KDON-3750Y/8000型空分裝置深度變負(fù)荷調(diào)節(jié)的探析與實(shí)踐

韓御榮,溫國(guó)民

·工藝與設(shè)備·

KDON-3750Y/8000型空分裝置深度變負(fù)荷調(diào)節(jié)的探析與實(shí)踐

韓御榮,溫國(guó)民

(中國(guó)石油 大連石化公司 空分車間，遼寧 大連 甘井子 116031)

對(duì)循環(huán)氮?dú)鈮嚎s機(jī)級(jí)間冷卻器更換，為高、低溫膨脹機(jī)設(shè)置了平衡管線，消除了KDON-3750Y/8000空分裝置開(kāi)工后出現(xiàn)的多個(gè)生產(chǎn)瓶頸，使單體設(shè)備性能及相互間的匹配均提高到一個(gè)較好的水平，根據(jù)公司用氮?dú)饬吭?500～9000 Nm3/h的特殊變況，對(duì)裝置進(jìn)行了深度變負(fù)荷調(diào)整的探析，取得了顯著的成效。

空分；變負(fù)荷；循環(huán)氮?dú)鈮嚎s機(jī)；膨脹機(jī)；冷量

1 前 言

KDON-3750Y/8000型空分裝置是開(kāi)封坤源空分設(shè)備公司設(shè)計(jì)制造的，屬于改型內(nèi)壓縮流程，工藝比較新穎，為雙級(jí)雙高精餾塔，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為氮?dú)?000 Nm3/h，液氧3000 Nm3/h，液氮640 Nm3/h。作為大連石化2000萬(wàn)t/a原油加工項(xiàng)目的配套系統(tǒng)，2008年6月4日KDON-3750Y/8000型空分裝置一次開(kāi)車成功，由于早前車間的4套小型空分裝置均為單高氮?dú)馑?，在雙高塔的操作上面尚屬于摸索階段，而煉油裝置開(kāi)工初期，用氮量較大，設(shè)計(jì)能力為8000 Nm3/h的裝置氮?dú)獬鏊恳欢冗_(dá)到9000 Nm3/h以上，基于操作經(jīng)驗(yàn)不足，產(chǎn)品純度僅能維持1～2 h，隨著煉油裝置的開(kāi)工穩(wěn)定，氮?dú)猱a(chǎn)量維持在8000 Nm3/h進(jìn)行操作。而后循環(huán)氮?dú)鈮嚎s機(jī)換熱器換熱效果差及高、低溫膨脹機(jī)葉輪背壓高引起膨脹機(jī)聯(lián)鎖停機(jī)問(wèn)題的出現(xiàn)，使KDON-3750Y/8000型空分裝置操作陷入了困境，

氮?dú)庥昧恳坏┌l(fā)生變化，空分裝置操作跟蹤不及時(shí)就會(huì)造成產(chǎn)品純度不合格。當(dāng)?shù)獨(dú)庥昧啃∮?000 Nm3/h的時(shí)候，就要將多余的氮?dú)馀欧?，造成極大的浪費(fèi)，當(dāng)?shù)獨(dú)庥昧看笥?000 Nm3/h的時(shí)候，就要液氮?dú)饣a(bǔ)充管網(wǎng)，操作風(fēng)險(xiǎn)極大。2009年6月9日，對(duì)膨脹機(jī)背壓?jiǎn)栴}通過(guò)設(shè)置平衡管回收冷量解決。2013年3月1日和8月1日分別對(duì)循環(huán)氮?dú)鈮嚎s機(jī)2、3級(jí)冷卻器進(jìn)行了國(guó)產(chǎn)化更換，由銅管鋁翅片改為銅管銅翅片，換熱系數(shù)提高。經(jīng)過(guò)改進(jìn)，裝置的冷損大幅度降低，冷量充足，操作彈性加大，受氮?dú)庥昧孔兓挠绊懨黠@減小。車間開(kāi)始對(duì)裝置的深度變負(fù)荷操作進(jìn)行探析，以滿足公司用氮量變化的需求。

2 KDON-3750Y/8000空分工藝簡(jiǎn)述

新建空分采用的工藝路線是內(nèi)壓縮流程的一種改型，與車間原有裝置相比較，增加了空氣冷卻塔、循環(huán)氮壓機(jī)，此外，兩臺(tái)膨脹機(jī)串聯(lián)工作，操作比較復(fù)雜(見(jiàn)圖1)。

