(tài)投氬指氬精餾系統(tǒng)臨時停車后進行冷凍操作、積液調(diào)純、產(chǎn)品合格的歷程，用時一般在36h；通過技術(shù)探索、優(yōu)化工藝操作步驟，抓住投氬操作的幾個關(guān)鍵點，8h內(nèi)就能順利產(chǎn)出產(chǎn)品）、氬產(chǎn)量達標達產(chǎn)工況考核、增壓機級間氣體冷卻器在線酸洗及上水／回水管線改造、水冷塔進水系統(tǒng)優(yōu)化改造、分子篩純化器配套蒸汽加熱器泄漏分析及處理、200m3液氬貯槽防污染措施落實等。

（2）在基礎(chǔ)管理中創(chuàng)新管理思維，全面落實崗位責任制，對關(guān)鍵設(shè)備、崗位實行工作票制度，深入推進質(zhì)量標準化、精細化管理，尤其是在空分裝置生產(chǎn)現(xiàn)場、液體產(chǎn)品充裝區(qū)域、壓縮廠房空壓崗位等巡檢崗位，全面推行節(jié)能降耗的勞動競賽機制和標準化操作（如設(shè)定了空分裝置啟動達標時間跟蹤、氬精餾系統(tǒng)啟動達標、停車排液加溫模式的對標管理，推行機電化儀多工種聯(lián)合巡檢的生產(chǎn)管理機制），解放思想、轉(zhuǎn)變思路，為甘肅劉化渡危求存、轉(zhuǎn)型發(fā)展進程中在技術(shù)創(chuàng)新、人才培養(yǎng)、規(guī)范運作、精細管理等方面打下堅實的基礎(chǔ)。

1 22000m3／h空分裝置及其排液加溫簡況

空分裝置停車時，甘肅劉化原通常采用帶壓（空壓機在線）排液加溫操作，其缺點或不足是，空分裝置上下塔不能同時排液，易發(fā)生竄壓而引發(fā)事故；液體流路排放死角多，容易出現(xiàn)汽化及噴濺現(xiàn)象，排液后要適當靜置使得主空壓機空轉(zhuǎn)而消耗電能，液體噴射器處要有專人看守且不能動火等。近年來，受原料天然氣冬季“限工保民”政策的影響，甘肅劉化組織生產(chǎn)負荷季節(jié)性調(diào)整，其22000m3／h空分裝置與7000 m3／h空分裝置需進行切換，無法實現(xiàn)單套空分裝置的長周期運行。而空分裝置在低溫工況下運行，反復加溫冷凍操作易造成設(shè)備、管線、閥門的泄漏，影響其安全性；通過對空分裝置排液加溫特殊操作過程中風險因素進行辨識等，決定對其排液加溫操作模式進行調(diào)整。

甘肅劉化22000m3／h空分裝置由杭州杭氧股份有限公司設(shè)計制造，采用中壓膨脹空氣進下塔、液氧液氮雙泵內(nèi)壓縮、全精餾無氫制氬工藝（其工藝流程見圖1）。22000m3／h空分裝置自2012年1月8日建成投產(chǎn)以來，在其停車排液加溫吹除操作過程中，甘肅劉化生產(chǎn)部門依托已有的空壓站（空壓站是建廠初期建成投用的，多年來經(jīng)過不斷改造目前只保留原過濾干燥、貯存分配系統(tǒng)，通常作為提供工廠空氣、儀表空氣的附屬裝置，經(jīng)其壓縮的濕空氣后續(xù)經(jīng)過空冷、過濾干燥系統(tǒng)，滿足主生產(chǎn)系統(tǒng)用氣需求）、7000m3／h空分裝置分子篩純化系統(tǒng)提供的加溫吹掃氣源進行22000m3／h空分裝置排液加溫。

圖1 22000m3／h空分裝置工藝流程框圖

空分裝置在冷箱內(nèi)低溫環(huán)境下將空氣液化后，再利用氧、氮的沸點不同將它們予以分離，制取氧、氮、氬產(chǎn)品。同步停車排液加溫操作是空分裝置同步積液調(diào)純啟動操作的逆過程，雖然停車費用不可避免，但是不同排液加溫操作模式產(chǎn)生的費用卻大相徑庭，值得摸索與總結(jié)。通過分析22000m3／h空分裝置主空壓機在線與不在線兩種操作方法在安全停車過程中的應(yīng)用模式，經(jīng)過對裝置停車排液、靜置、加溫吹除等特殊工藝操作環(huán)節(jié)風險因素的辨識，創(chuàng)新管理思路，培育創(chuàng)新思維，制定措施付諸實踐，對標分析實施效果，在空分裝置安全停車、節(jié)約停車費用等方面取得了明顯的成效，具有很強的引領(lǐng)與示范作用。

