50000m3h空分设备国产化应用及技术研究

50000m3/h空分设备国产化应用及技术研究马忠新曹刚辽宁省本溪北营钢铁集团股份有限公司制氧厂117000摘要：50000m3/h空分设备是我国自行设计和制造的第一台五万等级的空分设备，填补了国内空分设备制造行业的一项空白，但是投产后氧气产量只能达到44000m3/h、氮气产量达到56000m3/h，不能达到预期设计指标。本文对50000m3/h空分设备实现设备国产化以及使50000m3/h空分设备投产后氧气产量由44000m3/h达到50000m3/h、氮气产量由56000m3/h达到60000m3/h，从而使50000m3/h空分设备达到了设计要求而取得的理论技术研究成果进行了详细论述，为我国研究、设计五万等级以上的大型空分设备起到了重大作用。关键词：50000m3/h空分设备国产化技术研究1.概述50000m3/h空分设备是经辽宁省批准进行的“1830化肥工程”项目的一个分项目，一期工程为北台钢铁集团钢铁项目提供能源气体，二期工程为1830化工项目服务。50000m3/h空分设备是我国自行设计和制造的第一台五万等级的空分设备，填补了国内空分设备制造行业的一项空白。50000m3/h空分设备原是70年代由林德公司为南非化工厂设计制造的40000m3/h空分设备，该化工厂设备被北台钢铁集团收购，用于建设“1830”化工项目。本溪北台钢铁集团根据化工项目和钢铁项目所需氧气情况，在充分利用设备资源和节省建设资金基础上，同时还了解到国内未能制造五万等级空分设备的情况下，主动找到杭氧集团，请杭氧集团将40000m3/h制氧机帮助设计和配套制造50000m3/h空分设备。2004年6月，50000m3/h空分设备半负荷投产，设备运行良好。在2005年二期工程完毕后，对50000m3/h空分设备全负荷调试过程中，机后压力达到杭氧提供的0.56MPa设计参数，按照杭氧提供的其它参数进行工况调节，工况波动较大，氧气产量只能达到44000m3/h，没有达到预期设计效果。为此，北营钢铁（集团）股份有限公司制氧厂组织技术人员进行技术攻关，通过查找技术资料，在空压机机后压力实际可达到的数值的基础上对50000m3/h空分设备进行技术研究，并通过实际设备操作来验证，使50000m3/h空分设备氧气产量由原来44000m3/h达到50000m3/h，氮气产量由原来56000m3/h达到60000m3/h，从而使50000m3/h空分设备达产达到了设计要求。2.国内外技术背景众所周知，钢铁企业生产离不开氧、氮、氩三种气体，因此空分设备对钢铁企业来说具有重要的影响作用。位居钢铁行业老大的宝钢拥有三台30000m3/h、一台60000m3/h、一台72000m3/h的空分设备，全部为进口设备，其中60000m3/h为德国林德公司制造，72000m3/h为美国APCI公司制造，武钢有一台60000m3/h为德国林德公司制造，鞍钢的35000m3/h空分设备也是美国APCI公司制造，马钢的35000m3/h空分设备为法液空公司制造。所有国内大型钢铁公司的空分设备就连10000m3/h空分设备也都大部分为进口设备。因此50000m3/h空分设备的成功开发和调试生产正常对我国空分设备的发展具有重大意义。3.50000m3/h空分设备主体设备（1）冷箱：上、下塔，粗氩塔、精氩塔均为填料塔，由杭氧制造。另配低温离心式液氧循环泵（2台）、粗氩循环泵（2台），制造单位为法国低温星。（2）空气透平压缩机：Tkd211/5.1，配有振动、位移、温度、油压安全联锁装置。流量144000m3/h，电机功率16500kw。（3）氧气透平压缩机：2TYS100+2TYS76型，配有振动、位移、温度、油压等安全联锁装置。流量25000m3/h，电机功率为4800kw，由杭氧集团制造。（4）氮气透平压缩机：2MCL605+2MCL405(H451)型，配有振动、位移、温度、油压等安全联锁装置。