大型空分设备压缩膨胀系统组织与研究

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随着科学技术的进步，世界空分技术在近几年取得突飞猛进的发展，国内外的市场和竞争进一步开放，国际化的步伐也在逐渐加快。近年来，几大跨国公司及国内企业在技术方面都取得了不小的进步，当然流程组织对空分设备节能而言影响较大，对成套空分装置的节能及功能作用来说至关重要，小德今天将详细阐述各系统的流程组织与设计。

压缩系统

4 T7 x* o, D' c- N' v4 p2 }该系统包括有自洁式空气过滤器，汽轮机、空压机、增压机，仪表压缩机等。
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(1)自洁式过滤器一般随着气量的增大，滤筒数增多，层数也越高，一般2.5万等级以上双层，6万等级以上三层布置;一般每只滤筒处理气量为20m3/min(为实际体积)，每5只滤筒配置一个电磁阀，一只滤筒配置一个文氏管，滤纸进口植物纤维，采用PLC控制，压差超值持续反吹控制进DCS。一般10～100Nm3/h的反吹气量，耗电一般也为20kW(5000等级)～200 kW(5万等级)。大气压低时体积流量会增大，一般单台压缩机需要单独布置过滤器，同时布置在上风口。

% w8 c+ Y# F, j! s(2)汽轮机是高压蒸汽进行膨胀做功，带动同轴叶轮转动，从而实现对工质做功的型式。汽轮机一般常用的有三种形式：全凝、全背压和抽凝，较为常用的是抽凝。高压蒸汽锅炉有40barG(功率较小)等级和90barG(功率较大，比40barG的多25%)等级两种，然后中抽可以有三种或者四种蒸汽压力等级。
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: k: A, I/ W* \0 v+ O# M, G* eA.40barG等级蒸汽(见表1)
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表1
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其中3.5MPa等级蒸汽主要用于空压机组(3万等级以下空分一拖二，或者产品氮压机)拖动，1.0MPa等级蒸汽主要用于蒸汽加热器的蒸汽供应;0.4MPa等级蒸汽用于喷射蒸发器和水浴式汽化器的蒸汽供应。
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B.90barG等级蒸汽(见表2)
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1 k! @* @" e9 M, R* W$ a表2
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; y1 v* N5 O( I( N% S+ O2 U其中9.5MPa等级蒸汽主要用于空压机组(3万等级以上空分一拖二)拖动，4.5MPa等级蒸汽主要用于压缩机组(产品氮压机)拖动，1.3MPa等级蒸汽主要用于蒸汽加热器的蒸汽供应;0.5MPa等级蒸汽用于喷射蒸发器和水浴式汽化器的蒸汽供应。
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高压(90bar等级)蒸汽一般90～130元/吨，而少煤区较贵，一般130～160元/吨，依照工业电价0.5元/度计算)，则可以得出结果如表3。
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5 N) s' }- t5 O$ u. }& O. x表3
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  P! J* L4 \) R, G6 _' _  z可见在电价0.5元/度时，高压(95barG)蒸汽价格130元/吨20年总投资恰好相当，当然未算锅炉投资成本，但是一般化工厂均有自用锅炉蒸汽，同时一些品质较低的低压等级的蒸汽来满足蒸汽加热器以及喷射蒸发器等的蒸汽利用，一般来说投资蒸汽驱动的汽轮机较为划算。
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所以依据当地电价0.5元/度，一般高压(95barG)蒸汽价格低于130元/吨时较为划算，另外本来有蒸汽或者蒸汽有剩余也优先采用蒸汽驱动;当蒸汽价格高于130元/吨，且当地工业用电不高于0.5元/度，则采用电驱动较为划算。

% r$ K- i# |. G% ~' ~" I" J" c40barG等级的高压蒸汽100元/吨对应90barG蒸汽130元/吨，40barG等级的高压蒸汽实际上110元/吨以下均是划算的(对应电价0.5元/度)。
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汽轮机表冷器有水冷和风冷两种，一般缺水地区采用风冷(风冷器价格较高)，不缺水地区一般采用双回路水冷却器。
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汽轮机转速控制及热井液位等控制：实时监控机组的转速和汽机的热井液位等，以保证机组转速和汽轮机的热井液位正常。实现转速控制和超速保护。热井液位控制通过控制汽机热井的两台给排水阀和冷凝液泵的开停来实现。汽轮机密封为自立式调节。
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3 l* J' Y8 j% y一般2万等级以上空分设备采用蒸汽驱动都是较为划算的。

