20000 m3/h空分裝置提升產能分析總結

袁苑，黃春濤，王鳳鐵，唐友軍，孟繁濤

20000 m3/h空分裝置提升產能分析總結

袁苑，黃春濤，王鳳鐵，唐友軍，孟繁濤

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司氣體銷售分公司，安徽馬鞍山243011）

馬鋼20000 m3/h制氧機運行多年來存在下塔精餾工況不穩定，易發生液懸，氧氣產量達不到設計值，液氧泵出口壓力低，氮壓機易進入喘振區等問題，造成機組并網能力低，運行能耗高。詳細分析了制氧機產能低的原因，介紹了提升產能所采取的措施，以及措施實施效果。

液氧內壓縮；液氧泵；下塔；液懸；喘振；提升產能

1 前言

馬鞍山鋼鐵股份有限公司氣體銷售分公司（簡稱馬鋼）KDON-20000/20000型空分設備，為國內某空分公司首套大型內壓縮流程空分裝置，于2004年建成投產。由于工藝設計和儀控程序等原因，運行十多年以來，氧氣產量一直達不到設計值，氧、氮產品并網能力低，機組運行能耗高。因此，增加有效產量是降本增效的最有效途徑。

現就20000 m3/h空分設備產能低的原因及所采取的措施進行分析總結。

2 20000 m3/h空分設備產品指標及流程特點

2.1 20000 m3/h空分設備產品指標（見表1）

2.2 流程特點

（1）馬鋼20000 m3/h制氧機為內壓縮流程，下塔采用的是篩板塔，上塔、粗氬塔、精氬塔采用的是規整填料塔，配有提取貧氪氙和粗氖氦裝置，采用分子篩吸附凈化、增壓透平膨脹機制冷、液氧內壓縮及全精餾制氬流程。凈化后的空氣分三路進入下塔：一路直接在主換熱器中與返流氣體換熱后進下塔；一路經增壓機一段增壓，再到增壓膨脹機增壓膨脹后進下塔；另一路繼續進增壓機二段增壓，在主換熱器中冷卻經節流閥節流后進下塔。該流程液體產量大。

表1 20000 m3/h空分設備產品指標

（2）氮水塔除了污氮氣外，增加一股純氮氣與水進行熱質交換，氮水預冷系統冷卻效果好，出空冷塔的空氣溫度在15℃以下。

（3）配有提取貧氪氙和粗氖氦裝置。貧氪氙塔的原料分別來自粗氬Ⅱ塔冷凝蒸發器液空蒸氣、下塔液空和粗氬Ⅱ塔冷凝蒸發器回流液空。精餾后的氣體進入上塔作為上升氣，貧氪氙被引出作為副產品。從主冷和下塔頂部以及貧氪氙蒸發器、精氬蒸發器中抽取氖氦含量較高的壓力氮氣進入粗氖氦塔，用過冷后的液氮作冷源，提取粗氖氦。但由于空分精餾系統操作彈性小，氮氣純度不穩定，貧氪氙和粗氖氦裝置無法提取稀有氣體，一直作為通道使用。

3 存在的問題

（1）20000 m3/h空分設備在運行過程中，容易出現下塔液空液位持續上漲，阻力升高現象，精餾工況不穩定，嚴重時會發生液懸。

（2）增壓機出口壓力低，主換熱器中部溫度低，為防止增壓膨脹機進口溫度過低，出裝置氧氣量減至18000 m3/h左右，氧氣產量達不到設定值，氧氣綜合單耗超過0.82 kW·h/m3。

（3）中壓氧氣并網能力低。管網壓力小于2.2 MPa時，氧氣并網量約18000 m3/h，管網壓力超過2.2 MPa時，氧氣開始放散（見圖1）。

圖1 優化措施實施前氧氣并網量與管網壓力柱狀圖（2014年6月8日采集）

（4）氮壓機易進入喘振區，氮氣并網量少。20000 m3/h空分設備配有一臺流量為14500 m3/h的氮壓機，運行過程中，排氣壓力達到1.70 MPa時，氮壓機工作點就靠近防喘振控制線。為防止氮壓機運行至喘振區，操作人員將防喘振閥保持30%的開度，氮壓機最大并網量只有11200 m3/h左右。