2 空分裝置排液加溫的原因及分類

正常情況下，空分裝置經(jīng)過長期運行后，在分餾塔系統(tǒng)的低溫容器和管道內(nèi)可能產(chǎn)生冰、干冰或機械粉末的沉積，精餾塔阻力會逐步增大，因此一般空分裝置運轉(zhuǎn)2a后需要對分餾塔系統(tǒng)進行加溫解凍以去除這些沉積物。如果在運轉(zhuǎn)過程中發(fā)現(xiàn)熱交換器阻力和精餾塔阻力增大，導致氣體產(chǎn)量和純度達不到指標要求（此種情況往往與操作維護不當有關(guān)），就要提前對分餾塔系統(tǒng)進行加溫解凍。

空分裝置同步加溫吹除大體可分為原始安裝吹除及裸冷啟動加溫吹除、檢修及技改后加溫吹除、備用機組熱啟動加溫吹除、達到運行周期后加溫吹除、設(shè)備故障狀態(tài)加溫吹除、系統(tǒng)局部處理加溫吹除、低溫液體泵加溫吹除等幾類。加溫吹除過程中，須嚴格控制空分冷箱內(nèi)單元設(shè)備、閥門管線升溫速率在30℃／h以內(nèi)（加溫吹除初期的升溫速率控制在10℃／h左右），使空分冷箱內(nèi)高壓板式換熱器、低壓板式換熱器、氧氮精餾塔、氬精餾塔、過冷器、膨脹機、液體泵（液氧泵、液氮泵、液氬泵）、液體貯槽單元設(shè)備及工藝管線、閥門、絕熱材料珠光砂等通過徹底的加溫吹除恢復至常溫狀態(tài)；加溫結(jié)束后，要用干空氣保持系統(tǒng)處于正壓狀態(tài)，防止外界不純物質(zhì)侵入而形成污染。

3 空分裝置排液加溫的安全規(guī)則

空分裝置排液加溫之本質(zhì)安全（涵蓋運行本質(zhì)安全、設(shè)備本質(zhì)安全、人員本質(zhì)安全、環(huán)境本質(zhì)安全、管理本質(zhì)安全），是將低溫單元設(shè)備、低溫液體特性、氧氮氬介質(zhì)的安全特性融入到裝置加溫吹除實施過程當中，消除風險和危害，預防事故，避免產(chǎn)生嚴重的后果，如此可以使應(yīng)急準備工作更有針對性和實效性。

眾所周知，氧、氮可以以任意比例混合，構(gòu)成不同濃度的氣體混合物及溶液，若把氧、氮溶液置于一封閉容器內(nèi)，在溶液上方也會產(chǎn)生其蒸氣，即為氧、氮蒸氣組成的氣態(tài)混合物?？辗盅b置排液時，附近的空氣中有異常富氧風險、火災風險，冷箱內(nèi)有低溫凍傷的風險，在加溫設(shè)備周邊有氮氣、氬氣窒息的風險，對于分子篩等受限空間存在氮氣漏入的風險，有加溫超壓爆炸的風險、加溫過程中設(shè)備和管線熱脹冷縮拉裂的風險，因此須落實排液加溫操作中的各項安全措施：人員進入現(xiàn)場均須穿戴好勞保用品，如安全帽、防護鞋、耳塞、工作服、防護面罩、安全眼鏡；在使用氮氣加溫時，防止氮氣窒息的危險；加溫設(shè)備所在的密閉空間，如需進人，必須辦理受限空間作業(yè)票證、增設(shè)通風設(shè)備，以防止氮氣富集，作業(yè)過程中須有專人監(jiān)護；要防止高空墜落及低溫凍傷。

4 空分裝置排液加溫操作步驟及注意事項

據(jù)空分裝置操作技術(shù)標準，裝置開車前（不包括臨時停車后的重啟）須進行全系統(tǒng)的吹除，其目的是清除裝置內(nèi)可能存在的灰塵以及水分等雜質(zhì)。熱態(tài)下的全面加溫包括加溫和吹除兩步，而冷態(tài)下的全面加溫由停機→排液→靜置→冷吹加溫→系統(tǒng)吹除等步驟組成。加溫完成標準為加溫氣出口處溫度大于0℃且時間大于2h、露點低于-60℃，當各加溫氣出口溫度基本接近進口溫度時，全系統(tǒng)加溫即告結(jié)束。每一只吹除閥均應(yīng)得到吹除，當所有吹除氣體的出口潔凈且達到露點要求時，即氣體中含水量＜1mg／L時，吹除即告結(jié)束。排液加溫操作中的注意事項如下。

