空气循环、双泵内压缩流程 58000 m³/ h 空分设备的分析

    1　58000m³/h空分设备主要性能指标
    根据公司用气要求，3套空分设备需向煤气化装置提供8.2MPa（G，下同）高压氮气用于粉煤输送（煤气化装置开车时使用，正常运行时用二氧化碳输送粉煤）；5.2MPa高压氧气用于气化炉内粉煤的燃烧和硫回收等，017MPa压力氮气用于粉煤干燥及磨煤、低温甲醇洗的气提、各类催化剂的再生及保护等；此外还向公司提供仪表空气（11000m³/h×3）和工厂空气（30000m³/h×3）.因为承担着全公司气体“公用工程岛”的作用，3套58000m3/h空分设备必须安全稳定、长周期运行。
    2　58000m³/h空分设备流程选择
    在空分设备合同签订前，与国内外空分设备制造厂商进行过多次技术交流，曾就各种流程方案进行比较，*终选择氧产品升压方式为内压缩；在氮气增压方式上，借鉴了中国石化两套48000m³/h空分设备的运行经验，并根据公司用氮品种规格不多的特点，*终选择产品氮气也采用内压缩方式，即选择双泵内压缩流程。由于煤气化装置只是在开车阶段使用氮气输送粉煤，正常生产期间则利用低温甲醇洗产生的二氧化碳进行粉煤输送，因此选择了2台氮压机分别提供8.2MPa和5.6MPa2个压力等级的氮气，供煤气化装置开车用，待输送物料切换以后，氮压机就停止运行，而将下塔压力氮气升压至0.7MPa后输入全厂氮气管网。由于中国石化48000m³/h空分设备氮气产品规格有5种，能够实现氮气增压循环与产品输送的有效结合，而这3套58000m³/h空分设备的产品氮气规格在正常运行时只有2种，因此*终确定其流程为空气循环、双泵内压缩流程。
    3　58000m³/h空分设备的流程特点
    （1）采用空气循环膨胀制冷的双泵内压缩流程。氧、氮产品采用内压缩，但在气化装置开车初期，将流量约41000m³/h的中压氮气通过外压缩方式分别升压至5.6MPa和8.2MPa，供煤气化装置开车用。待煤气化装置正常生产后改变工况，将下塔压力氮气通过氮压机升压至0.7MPa后输入氮气管网。双泵内压缩流程的应用，空分设备的安全性大大提高，既取消了氧压机，又保证能大量抽取主冷内液氧，降低了碳氢化合物积聚的可能性，现空分设备正常运行时主冷液氧中的烃类含量仅为1×10-6～3×10-6.
    （2）原设计高压液氧泵采用在线冷备用，若工作泵出故障，备用泵在10秒钟内自动达到工作负荷。但中国石化48000m³/h空分设备实际运行过程中，这种流程设置较难实现备用泵在10秒钟内自启动并达到稳定工作负荷，但人为主动干预备用泵启动可以满足工艺要求。
    （3）精馏塔采用上、下塔平行布置，高度为49m；主冷单独布置，采用浴式结构，全浸式操作，以增加主冷内的循环倍率，避免产生干蒸发导致烃类和氧化亚氮积聚。这种布置形式既降低了冷箱的高度，又保证了主冷的安全运行。
    （4）在流程设计和组织上，吸取了国内近几年引进的大型内压缩流程空分设备和杭氧自身的设计和运行经验，充分考虑到高压内压缩的特点，在空分设备的启动、调节、正常生产和故障停车方面精心设计，如：高压氧气管线设置高压空气充气线；高压差大口径自动阀设置旁通阀；氧气系统增设缓冲罐；优化氧、氮产品输送控制系统等。
    （5）为提高氧、氮提取率，在空分设备上增设提氩增效塔等。
    （6）针对超高压调峰用氮量的不足，增设了2台低温液氮常压贮槽，采用从常压液氮贮槽抽取液氮经高压液氮泵加压、由水浴式汽化器汽化的方式来提供高压氮气。当高压氮气系统压力低于6.5MPa时启动备用高压液氮泵，当高压氮气系统压力高于8.2MPa时停运高压液氮泵。0.7MPa的事故用氮采用低温液氮泵将液氮增压和空冷式汽化器汽化的方式得到。低温液氮泵两路供电，停电情况下可由事故柴油发动机供电。这种产品输送方式，可以满足Shell粉煤气化工艺对氮气峰值的要求，还可以保证在空分设备事故和故障状态下氮气的供应不中断。