原料空氣經(jīng)自潔式過(guò)濾器去除灰塵和機(jī)械，在離心式空壓機(jī)組內(nèi)壓縮至0.85 MPa(G)，經(jīng)空氣冷卻塔被常溫水及由冷凍機(jī)組提供的冷凍水所冷卻、洗滌，被冷卻至10℃?？諝庵欣淠环蛛x后，進(jìn)入分子篩吸附器，以吸附清除H2O、C2H2和CO2。分子篩吸附器兩臺(tái)交替使用，一臺(tái)使用另一臺(tái)再生，再生氣是分餾塔來(lái)的污氮?dú)狻?/p>

被凈化的空氣經(jīng)主換熱器E2與返流的污氮、氧、氮進(jìn)行熱交換，冷卻后少部分液化。氣、液混合的空氣進(jìn)入下塔精餾，在塔頂?shù)玫?9.999%的氮?dú)猱a(chǎn)品。氮?dú)庖徊糠謴?fù)熱后送管網(wǎng)，一部分進(jìn)入主冷，被上塔的液氧蒸發(fā)冷凝為液氮。從主冷出來(lái)的液氮一部分回下塔作為回流液，另一部分經(jīng)過(guò)冷后分兩路，一路節(jié)流后進(jìn)上塔頂部噴淋，一路去儲(chǔ)槽。下塔是38% O2的富氧液空，經(jīng)過(guò)冷后進(jìn)入上塔中部參加精餾。

上塔塔頂引出的氮?dú)夂团c來(lái)自主換熱器E1的兩路膨脹后氮?dú)饣旌线M(jìn)入循環(huán)氮?dú)鈮嚎s機(jī)。氮壓機(jī)出口分別去高溫膨脹機(jī)的增壓端和膨脹端。從高溫增壓端出來(lái)的氮?dú)庠俳?jīng)低溫增壓端壓縮，然后經(jīng)E1一部分中抽去低溫膨脹端，一部分被液化送至下塔做回流液。

圖1 裝置流程簡(jiǎn)圖Fig.1 Brief workflow of the unit

3 變負(fù)荷調(diào)整理論分析與實(shí)際操作

3.1 要有足夠的冷量

3.1.1 冷量及影響冷量的因素

空分裝置的冷量主要來(lái)源于膨脹機(jī)，少量通過(guò)節(jié)流閥獲得。而膨脹機(jī)制冷量的大小與哪些因素有關(guān)[1]。

膨脹機(jī)總制冷量Qp(kJ/h)與膨脹量V(Nm3/h)、單位制冷量Δh(kJ/kmol)有關(guān)：

Qp=VΔh/22.4=V·Δht·ηp/22.4

式中，單位制冷量Δh等于單位理論制冷量Δht與膨脹機(jī)效率ηp的乘積。而單位理論制冷量取決于膨脹前的壓力、溫度和膨脹后的壓力。因此，膨脹機(jī)的制冷量與各因素的關(guān)系為：

1.膨脹量越大，總制冷量也越大。

2.進(jìn)出口壓力一定時(shí)，機(jī)前溫度越高，單位制冷量越大。

3.當(dāng)機(jī)前溫度和機(jī)后壓力一定時(shí)，機(jī)前壓力越高，單位制冷量越大。

4.膨脹機(jī)后壓力越低，膨脹機(jī)內(nèi)的壓降越大，單位制冷量越大。

5.膨脹機(jī)絕熱效率越高，制冷量越大。

3.1.2 提高冷量的操作方法

3.1.2.1 提高膨脹機(jī)的膨脹量

根據(jù)膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速ST409yA、ST409yB，逐漸開(kāi)大膨脹機(jī)噴嘴，先開(kāi)低溫后開(kāi)高溫，觀察兩臺(tái)膨脹機(jī)對(duì)應(yīng)的膨脹量FI-440、FI-441，同時(shí)應(yīng)關(guān)注低溫膨脹機(jī)后的溫度TI-444,不得低于-189℃。