4 原因分析及解決措施

4.1 下塔精餾工況不穩定

4.1.1 原因分析

由于液空節流閥V1流通能力不足，液空來不及轉移到上塔，造成下塔液位滿量程，阻力上升，嚴重時會發生液懸。為減少下塔回流液，保證下塔精餾工況穩定，只能減少進塔空氣量，根據物料平衡原則，氧、氮產量也相應減少。

4.1.2 解決措施

（1）考慮貧氪氙塔只作粗氬冷凝器液空蒸氣通道使用，而液空管線不使用，在2010年20000 m3/h空分設備扒砂檢修時，對液空管道進行如下改造：將下塔過冷液空到貧氪氙塔?70的管道，連同調節閥V1603拆除，并重新裝配到過冷器后?208液空管道上，作為V1閥旁通管路，增加進上塔液空流量；拆除粗氬冷凝器到貧氪氙塔?45的液空管路。貧氪氙塔原液空進料口用盲板堵?。ㄒ妶D2、圖3）。

圖2 液空管線改造前流程圖

圖3 液空管線改造后流程圖

（2）采取全開V1、V1603以及粗氬冷凝器液空回上塔V704閥，進上塔液空流量增多，在保證下塔液空液位穩定，阻力在16.5～18.5 kPa的前提下，進下塔低壓空氣流量逐漸增加到49000 m3/h。

4.2 增壓機出口壓力低

4.2.1 原因分析

增壓機在防喘振調試時，設置的安全裕量過大，防喘振控制線距離實測喘振線較遠，增壓機工作點接近防喘振控制線。為增加防喘振流量，保持增壓機工作點在非喘振區域，增壓機一、二段防喘振閥有15%的開度，二段出口壓力只有5.1 MPa左右，主換熱器中高壓空氣吸收液氧冷量的能力低，為保證主換熱器的溫差，氧氣取出量相應減少，只有18000 m3/h左右。

4.2.2 解決措施

（1）與廠家溝通后，儀控人員重新設置增壓機防喘振安全裕量，使防喘振控制線向左移動（見圖4、圖5），增壓機工作點遠離防喘振控制線。將防喘振閥關到7%，增壓機一、二段出口壓力分別提高至1.76 MPa和5.27 MPa，其工作點保持在非喘振區域，防喘振閥處于關閉狀態，出口壓力穩定。

圖4 增壓機一段防喘振圖

圖5 增壓機二段防喘振圖

（2）合理匹配高壓空氣與液氧流量。高壓節流閥V15由53.3%開到54.2%，高壓空氣流量由27500 m3/h提高至29500 m3/h。同時將出裝置氧氣量由18000 m3/h逐漸提到設計值20000 m3/h（見表2）。

表2 優化操作前后增壓機運行參數對比

4.3 氧氣并網量少的原因

4.3.1 液氧泵出口壓力低

4.3.1.1 原因分析

液氧泵變頻器轉速與DCS轉速指示不匹配，DCS各轉速值與實際轉速函數對應關系不明顯，液氧泵實際轉速低，出口壓力只有2.30 MPa左右。加上冷箱內液氧泵后低溫管道走向不合理，液氧流動阻力大（約0.1 MPa）。管網壓力達到2.2 MPa以上時，出空分裝置氧氣壓力與管網壓力差減小，氧氣自動退網。

4.3.1.2 解決措施

（1）2014年8月杭氧技術人員分析設備運行參數，以及查閱20000 m3/h空分設備原始資料后，制定了液氧泵后管路優化設計方案，將于2015年空分設備改造性大修時實施。

（2）重新設定液氧泵頻率器參數，使變頻器轉速與DCS轉速相匹配。液氧泵轉速提高到2990 r/min，電機頻率增加到49.6 Hz，液氧出口壓力由2.30 MPa提高到2.48 MPa。氧氣管網壓力在2.35 MPa時，并網量仍然保持在19200 m3/h以上（見圖6）。