流量30000m3/h，电机功率5500kw，由沈鼓集团制造。（5）分子筛纯化器：立式径向双层床，外层为活性氧化铝，内层为分子筛；吸附周期为3小时，为南非利旧设备，法液空制造。（6）增压透平膨胀机：喷嘴可调型，配有振动、转速、温度等安全联锁装置。转速15000r/min，杭氧集团制造。(7)仪控系统：DCS集散控制系统，由日本山武公司提供。4.工业流程的完善及利旧设备的国产化空分设备是否能长期安全稳定运转取决的因素很多，其中有三大关键因素：设备本体质量及安装质量、调试质量、投产后的设备操作及维护质量。只有这三方面的紧密结合，才能保证装置的顺产。4.11#空压机油路系统的改进50000m3/h空分设备的1#空压机为南非利旧设备，油路系统的油泵电机为550v的电压，与国内电压等级不同，为了简化高低压设备的电压等级，对油泵进行了改造，全部更换380v电压的电机，同时由于该油站设备无法采集备件，对设备生产形成了瓶颈影响，而且经常超压影响设备运转，因此对设备管路也进行了重新设计，使该油站实现了国产化。4.2将氨冷冷冻机改为活塞式冷冻机50000m3/h空分设备的冷水机组原为由南非引进的氨冷和大连生产的螺杆式冷冻机两台，由于氨冷冷冻机使用液体氨对环境影响大，同时电压为3300v，能耗大，为了做到既环保又节能，通过对新建活塞式冷冻机项目的可行性分析，决定将氨冷冷冻机废弃，新上三台活塞式冷冻机以满足生产，通过一段时间的运行取得了较好的效果。4.3纯化器系统的改进在50000m3/h空分设备全负荷调试过程中，在2#纯化器吸附末期空气中二氧化碳含量超高，造成50000m3/h制氧机每半年就得停产加温吹扫，给生产带来极大影响。制氧厂技术人员对纯化器内部结构进行仔细分析，认为内部分子筛和氧化铝装填数量和方法有问题，并通过割开底部放出少量分子筛来验证，结果在底部排出陈旧的分子筛，于是决定停产更换纯化器内的分子筛和氧化铝，经过紧张的检修，分子筛和氧化铝排放完毕后发现内部白钢网破损，对白钢网进行处理后，采用新的装填方法进行重新装填，解决了2#纯化器吸附末期空气中二氧化碳含量超高的问题，稳定了生产。5.工艺技术研究及创新点通过技术人员和生产操作人员对50000m3/h空分设备理论流程的推算，在通过实际操作调节，最终改变了下塔底部压力、下塔阻力、空气流量等关键参数，使50000m3/h空分设备达产。5.1控制参数对比（1）压力名称设计值改变的参数下塔底部压力510~520KPa(G)486.2KPa(G)（2）阻力名称设计值改变的参数下塔阻力7.845KPa4.2KPa（3）流量名称设计值（全负荷）改变的参数膨胀空气进上塔流量38000m3/h46366m3/h5.2技术研究主要性能参数：a.产品产量及纯度氧气纯度：＝99.6%氮气纯度：＝99.99%氧气产量：＝50000液氧产量：＝2000（气态）氮气产量：＝60000液氮产量：＝2400（气态）氧氮产量之比：Ｏ2：Ｎ2＝1：1.2b.温度及温差空气进主换热器温度T1＝293空气出主换热气温度T2＝101（该点压力下的饱和温度）主换热器热端与冷端温差空气与污氮ΔT1-7＝2空气与氮气ΔT1-5＝8空气与氧气ΔT1-3＝2空气与污氮ΔT2-8＝3空气与氮气ΔT2-6＝3空气与氧气ΔT2-4＝3冷凝蒸发器温差ΔT主冷＝1.6c.跑冷损失及冷损分配总跑冷损失q总＝3主冷跑冷损失q主冷＝1.56主换热器跑冷损失q主换＝1.44d.阻力及压力主换热器正流空气阻力ΔＰ1－2＝24污氮通过主换热器阻力ΔＰ11－7＝32氧气通过主换热器阻力ΔＰ3－4＝22氮气通过主换热器阻力ΔＰ10－5＝37上塔阻力ΔＰ上塔＝5.7下塔阻力ΔＰ下塔＝4.2分子筛吸附器阻力ΔＰ分子筛＝4.5空气冷却塔阻力ΔＰ空冷塔＝15氮气输出压力Ｐ氮气＝110kpa氧气输出压力Ｐ氧气＝165kpa污氮输出压力Ｐ污氮＝115kpa物流损失ΔV＝0.5%e.机器效率空压机等温效率＝0.7空压机机械效率＝0.98透平膨胀机效率＝0.85f.