(3)电机驱动

电机驱动适合无蒸汽的厂家，或者一般2万等级以下的空分设备，总投资较不划算。电机驱动特点是快速，需要另外设置盘车电机进行分程跑合;蒸汽驱动一般需要锅炉烧煤2天后才可供应高压蒸汽，汽轮机一拖二拖动自身能进行分程跑合。

+ h& z/ _" m9 Q* ^. \) j汽轮机一拖二布置一般厂房双层布置，机组设置在二层，冷却器及热井设置在一层，机组位置较高;电机驱动采用单层布置，机组入口位置较低。

1 r" J  {6 I/ v* ?7 T电机进口一般为SIEMENS、ABB;国产一般为上海电机厂;汽轮机进口为SIEMENS、曼透平;国产为杭汽，杭汽中能，青岛捷能。
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(4)空压机
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空压机一般大型空分装置投资均为单轴等温型离心空压机，进口较国产能耗低2%左右，投资高80%;空压机采用出口放空，不设置回流管路，一般有最小吸入流量防喘振要求，采用入口导叶进行流量调节，进口国产机组均是四级压缩三级冷却(末级不冷却)。压缩机排压与当地大气压有关，一般排压与当地大气压的压差取6～6.2bar，同时与主塔的工作压力有关，工作压力低，精馏效率高，可减少气量约为1.5%，但体积增大，综合下来压缩机能耗有所减少，入口温度取最热月平均温度。
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水洗系统：主空压机配备一套水洗系统，用以冲洗各级叶轮和蜗壳表面沉积物，该系统随主机成套。
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, G, U. g6 L" Q8 @4 {5 }8 v(5)增压机

增压机一般大型空分装置投资采用单轴等温型离心压缩机和齿轮式离心压缩机两种，其中齿轮式在能耗上占较大优势，尤其是在压比较大的工况下。增压机采用中抽和末级放空，设置回流管路，增压机防喘振分低压缸和高压缸两部分，低压缸以进气流量、进气压力、进气温度和排气压力作为防喘振控制单元的控制要素，控制单元的控制输出作用于低压缸防喘振阀，防喘振阀的输出打回流于低压缸进口。高压缸以进气压力、进气温度和排气压力、排气流量作为防喘振控制单元的控制要素，控制单元的控制输出作用于高压缸防喘振阀，防喘振阀的输出打回流于高压缸进口。
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9 o3 j/ T) d% T" J(6)仪表压缩机
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! C% n5 e- p1 e3 Q$ G( J) N4 P仪表气压缩机一般有三种形式：无油螺杆空压机，活塞式和离心式。由于活塞式和离心式天然无油，所以不需要除油装置，只需要配套干燥装置(除水)和精密过滤器(除固体颗粒)即可;而螺杆机一般有有油和无油两种，喷油螺杆机需要设置除油装置，同时需要设置精度非常高的除油过滤器，以满足工艺要求，这种机型的优势是价格较便宜;无油螺杆采用干转子或者水润滑，这种机型优点是绝对不含油，缺点是价格较贵。气量500Nm3/h以下适合选活塞式;气量在2000Nm3/h以下适合选螺杆机或活塞机;气量在2000Nm3/h以上即三种机型都可以选，气量大时离心式压缩机较有优势，其易损件较少，同时好维护，性价比较高。
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9 \$ a# V  g, i: X8 H( e: C: Y  {仪表压缩机在开车时使用，正常运行后由分子筛纯化器后抽取。
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产品压缩系统
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氮透一般压缩空气的均可满足，需要设置5barG的密封气，30bar双缸(两段)单轴八级压缩,氮气透平压缩机压力较高采用齿轮式较为节能。
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氧透根据排压有单缸(压力低)和双缸(高压缸和低压缸)(8级压缩至30bar)，一般30barG以下，需要设置5barG的密封气(压力氮气可满足)，同时由于氧气介质有高压高温火患原因，所有过流部分均采用铜合金，需要设置保安氮气，一般由工程设计院考虑;进口氧透价格较高，为国产2倍左右，一般不采用，目前一般均杭氧氧透，排压3～30barG，流量8000Nm3/h以上均可满足。但是流量小，氧透效率较低，一般8000Nm3/h(55%)～80000Nm3/h(68%)。
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7 F8 r+ h# ^8 n/ w' p* F氧透一般应用于外压缩流程，从3～30barG均有,不过一般要和带增压机的内压缩流程(效率一般70%以上，也有流量限制，效率要较氧透高10个点以上，这样甚至可以抵消外压缩较内压缩少复热附加能耗损失的优势，但是内压缩用于钢厂排压需要提高，以免换热系统波动)进行能耗比较，最后确定方案。对于钢厂用氧不连续，一般采用球罐缓冲，同时供氧压力要求高于用气压力。
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活塞氮压机，一般量在6000Nm3/h以下，由于脉冲式吸气，需要机前设置缓冲罐，来保障上塔压力或者下塔压力的稳定，以使其影响最小，同样当系统后要求压力稳定时，需要设置机后缓冲罐，保障机后系统的稳定;活塞机一般采用调节机前压力的方式进行流量和排压的调控，当机前压力低时，采用回流方式来提高机前压力，当机前压力高时，采用关闭回流方式调节机前压力，如果继续增高，则采用氮气产品前端放空方式，以降低上塔压力。一般配置为多用一备方式。需要较多活塞环，阀片等备件，机械密封一般连续运行两个月左右，迷宫密封可连续运行一年。

