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大型空分設(shè)備壓縮膨脹系統(tǒng)組織與研究
作者:DENAIR??來源:德耐爾官網(wǎng)??時間:2017-05-08 11:49??點擊:次
隨著科學技術(shù)的進步，世界空分技術(shù)在近幾年取得突飛猛進的發(fā)展，國內(nèi)外的市場和競爭進一步開放，國際化的步伐也在逐漸加快。近年來，幾大跨國公司及國內(nèi)企業(yè)在技術(shù)方面都取得了不小的進步，當然流程組織對空分設(shè)備節(jié)能而言影響較大，對成套空分裝置的節(jié)能及功能作用來說至關(guān)重要，小德今天將詳細闡述各系統(tǒng)的流程組織與設(shè)計。
壓縮系統(tǒng)
該系統(tǒng)包括有自潔式空氣過濾器，汽輪機、空壓機、增壓機，儀表壓縮機等。
(1)自潔式過濾器一般隨著氣量的增大，濾筒數(shù)增多，層數(shù)也越高，一般2.5萬等級以上雙層，6萬等級以上三層布置;一般每只濾筒處理氣量為20m3/min(為實際體積)，每5只濾筒配置一個電磁閥，一只濾筒配置一個文氏管，濾紙進口植物纖維，采用PLC控制，壓差超值持續(xù)反吹控制進DCS。一般10～100Nm3/h的反吹氣量，耗電一般也為20kW(5000等級)～200 kW(5萬等級)。大氣壓低時體積流量會增大，一般單臺壓縮機需要單獨布置過濾器，同時布置在上風口。
(2)汽輪機是高壓蒸汽進行膨脹做功，帶動同軸葉輪轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)對工質(zhì)做功的型式。汽輪機一般常用的有三種形式：全凝、全背壓和抽凝，較為常用的是抽凝。高壓蒸汽鍋爐有40barG(功率較小)等級和90barG(功率較大，比40barG的多25%)等級兩種，然后中抽可以有三種或者四種蒸汽壓力等級。
A.40barG等級蒸汽(見表1)
其中3.5MPa等級蒸汽主要用于空壓機組(3萬等級以下空分一拖二，或者產(chǎn)品氮壓機)拖動，1.0MPa等級蒸汽主要用于蒸汽加熱器的蒸汽供應(yīng);0.4MPa等級蒸汽用于噴射蒸發(fā)器和水浴式汽化器的蒸汽供應(yīng)。
B.90barG等級蒸汽(見表2)
其中9.5MPa等級蒸汽主要用于空壓機組(3萬等級以上空分一拖二)拖動，4.5MPa等級蒸汽主要用于壓縮機組(產(chǎn)品氮壓機)拖動，1.3MPa等級蒸汽主要用于蒸汽加熱器的蒸汽供應(yīng);0.5MPa等級蒸汽用于噴射蒸發(fā)器和水浴式汽化器的蒸汽供應(yīng)。
高壓(90bar等級)蒸汽一般90～130元/噸，而少煤區(qū)較貴，一般130～160元/噸，依照工業(yè)電價0.5元/度計算)，則可以得出結(jié)果如表3。
可見在電價0.5元/度時，高壓(95barG)蒸汽價格130元/噸20年總投資恰好相當，當然未算鍋爐投資成本，但是一般化工廠均有自用鍋爐蒸汽，同時一些品質(zhì)較低的低壓等級的蒸汽來滿足蒸汽加熱器以及噴射蒸發(fā)器等的蒸汽利用，一般來說投資蒸汽驅(qū)動的汽輪機較為劃算。
所以依據(jù)當?shù)仉妰r0.5元/度，一般高壓(95barG)蒸汽價格低于130元/噸時較為劃算，另外本來有蒸汽或者蒸汽有剩余也優(yōu)先采用蒸汽驅(qū)動;當蒸汽價格高于130元/噸，且當?shù)毓I(yè)用電不高于0.5元/度，則采用電驅(qū)動較為劃算。
40barG等級的高壓蒸汽100元/噸對應(yīng)90barG蒸汽130元/噸，40barG等級的高壓蒸汽實際上110元/噸以下均是劃算的(對應(yīng)電價0.5元/度)。
汽輪機表冷器有水冷和風冷兩種，一般缺水地區(qū)采用風冷(風冷器價格較高)，不缺水地區(qū)一般采用雙回路水冷卻器。
汽輪機轉(zhuǎn)速控制及熱井液位等控制：實時監(jiān)控機組的轉(zhuǎn)速和汽機的熱井液位等，以保證機組轉(zhuǎn)速和汽輪機的熱井液位正常。實現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制和超速保護。熱井液位控制通過控制汽機熱井的兩臺給排水閥和冷凝液泵的開停來實現(xiàn)。汽輪機密封為自立式調(diào)節(jié)。
一般2萬等級以上空分設(shè)備采用蒸汽驅(qū)動都是較為劃算的。
(3)電機驅(qū)動
電機驅(qū)動適合無蒸汽的廠家，或者一般2萬等級以下的空分設(shè)備，總投資較不劃算。電機驅(qū)動特點是快速，需要另外設(shè)置盤車電機進行分程跑合;蒸汽驅(qū)動一般需要鍋爐燒煤2天后才可供應(yīng)高壓蒸汽，汽輪機一拖二拖動自身能進行分程跑合。