（1）排液加溫前必須做好全面的準備工作及安全防護措施，液體必須排放至排放槽內(nèi)或由蒸氣抽射器引射，不得直接向周邊環(huán)境排放。排液過程中由于排液的次序，存在液體倒灌的風險，因此每一部位排完液后應(yīng)立即將排液閥關(guān)閉，加溫到每一個容器時，要將與容器底部及與容器相連的主管道的低點排放閥打開。

（2）雖然空分裝置已進行了排液，但是主冷凝器、下塔、粗氬冷凝器、高壓板式換熱器氧氮通道、液氧液氮液空兩相流管道等還存有一些死角，死角處積存的液體沒有排出，因此22000 m3／h空分裝置排液后一般需要靜置24h，靜置的目的是將塔盤、填料間的低溫液體盡量從塔底排出、讓塔板上的液體全部汽化，若排液不徹底，加溫空氣進入冷箱后會加速液體汽化，局部壓力瞬間升高，液體大量汽化而致超壓，造成設(shè)備損壞，嚴重時有發(fā)生冷箱物理爆炸的可能；液體排完后需有一個塔器溫度自然回升的過程（不能讓其溫度迅速回升），使材料的應(yīng)力變化不大，與其他管道的溫度同步回升。

（3）加溫時，加溫氣的流向要始終保持從干凈的流路到未被加溫的流路，主換熱器的加溫一定要從熱端到冷端；應(yīng)盡量做到各部分溫度緩慢且均勻回升，以免由于溫差過大形成應(yīng)力而損壞設(shè)備或管道；加溫時，所有的測量、分析等檢測管線也需加溫和吹除；在空分設(shè)備冷備排液后進行全面加溫時，須注意加溫氣量要少、速度要慢，切不可一開始就用大氣量加溫。

（4）單元設(shè)備的加溫按照相應(yīng)操作步驟進行，合理進行各閥門的開關(guān)，杜絕開太平車，使冷箱內(nèi)溫度均勻回升——嚴禁出現(xiàn)大的溫差而造成應(yīng)力過大，繼而損壞管道及設(shè)備；加溫過程中加強檢查，不得遺漏或留有死角（包括任何一個引壓點、分析點），要定期到現(xiàn)場巡檢，防止因塔內(nèi)部件熱膨脹造成管道或部件損壞；加溫過程中，要定時檢測加溫氣出口的露點和溫度，依據(jù)高壓板式換熱器、低壓板式換熱器、氧氮精餾塔、氬精餾塔、過冷器、膨脹機、液體泵、液體貯槽等單元設(shè)備溫度測點判斷設(shè)備的加溫效果。

（5）拆卸全部的分析、引壓點接頭進行吹除工作時，須在這些點的溫度已達0℃以上時方可進行。

（6）排液加溫操作中，要關(guān)注冷箱的情況，特別注意消除冷箱泄漏的風險——泄漏介質(zhì)如果是液氧或氧氣，遇明火、雷電、儀表電源、低壓電源等有極大的風險；低溫液體泄漏會導致冷箱基礎(chǔ)溫度下降，基礎(chǔ)凍壞、冷箱板凍裂；珠光砂可能會從漏點部位進入管線、精餾塔、主冷及換熱器通道內(nèi)部而造成污染和堵塞；泄漏的液體汽化或啟動時吹入熱空氣，會引起冷箱與冷箱內(nèi)設(shè)備、管道夾層壓力急劇上漲而超壓，誤操作也會導致設(shè)備超壓；泄漏介質(zhì)流動夾帶珠光砂，會因氣流擾動而形成“氣鋸”，對附近設(shè)備管道造成沖刷和“氣割”；儀表導壓管泄漏，漏量大會造成儀表指示嚴重失真，危及系統(tǒng)平穩(wěn)運行；液體漏量大而大量汽化，冷箱內(nèi)壓力會升高，嚴重時有引起砂爆的可能——液體能在珠光砂內(nèi)形成“液池”，如果裝置停車后引入空氣加溫重啟，液體會快速蒸發(fā)，致使冷箱損壞。

5 排液加溫節(jié)能模式及可節(jié)約費用測算

22000m3／h空分裝置需要的加溫氣源由空壓機來的空氣經(jīng)空氣預冷系統(tǒng)和分子篩吸附器干燥而成，另外由空壓站供送或7000m3／h空分裝置供應(yīng)。