    4　空分设备的配置情况
    4.1 空压机组
    空压机与空气增压机由汽轮机拖动，布置紧凑，占地面积小。压缩机采用进口产品，空压机为RIKT140-1+1+1型，流量为361000m³/h；空气增压机为多轴齿轮型、5级压缩，型号为RG5625，进口流量为154950m³/h，一、三级进口有进口导叶控制。汽轮机为双出轴、全凝式，型号为DK080/190R.汽轮机冷凝液系统由杭州汽轮机股份有限公司总成，其中汽轮机乏汽冷凝采用空冷系统，该空冷系统由法国公司提供。整个空压机组采用集中润滑油站供油，由国内公司配套。空压机组还配备了叶轮在线清洗机构，既方便了叶轮的除垢清洗，又提高了机组等温压缩效率，使机组始终保持在高效状态下运行。
    4.2　空气预冷系统
    空气预冷系统采用带水冷塔及氟利昂制冷系统的高效预冷方式，其作用是冷却和洗涤原料空气。空冷塔处理气量为361000m³/h，水冷塔主要利用污氮气的不饱和吸湿性，降低冷却水的温度，从而降低氟利昂制冷系统的制冷量。空冷塔和水冷塔均采用散堆填料，效率高，操作弹性大，其中空冷塔下段采用不锈钢DC环加耐温性、增强性散堆填料。由于内蒙古多伦地区年平均温度较低（214℃），在夏季，氟利昂制冷系统不投入运行，对空分设备满负荷运行影响不大。
    4.3　分子筛纯化系统
    分子筛纯化系统采用双层床净化技术，即活性氧化铝加13X型分子筛，底层的氧化铝层可有效保护分子筛，延长其使用寿命。另外，双层床结构使再生阻力下降、再生温度降低，节约了再生加热蒸汽。切换系统采用无冲击切换技术。分子筛纯化系统采用长周期4小时设计，减少了切换损失，延长了切换阀的使用寿命。分子筛纯化系统自投产以来已连续稳定运行至今，相比中国石化的2套48000m³/h空分设备，这3套58000m³/h空分设备的分子筛纯化系统的性能已大大提升。
    4.4　膨胀机系统
    增压透平膨胀机的增压端将210MPa的氮气增压至2.9MPa后送入冷箱，冷却后的氮气再进入膨胀端膨胀，膨胀后的气体去下塔参与精馏。该膨胀机膨胀端效率达87.5%，增压端增压效率达81%，膨胀机出口允许一定的带液量。膨胀机系统只设置1台机组，另外采购了1套机芯总成以便膨胀机事故状态的抢修。
    4.5　精馏及换热系统
    主换热器采用杭氧生产的低压板翅式换热器，共10台；高压板翅式换热器采用美国公司的产品，共3台。下塔采用杭氧制造的铝制四溢流筛板塔，上塔为填料塔，为了保证空分设备性能，上、下塔分开并行布置；主冷为卧式主冷，放置在冷箱的32m外；6台低温液体泵全部采用进口产品。
    4.6　控制系统
    58000m³/h空分设备的控制系统采用DCS集散控制系统，汽轮机升速控制采用TSC系统。空压机组采用ITCC系统控制，实现对生产的有效控制和安全联锁保护，机组的轴振动、轴位移、转速的安全保护功能均在ITCC系统内完成。空分设备在线分析取样点有16个，有8条主分析回路，在线分析仪表设在现场分析室，检测出的4～20mA信号输入DCS控制系统，实现显示、报警、联锁等控制。
    5　试车和运行情况
    下面以2#空分设备为例介绍设备试车情况。
    5.1　空压机组试车
    2008年11月23日至2009年3月14日，期间经历了汽轮机单体试车、汽轮机与空压机联动试车、汽轮机与空压机、空气增压机联动试车3个阶段。这段时间较长的原因：一方面是多伦地区每年12月至来年2月的气温太低，试车防冻工作难度大；另一方面是存在很多技术与施工方面的问题。
    如：热力管线因应力问题整改时间较长；机组自带的TSC控制系统与ITCC系统之间的接口通信不畅；压缩机制造公司提供的升速曲线存在问题；1#空气增压机二级叶轮有一块因钎焊内部应力未消除而脱落；汽轮机空冷系统冬季管线因冻裂而泄漏，真空度满足不了开车要求等等。