液氧蒸发器单元高度＝2g.冷凝蒸发器液氧液面高度＝2.8计算各主要状态点参数a.上塔顶部压力P11＝P7+ΔＰ11－7＝115+32＝147b.上塔底部压力P12＝P11+ΔＰ上塔=147+5.7＝152.7c.冷凝蒸发器液氧面温度根据P12＝152.7，＝99.6%查氧氮混合物的图得Ｔ12＝94.5d.冷凝蒸发器底部液氧温度液氧液面高度＝2.8液氧平均密度[6]液氧底部压力P13＝P12+ρo2Ho2×10－4×98.0665＝152.7+1140×2.8×10－4×98.0665＝184KPa根据P13=184kpa＝99.6%查氧氮混合物的图得Ｔ13＝95.5Ｋe.冷凝蒸发器中的液氧平均温度Ｔ平均＝（Ｔ12+T13）×1/2＝（94.5+95.5）×1/2=95Kf.下塔顶部氮气冷凝温度g.冷凝蒸发器温差ΔT主冷＝1.6h.氮气的冷凝温度TＮ2＝Ｔ平均+ΔT主冷=95+1.6=96.6Ｋi.下塔顶部压力根据TＮ2=96.6Ｋ＝99.99%查氧氮混合物的图得Ｐ14＝582KPaj.下塔底部压力Ｐ2=Ｐ14+ΔＰ下塔＝582+4.2＝586.2KPak.空压机压缩空气的排出压力Ｐ排＝Ｐ2+ΔＰ1－2+ΔＰ分子筛+ΔＰ空冷塔＝586.2+24+4.5+15＝629.7KPa单位氧产量单位氮产量ＶＮ2总＝1.2ＶＯ2总＝1.2×0.194＝0.2328m3/m3A单位氧气产量及液氧产量vo2=Vo2总×50000/50000+2000=0.1865m3/m3AvLo＝Vo2总×2000/50000+2000＝0.0075m3/m3A单位氮气产量及液氮产量ｖＮ２＝1.2vo2＝1.2×0.1865＝0.2238m3/m3AｖＬＮ＝1.2vLo＝1.2×0.0075＝0.009m3/m3A污氮的产量ｖＷＮ＝1－ＶＮ2总－Vo2总＝1－0.2328－0.194＝0.5732m3/m3A污氮的纯度＝（(1-0.194)×98－0.2328×99.99）/0.5732＝97.2较核:ＹＮ2＝Vo2总ｙＮ2Ｏ+ＶＮ2总yN2N+ｖＷＮyN2WN＝0.194×0.4+0.2328×99.99+0.5732×97.2＝79.1它与空气中的氮含量相符，故计算结果无误。透平膨胀机的状态参数进增压机的压力Ｐ进＝Ｐ排－ΔＰ分子筛－ΔＰ空冷塔＝629.7－4.5－15＝610.2膨胀后的压力Ｐ16＝153KPa试凑求膨胀量（根据林德公式能量单位用）根据经验由林德公式[4]—进膨胀机前压力—进增压机前压力—膨胀机产生的冷量—增压机的流量经试算取=890.9KPa根据P９＝890.9KPaT9=153K查空气的T-S图得h9=4350kJ/kmol因为膨胀过程是等熵过程，由膨胀机出口压力P16=153KPa，查空气的T-S图,得h16理论=2400kJ/Kmol，所以理论焓降为Δh理论＝4350－2400＝1950kJ/Kmol因为膨胀效率为85％所以实际焓降为Δh实际＝1950×85％＝1657.5kJ/Kmol则膨胀后的焓值为h16=h9－Δh实际＝4350－1657.5＝2692.5kJ/Kmol由h16=2692.5Ｐ16＝153KPa查空气的T-S图,得T16=98K由Ｐ16＝153KPa查空气的T-S图,得到在Ｐ16状态下的饱和温度是83Ｋ则膨胀后过热度为ΔＴ过热＝98－83＝15Ｋ由以上计算可得出膨胀机产冷量为1657.5ＶＰＫ等温节流效应ΔＨＴ＝ＭＣＰ（a0-b0P）(273/T)2(P-P0)=28.95×1.015×(2.73×10－3－0.0895×10－６×629.7)×(273/293)2×(629.7-110)=29.3843×0.0026×0.8681×519.7＝34.4676kJ/Kmol总跑冷损失Ｑ总＝22.4ＶＫq总=22.4×1×3＝67.2kJ/Kmol液体产品带走冷量ＱＬＯ＝22.4(Vo2ρo2Cpo2ΔTo2+VLO2ρLO2rLO2)=22.4(0.0075×1