3.1.2.2 提高膨脹機(jī)機(jī)前壓力

開(kāi)大膨脹機(jī)噴嘴，提高FI-440、FI-441，在循環(huán)氮?dú)鈮嚎s機(jī)出口壓力PT-1002設(shè)定值(≯1.6 MPa)和機(jī)前壓力PIC-104設(shè)定值(≯0.094 MPa)不變的情況下，由于循環(huán)氮?dú)鈮嚎s機(jī)機(jī)前3路氮?dú)饪偭吭黾?，?shì)必造成PIC-104壓力升高，V-113自動(dòng)排空。此時(shí)，需要提高循環(huán)氮?dú)鈮嚎s機(jī)的出口壓力設(shè)定值，這就間接的提高了膨脹機(jī)的機(jī)前壓力，如果吸入氮?dú)饬坎蛔?，可通過(guò)開(kāi)大V-112進(jìn)行補(bǔ)充，操作重點(diǎn)是保證PIC-104壓力穩(wěn)定且V-113沒(méi)有排空。這樣，在機(jī)后壓力一定時(shí)，機(jī)前壓力提高，膨脹量制冷量加大。通過(guò)膨脹機(jī)噴嘴、PT-1002和V-112的配合調(diào)整，將PT-1002壓力穩(wěn)定在1.58 MPa，此時(shí)的高溫膨脹機(jī)機(jī)前壓力應(yīng)在1.5 MPa，低溫膨脹機(jī)機(jī)前壓力在2.5 MPa，機(jī)后壓力均在0.12 MPa。

3.1.2.3 提高膨脹機(jī)等熵效率

2009年，對(duì)膨脹機(jī)背壓?jiǎn)栴}通過(guò)設(shè)置平衡管回收冷量解決，減少無(wú)用功，使得兩臺(tái)膨脹機(jī)的效率都有了提高，尤其是低溫膨脹機(jī)的效率，從83.9%提高到了88.4%。

3.1.2.4 冷量估算

表1 DCS運(yùn)行數(shù)據(jù)Table 1 Operating datas from DCS

表2 高溫膨脹機(jī)單位制冷量Table 2 Cold of high temperature expander

表3 低溫膨脹機(jī)單位制冷量Table 3 Cold of low emperature expander

總的制冷量為：9640 Nm3×18.26 kcal/Sm3+ 13400 Nm3×18.52 kcal/Sm3=424146 Nm3·kcal/Sm3；

單位液氧(-177℃，0.135 MPa)攜帶冷量約為122.2 kcal/Sm3；單位液氮(-174℃，0.620 MPa)攜帶冷量約為103.8 kcal/Sm3。

如液氧產(chǎn)量為2200 Nm3/h；則液氮產(chǎn)量約為 (424146-2200×122.2)/103.8 =1495 Nm3/h。單位液氧帶走的冷量約為液氮的1.18倍，液氧液氮可以相互轉(zhuǎn)換，如液氧減少100 Nm3/h，液氮可增加118 Nm3/h。

膨脹機(jī)的入口溫度對(duì)單位制冷量影響顯著，如果其他數(shù)據(jù)不變，僅高溫膨脹機(jī)入口溫度提高3℃，則高溫膨脹機(jī)的單位制冷量將變?yōu)?9.23 kcal/Sm3，液氮的產(chǎn)量將多增加90 Nm3/h。

因此，實(shí)際操作中，在保持機(jī)前機(jī)后的壓力前提下，應(yīng)盡可能提高機(jī)前溫度。

3.1.3 冷量在板換中的合理分配

KDON-3750Y/8000型空分裝置中需要重點(diǎn)關(guān)注的是兩臺(tái)板式換熱器E1和E2，出塔氮?dú)夥譃閮陕?，一路通過(guò)低壓板換E2復(fù)熱出去，流量由V-102閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，另一路通過(guò)高壓板換E1復(fù)熱出去，流量由V-106閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，生產(chǎn)過(guò)程中，需要根據(jù)氮?dú)庥昧康淖兓?，及時(shí)調(diào)整2個(gè)閥門(mén)，確保2路氮?dú)獬浞謴?fù)熱，將冷量傳給返流介質(zhì)，防止其中一路溫度過(guò)低而增加冷損，出板換后的溫度應(yīng)在零上，防止碳鋼管線低溫脆裂。