    通过空压机组的联动试车达到了以下效果：①打通了与空压机相关系统的流程；②检验了设计、安装和设备自身存在的问题；③锻炼了队伍，取得大机组操作的经验。
    5.2　空分设备裸冷试车
    2009年4月4日至8日进行空分设备裸冷试车，期间没有出现异常情况，只是流量计孔板垫片出现外漏，但由于多伦地区气候干燥，结霜情况不明显。后来通过对冷箱内部适当加湿，达到了冷箱内所有管线和容器均匀结霜的效果。裸冷试车时只发现了1处低温液体排放管线有焊缝泄漏现象。
    5.3　空分设备联动试车
    2009年7月26日至31日，对2#空分设备进行联动试车。这次试车非常顺利，只是因为上塔产生的工艺液氧排放的次数不够多，出现了工艺液氧泵泵前过滤器反复堵塞现象，影响调纯进度；而且出现了由于工艺液氧泵切换频繁而来不及清除滤网的现象。3#空分设备调试时吸取了教训，将上塔先出现的工艺液氧反复排放数次，效果非常好。另外，由于工艺液氧泵进泵管线的管径大，预冷一定要充分，否则影响正常出口压力。3#58000m3/h空分设备于7月31日17：00生产出合格产品。
    5.4　运行情况
    在下塔抽取大量压力氮及制氩系统不投运的情况下，58000m³/h空分设备的氧提取率在96.1%～99.7%之间。　整改情况在空分设备安装过程中进行过大小整改项目30多项，在单试、裸冷、联动试车和运行过程中进行了一些微改。
    （1）增设仪表空压机气源。原设计开车仪表气源来自动力分厂，但动力分厂提供的气源由于含有微量油根本不能用。新增了2台无油螺杆压缩机，以满足空压机组启动过程中空气增压机入口气源压力要求等。
    （2）液氮泵密封气气源问题。常压液氮贮槽的液氮泵由于进口压力低，采用通常的空气仪表气源作为密封气时会使贮槽内液氮纯度下降，改用低压氮气作为密封气源后纯度下降趋势明显见缓；另外，备用泵的冷备方式也可以不采用惰转方式，避免回流产生的热量对贮槽液氮质量的影响。
    （3）伴热管线的整改。由于工程设计院对高寒地带的防冻设计经验不足，伴热管线管径过小，在空压机的单独试车过程中就出现过伴热管线冻堵现象。后来将管径加粗，避免了冻堵现象的发生。
    6　存在的问题
    （1）自洁式过滤器位置和汽轮机空冷器位置设置不合理。由于汽轮机空冷器由10台风扇强制通风，使自洁式过滤器常年处于负压区运行，影响了空压机吸入口压力的稳定，增加了机组运行功耗。
    （2）高、中压蒸汽管线疏水排放口位置不合理。由于多伦地处高寒地带，疏水排放的蒸汽在寒冷季节会被自洁式过滤器吸入，产生大量的雪霜，增加了吸入口的阻力，对机组安全运行不利。
    （3）由于多伦地区常年低温，防冻保温工作异常艰难。而工程设计院对北方严寒条件下的防冻措施考虑不周全，普遍出现管线冻堵、冻裂现象，经过2009年夏季的整改，情况有所好转。但这方面的经验还有待摸索。
    （4）前几轮试车过程中均发现空气增压机五段出口、膨胀机增压端出口安全阀未到整定压力就起跳，分析后认为可能是管线振动造成的。今后将查明原因消除管线振动，使增压机五段出口、膨胀机增压端出口压力提高至设计压力，保证后续系统的正常运行。
    7　结束语
    58000m³/h空分设备是目前国内首套国产化*大规模、双泵内压缩流程、顺利运行的空分设备，属于国家煤基烯烃示范性工程的一部分。合理的流程组织和设计决定了这套空分设备的先进性能；杭氧制造的优质设备和施工单位提供的优良安装是保证这套空分设备先进性能如期实现的基础；高水平的操作调试使先进性能成为现实。3套58000m³/h空分设备一次开车成功，所提供的产品完全能满足后续装置的各项技术要求，显示了杭氧的设计、制造实力，也为国产化大型空分设备在石油、石化、煤化工等领域的应用打下坚实基础。