過去，22000m3／h空分裝置采用空壓機在線的帶壓排液加溫、靜置3～4h實施氣量分步調(diào)整的加溫吹除操作，以便將空分裝置盡早交付檢修或技改工作。近年來，通過對空分裝置排液加溫特殊操作過程中風險因素進行辨識等，排液加溫全過程本著節(jié)約費用、杜絕開太平車的思想，22000m3／h空分裝置多采用空壓機離線的靜壓排液（空分裝置停車前將主塔下塔液體、粗氬Ⅱ塔底部液體全部打入主塔上塔）、靜置24h后實施最小氣量（額定）加溫吹除模式，相較于空壓機在線模式可節(jié)電。

以下對22000m3／h空分裝置空壓機在線的帶壓排液加溫之消耗進行測算（調(diào)整空壓機負荷、加溫吹除氣體流路優(yōu)化、下塔回流閥不同工況的調(diào)整、合理調(diào)配加溫氣量、節(jié)約使用公用物料等節(jié)能舉措取得的效益暫不作統(tǒng)計），以掌握直接費用的發(fā)生情況以及排液加溫節(jié)能模式的費用節(jié)約情況。

5.1 節(jié)約的電費

5.1.1 空壓機系統(tǒng)的電耗

據(jù)電機功率的計算公式P＝1.732×U×I×cos?，計算得空壓機電機功率P1＝1.732×U×I×cos?＝1.732×6000×1340×0.924÷1000＝12866.9587kW、油泵電機功率P2＝18.5kW、排煙風機電機功率P3＝1.1kW，則合計空壓機在線模式下的排液加溫之空壓機系統(tǒng)的功率P空＝P1+ P2+ P3＝12866.9587+18.5+1.1＝12886.56kW。

5.1.2 蒸汽加熱器系統(tǒng)的電耗

1t蒸汽相當于137kg標煤，1kW·h電相當于0.1229kg標煤。分子篩再生系統(tǒng)再生時蒸汽流量Q1＝3.8t／h、分子篩再生系統(tǒng)備用時蒸汽流量Q2＝2.75t／h，即蒸汽加熱器系統(tǒng)的蒸汽消耗Q＝（Q1＋Q2）÷2＝（3.8＋2.75） ÷2＝3.275t／h，折算為蒸汽加熱器系統(tǒng)的功率P蒸＝3.275×（137÷0.1229）＝3650.73kW。

5.1.3 空氣預冷系統(tǒng)的電耗

空氣預冷系統(tǒng)有1臺大泵（功率75kW）、1臺小泵（功率55kW）、1臺冷凍機 （功率71kW），則空氣預冷系統(tǒng)的功率P泵＝P大泵+P小泵+P冷凍機＝75+55+71＝201kW。

5.1.4 儀空系統(tǒng)的電耗

儀空系統(tǒng)電源由UPS供送，電器功率P儀空＝1.732×U×I×cos?＝1.732×228×6×0.9÷1000＝2.13kW。

合計空分裝置采用帶壓（空壓機在線）排液加溫模式消耗的功率P合＝P空＋P蒸＋P泵＋P儀空＝12886.56 ＋3650.73 ＋201 ＋2.13 ＝16740.42kW，按空分裝置排液加溫期間空壓機操作負荷70%、排液加溫時間36h、電價0.43元／（kW·h）計，則22000m3／h空分裝置采用排液加溫節(jié)能模式（空壓機離線）節(jié)約的電費F1＝16740.42×70% ×36×0.43÷10000＝18.14萬元。

5.2 節(jié)約的水費

22000m3／h空分裝置采用帶壓（空壓機在線）排液加溫模式時，主空壓機用水量為1180＋60＝1240m3／h，預冷系統(tǒng)用水量為310＋80＝390m3／h，按排液加溫時間36h、循環(huán)水價格0.25元／m3計，空分裝置采用排液加溫節(jié)能模式（空壓機離線）節(jié)約的水費F2＝（1240＋390）×36×0.25÷10000＝1.467萬元。

5.3 綜合效益

綜上，22000m3／h空分裝置采用排液加溫節(jié)能模式（空壓機離線），相較于采用帶壓（空壓機在線）排液加溫模式，合計可節(jié)約停車費用F＝F1＋F2＝18.14＋1.467＝19.607萬元。

6 結(jié)束語

甘肅劉化在22000m3／h空分裝置排液加溫過程中應(yīng)用不同的操作方法，通過采取一系列的安全節(jié)能措施，合理控制冷箱內(nèi)設(shè)備的關(guān)鍵部位、閥門及管線盲點排液，加快操作速度，達到了空分裝置排液加溫安全控制與節(jié)能降耗的目的，整個排液加溫操作過程符合22000m3／h空分裝置操作標準要求、《深度冷凍法生產(chǎn)氧氣及相關(guān)氣體安全技術(shù)規(guī)程》（GB16912—2016）相關(guān)技術(shù)要求，可為業(yè)內(nèi)提供一些參考與借鑒。