3.1.4 上下塔冷量的平衡

控制好上塔液氮回流閥V-2閥和下塔液空返上塔閥V-1閥，保持上、下塔阻穩(wěn)定，使上、下塔冷量平衡。V-1閥開(kāi)度增大(其他條件不變)，上塔阻力升高、液位上升，下塔阻力、液位下降；反之，則上塔阻力、液位下降，下塔阻力、液位升高，因此V-1閥、V-2閥的調(diào)節(jié)是相互配合的。V-1閥自動(dòng)狀態(tài)調(diào)整時(shí)，V-2閥門(mén)的調(diào)整需要緩慢，建議調(diào)整速度每0.5 h不超過(guò)0.5%。同時(shí)應(yīng)時(shí)刻關(guān)注V-1閥的開(kāi)度及自動(dòng)狀態(tài)下閥門(mén)的開(kāi)關(guān)速度。

3.1.5 注意物料平衡

上塔抽出的純氮?dú)饨?jīng)液空過(guò)冷器E3、E2回收冷量復(fù)熱后，經(jīng)氮壓機(jī)加壓至1.58 MPa，出口分兩路，一路去膨脹機(jī)膨脹端膨脹產(chǎn)冷，一路去膨脹機(jī)壓縮端加壓后經(jīng)E1換熱，再經(jīng)V-6閥節(jié)流過(guò)冷后進(jìn)入下塔頂部作為下塔回流。再由下塔頂抽出氮?dú)饣厥绽淞繌?fù)熱后作為產(chǎn)品，因此要嚴(yán)格控制上塔頂抽出的循環(huán)氮?dú)夂拖滤敵槌龅漠a(chǎn)品氮?dú)獗３忠恢拢瑫r(shí)要保證入塔空氣量能滿足要求，確保裝置的物料平衡。

3.2 要有可調(diào)范圍較大的空壓機(jī)

KDON-3750Y/8000型空分裝置設(shè)計(jì)的空壓機(jī)處理量為17 500 Nm3/h，而實(shí)際的空壓機(jī)額定處理量為21 000 Nm3/h，由于該裝置制冷能力大，21 000 Nm3/h的空氣能夠全部“吃”進(jìn)來(lái)，此外還可以根據(jù)氮?dú)庥昧壳闆r，在空壓機(jī)喘振曲線允許的范圍內(nèi)，通過(guò)調(diào)整空壓機(jī)的電流設(shè)定值，使其在75%～100%的范圍內(nèi)運(yùn)行，以滿足精餾塔變負(fù)荷操作的需求。

4 變負(fù)荷調(diào)整的成效

通過(guò)上述方法控制和調(diào)節(jié)，控制效果如下：

1.氮?dú)猱a(chǎn)量原來(lái)最大產(chǎn)量8000 Nm3/h(純度不穩(wěn)定)?，F(xiàn)在的氮?dú)猱a(chǎn)量可根據(jù)廠內(nèi)用氮量的大小隨時(shí)調(diào)整，最低可達(dá)6500 Nm3/h，最高可達(dá)9000 Nm3/h，且純度穩(wěn)定。

2.液氮產(chǎn)量原來(lái)最大產(chǎn)量600 Nm3/h，現(xiàn)在最少可以不出，最高可產(chǎn)1800 Nm3/h，且純度穩(wěn)定。

3.液氧產(chǎn)量原來(lái)最大產(chǎn)量2600 Nm3/h，現(xiàn)在根據(jù)生產(chǎn)需要，最少達(dá)2200 Nm3/h，最大達(dá)3500 Nm3/h，且純度穩(wěn)定。

5 開(kāi)停工過(guò)程中操作注意事項(xiàng)

5.1 停工

下塔吹除適用V-106的時(shí)候，由于E1沒(méi)有直接的熱介質(zhì)通過(guò)，需要從V-112閥經(jīng)氮壓機(jī)、膨脹機(jī)防喘振閥門(mén)然后進(jìn)入E1，因此，只有先打通該路以后才能從V-106少量吹除，根據(jù)溫度調(diào)整量的大小，避免結(jié)霜。

液體排放的時(shí)候應(yīng)在膨脹機(jī)和氮壓機(jī)停機(jī)以后，通過(guò)V1閥門(mén)將下塔的液體送入到上塔然后經(jīng)噴射蒸發(fā)器排放，避免液空、液氧同時(shí)排放，兩者壓力不一致。由于膨脹機(jī)已停止運(yùn)轉(zhuǎn)，塔內(nèi)的冷量在空氣的復(fù)熱下，液體一部分直接揮發(fā)，另一部分排放，可以保證排液速度。