活塞氧压机同氮压机原理相同，一般量在6000Nm3/h以下，排压30bar以下，500Nm3/h以下气量可以排压达16.5MPaG，也需要有机前缓冲罐，机后缓冲罐;进排气连通;系统前端放空(空分系统氮气放空)等设置，不过气缸及活塞体材质为铜合金。一般配置为多用一备方式(变负荷采用多台组合)。需要较多活塞环，阀片等备件，机械密封一般连续运行两个月左右，迷宫密封可连续运行一年。
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5 B" C, X5 `. X/ V, t& b' @膨胀制冷系统
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膨胀机一般有三种，即低压膨胀机，中压膨胀机和液体膨胀机。
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3 W+ u' Q# [# E对于一定类型的气体膨胀机来说，工质体积流量越大，效率越高。一般流量8000Nm3以上的低压膨胀机效率为85～88%，流量小于3000～8000Nm3效率会低至70～80%。
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中压膨胀机一般采用一台进口一台国产(备用)。气量8000Nm3/h以上进口膨胀机效率82～91%(增压端少4个点);国产膨胀机效率78～87%(增压端少5个点)。
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" h& V$ ]3 q8 W& H; z- [6 I膨胀机启动前需要先吹扫(除去管系杂质，膨胀机蜗壳内杂质)，再通密封气(正常时由增压端提供)，然后进行油系统外循环，内循环，做完联锁测试然后方能启动，冷试合格后冷紧;冷启动需要启动油箱加热器，正常运行后不需要，此时轴承的冷热已经平衡。
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一般膨胀机两台机组并联设置时，管路设置要求膨胀端阀门反装，高压侧压住阀瓣，同时增压端出口和膨胀端出口设置安全阀。
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膨胀机需要有密封气，加温气，吹扫气的设置，国外刚性转子运行时有快速(10秒内)通过临界转速(转子频率与材料固有频率接近时)的要求，以防损坏机组。国产一般挠性转子，无此要求。但是刚性转子轴振小，寿命长，挠性转子轴振大，寿命短。
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低压膨胀机由于受膨胀空气进上塔气量限制以及自身制冷流路较弱，只能通过增大机前温度来增大制冷量，中压膨胀机温度影响较小，而且膨胀空气进下塔，对精馏有利。
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膨胀机增压端和膨胀端均设置过滤器(膨胀端设置在膨胀机过桥，易于拆开除去杂质)，一般采用两台共用。
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% Q; ^8 M; P: L) E% o, {" S4 K液体膨胀机本质是利用高压液体的压力头来进行水力做功(同时液体焓值降低，但是与气体相比，相差甚远)，一般4万等级以上内压缩空分设备均可用液体膨胀机代替高压液空节流阀。它的优势为利用液体膨胀机制冷和膨胀功发电达到节能目的，一般可实现节能2%左右，但是其投资达千万元。

. t. g0 J9 k0 Z! `空分装置是为大型冶金、大型煤化工、大型化肥原料、“煤代油”工程及石油化工等重要工业装备配套的不可缺少的关键装备。主要提供大规模、高压的氧气、氮气产品，供后续化工工艺使用。工业装置普遍趋于大型化，为之配套的空分装置的规模也日趋大型化。因此，在技术更新迅速、市场竞争激烈的今天，唯有不断进步方能有生存之地，唯有不断创新方能有发展之力，唯有不断开放方能有壮大之势。

当前工业国际化步伐进一步加快，只有勇于攻坚克难才能进一步深化和繁荣气体分离行业，为此需要全行业不断开拓，共同做出贡献。

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