圖6 優化措施實施后氧氣并網量與管網壓力關系（2014年9月18日采集）

4.3.2送氧閥調節器調節質量不好

4.3.2.1 原因分析

送氧閥調節器PID參數設置存在缺陷，使得V102閥門動作慢，當氧氣管網壓力上漲較快時，送氧閥V102開啟速度慢，氧氣并網量減少，放散量增加。

4.3.2.2 解決措施

重新設定送氧閥V102的PID調節參數（見表3），使調節器跟蹤速度加快，氧氣管網壓力快速變化時，V102閥門調節速度也相應加快，氧氣并網量保持穩定。

表3 V102調節參數調整對比

4.4 氮氣并網量少的原因

4.4.1 原因分析

（1）氮壓機在運行過程中，工作點總是靠近防喘振控制線，為防止氮壓機工作點進入喘振區，操作人員將防喘振閥手動開到30%以上，氮氣并網量只有11200 m3/h左右。14500 m3/h氮壓機防喘振曲線是根據DCS系統中氮壓機出口壓力PI1581與電機電流IIC1548計算得到，PI1581和IIC1548分別由壓力變送器和電流變送器轉換而來，轉換后的壓力偏高或電流偏低，都會造成氮壓機工作點進入喘振區。電氣儀控人員仔細校核轉換前后的壓力和電流，并對接線端子絕緣、氧化、松動情況進行檢查，最終確認電流變送器轉換單元出錯，轉換后電流顯示偏低（差值約30 A），造成氮壓機工作點靠近防喘振控制線。

（2）環境溫度低時，氮壓機入口導葉氣缸內壁密封橡膠硬度變大，轉動機構阻力增大，導葉有卡阻現象，造成現場實際開度小于DCS開度（相差約20%），加上出空分裝置低壓氮氣放空閥V105有10%的開度，致使氮壓機入口流量小，并網量隨之減少。

4.4.2 解決措施

（1）電氣人員更換整套電流變送器。更換之后，高壓控制柜電流指示與DCS電流指示一致。

（2）氮壓機導葉氣缸用伴熱帶纏繞并包上保溫材料，每次啟動氮壓機之前，校驗導葉。啟動后，將導葉開到70%以上，關閉出裝置低壓氮氣閥V105，出裝置流量由V106（氮氣到氮水塔）控制，逐漸關閉防喘振閥，氮氣并網量達到14500 m3/h，電機電流上升到138 A，氮壓機工作點遠離防喘振控制線（見圖7）。

圖7 更換電流變送器后氮壓機運行防喘振圖

5 效果

通過液空管線改造及優化操作，20000 m3/h空分設備氧氣產量基本達到設計值，產品并網能力同步提高，氮壓機并網量保持在設計值14500 m3/h左右；氧氣綜合單耗降至0.78 kW·h/m3以下，經濟效益明顯。單耗與產量統計見圖8。

圖8 氧氣綜合單耗和氧氣平均產量圖

6 結束語

通過操作調整摸索，制氧機產能提升明顯，但是下塔液空轉移能力不足問題依然存在，2015年20000 m3/h空分設備改造性大修時，將對下塔液空、污液氮管道重新配管，液空節流閥、污液氮節流閥更換為大口徑閥門，以提高液體流通能力。

Analysis and Summarization of Capacity Upgrading of the 20000 m3/h Air Separator

YUAN Yuan，HUANG Chuntao，WANG Fengtie，TANG Youjun，MENG Fantao
(Gases Sales Co.of MaSteel Co.,Ltd.,Maanshan,Anhui 243011,China)

Problems such as instability of the lower tower rectification,tendency of liquid suspension,oxygen production capacity short of designed value,lower pressure at the exit of liquid oxygen pump and nitrogen compressor entering the surge area existed in the 20000 m3/h oxygen generator of MaSteel for years,resulting in loWcapability of grid connection of the unit and high operation consumption of energy.The causes of the loWcapacity of the oxygen generator were analyzed in detail and the measures taken for enhancing production capacity and the result were introduced.

liquid oxygen internal compression;liquid oxygen pump;lower tower;liquid suspension;surge;upgrading capacity

TB657.7

B

1006-6764(2015)09-0033-04

2015－06－04

袁苑（1971-），女，1993年畢業于浙江大學制冷設備與低溫技術專業，高級工程師，現從事生產技術管理工作。