保冷停工的過(guò)程中，應(yīng)時(shí)刻監(jiān)控塔壓，防止塔壓迅速升高。

氮壓機(jī)和膨脹機(jī)聯(lián)鎖停車后，如果需要檢查停車原因，應(yīng)將原料機(jī)撤出排空，塔內(nèi)正常保冷，如果可以立即恢復(fù)開(kāi)工，應(yīng)減少入塔空氣量后恢復(fù)開(kāi)工。

5.2 開(kāi)工

正常開(kāi)工的過(guò)程中，因?yàn)榕蛎浌べ|(zhì)是空氣，和氮?dú)庖夯c(diǎn)的壓力和溫度差別很大，膨脹機(jī)的制冷速度不應(yīng)求過(guò)快，防止膨脹機(jī)帶液。另一方面，由于E1處于熱狀態(tài)，從低溫膨脹機(jī)增壓端來(lái)的氣體進(jìn)入E1后經(jīng)V6到下塔的量走不開(kāi)，大量的進(jìn)入膨脹機(jī)，這時(shí)低溫膨脹機(jī)的轉(zhuǎn)速較快并且不穩(wěn)定，因此，膨脹機(jī)制冷初期速度應(yīng)慢，根據(jù)低溫膨脹機(jī)的轉(zhuǎn)速往下走的趨勢(shì)，再開(kāi)噴嘴和氮壓機(jī)提壓。

6 結(jié)束語(yǔ)

空分裝置變負(fù)荷調(diào)整是個(gè)系統(tǒng)工程[2]，雖然涉及到的參數(shù)較多，參數(shù)變化復(fù)雜，每套空分設(shè)備有不同的特點(diǎn)，但是通過(guò)理論分析和不斷的實(shí)踐探究，總能找到變化的規(guī)律性。KDON-3750Y/8000型空分裝置流程較為新穎，空壓機(jī)可調(diào)范圍廣，循環(huán)制冷系統(tǒng)機(jī)組性能可靠，精餾塔負(fù)荷調(diào)節(jié)能力強(qiáng)，液體產(chǎn)品相互轉(zhuǎn)換，通過(guò)不斷的摸索和挖潛優(yōu)化，當(dāng)?shù)獨(dú)饬吭?500～9000 Nm3/h變化時(shí)，裝置不用排空，也不用進(jìn)行液氮?dú)饣涂梢酝ㄟ^(guò)深度變負(fù)荷調(diào)整實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定供氮，而且不影響氮?dú)饧兌?，在?shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的同時(shí)還大大提高了裝置的安全水平。

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[1] 湯學(xué)忠，顧福民.新編制氧工問(wèn)答[G].北京：冶金工業(yè)出版社，2001.

[2] 徐福根，萬(wàn)建余，王立.空分設(shè)備變負(fù)荷調(diào)節(jié)主要參數(shù)的關(guān)系及計(jì)算[M].深冷技術(shù),2006(4): 38-46.

Analysis and Practice of the Depth Variable Load Regulation of KDON-3750Y/8000 Type Air Separation Unit

HAN Yurong,WEN Guomin

(The air separation unit,Petro China Dalian Petrochemical Company,Dalian 116031,China)

Exchange interstage coolers for the cyclic nitrogen compressor,set the balance pipelines for the high and low temperature expanders,have eliminated many production bottlenecks of the KDON-3750Y/8000 air separation unit after putting into use.The performance of every monomer equipment and the matching performance between them all improve to a better level.According to the special rate of nitrogen flow between 6500-9000 Nm3/h,we tried to work on the depth variable load regulation of the unit,and obtained remarkable result.

air separation unit; variable load; cyclic nitrogen compressor; expander; cold

2017-07-01

TQ116.15

A

1007-7804(2017)04-0015-05

10.3969/j.issn.1007-7804.2017.04.005

韓御榮(1982)，男，工程師，2005年畢業(yè)于南京工業(yè)大學(xué)過(guò)程裝備與控制工程專業(yè)，現(xiàn)在中國(guó)石油大連石化分公司空分車間從事設(shè)備管理工作。