汽輪機一拖二布置一般廠房雙層布置，機組設(shè)置在二層，冷卻器及熱井設(shè)置在一層，機組位置較高;電機驅(qū)動采用單層布置，機組入口位置較低。
電機進口一般為SIEMENS、ABB;國產(chǎn)一般為上海電機廠;汽輪機進口為SIEMENS、曼透平;國產(chǎn)為杭汽，杭汽中能，青島捷能。
(4)空壓機
空壓機一般大型空分裝置投資均為單軸等溫型離心空壓機，進口較國產(chǎn)能耗低2%左右，投資高80%;空壓機采用出口放空，不設(shè)置回流管路，一般有更小吸入流量防喘振要求，采用入口導葉進行流量調(diào)節(jié)，進口國產(chǎn)機組均是四級壓縮三級冷卻(末級不冷卻)。壓縮機排壓與當?shù)卮髿鈮河嘘P(guān)，一般排壓與當?shù)卮髿鈮旱膲翰钊?～6.2bar，同時與主塔的工作壓力有關(guān)，工作壓力低，精餾效率高，可減少氣量約為1.5%，但體積增大，綜合下來壓縮機能耗有所減少，入口溫度取更熱月平均溫度。
水洗系統(tǒng)：主空壓機配備一套水洗系統(tǒng)，用以沖洗各級葉輪和蝸殼表面沉積物，該系統(tǒng)隨主機成套。
(5)增壓機
增壓機一般大型空分裝置投資采用單軸等溫型離心壓縮機和齒輪式離心壓縮機兩種，其中齒輪式在能耗上占較大優(yōu)勢，尤其是在壓比較大的工況下。增壓機采用中抽和末級放空，設(shè)置回流管路，增壓機防喘振分低壓缸和高壓缸兩部分，低壓缸以進氣流量、進氣壓力、進氣溫度和排氣壓力作為防喘振控制單元的控制要素，控制單元的控制輸出作用于低壓缸防喘振閥，防喘振閥的輸出打回流于低壓缸進口。高壓缸以進氣壓力、進氣溫度和排氣壓力、排氣流量作為防喘振控制單元的控制要素，控制單元的控制輸出作用于高壓缸防喘振閥，防喘振閥的輸出打回流于高壓缸進口。
(6)儀表壓縮機
儀表氣壓縮機一般有三種形式：無油螺桿空壓機，活塞式和離心式。由于活塞式和離心式天然無油，所以不需要除油裝置，只需要配套干燥裝置(除水)和精密過濾器(除固體顆粒)即可;而螺桿機一般有有油和無油兩種，噴油螺桿機需要設(shè)置除油裝置，同時需要設(shè)置精度非常高的除油過濾器，以滿足工藝要求，這種機型的優(yōu)勢是價格較便宜;無油螺桿采用干轉(zhuǎn)子或者水潤滑，這種機型優(yōu)點是絕對不含油，缺點是價格較貴。氣量500Nm3/h以下適合選活塞式;氣量在2000Nm3/h以下適合選螺桿機或活塞機;氣量在2000Nm3/h以上即三種機型都可以選，氣量大時離心式壓縮機較有優(yōu)勢，其易損件較少，同時好維護，性價比較高。
儀表壓縮機在開車時使用，正常運行后由分子篩純化器后抽取。
產(chǎn)品壓縮系統(tǒng)
氮透一般壓縮空氣的均可滿足，需要設(shè)置5barG的密封氣，30bar雙缸(兩段)單軸八級壓縮,氮氣透平壓縮機壓力較高采用齒輪式較為節(jié)能。
氧透根據(jù)排壓有單缸(壓力低)和雙缸(高壓缸和低壓缸)(8級壓縮至30bar)，一般30barG以下，需要設(shè)置5barG的密封氣(壓力氮氣可滿足)，同時由于氧氣介質(zhì)有高壓高溫火患原因，所有過流部分均采用銅合金，需要設(shè)置保安氮氣，一般由工程設(shè)計院考慮;進口氧透價格較高，為國產(chǎn)2倍左右，一般不采用，目前一般均杭氧氧透，排壓3～30barG，流量8000Nm3/h以上均可滿足。但是流量小，氧透效率較低，一般8000Nm3/h(55%)～80000Nm3/h(68%)。
氧透一般應(yīng)用于外壓縮流程，從3～30barG均有,不過一般要和帶增壓機的內(nèi)壓縮流程(效率一般70%以上，也有流量限制，效率要較氧透高10個點以上，這樣甚至可以抵消外壓縮較內(nèi)壓縮少復熱附加能耗損失的優(yōu)勢，但是內(nèi)壓縮用于鋼廠排壓需要提高，以免換熱系統(tǒng)波動)進行能耗比較，更后確定方案。對于鋼廠用氧不連續(xù)，一般采用球罐緩沖，同時供氧壓力要求高于用氣壓力。
活塞氮壓機，一般量在6000Nm3/h以下，由于脈沖式吸氣，需要機前設(shè)置緩沖罐，來保障上塔壓力或者下塔壓力的穩(wěn)定，以使其影響更小，同樣當系統(tǒng)后要求壓力穩(wěn)定時，需要設(shè)置機后緩沖罐，保障機后系統(tǒng)的穩(wěn)定;活塞機一般采用調(diào)節(jié)機前壓力的方式進行流量和排壓的調(diào)控，當機前壓力低時，采用回流方式來提高機前壓力，當機前壓力高時，采用關(guān)閉回流方式調(diào)節(jié)機前壓力，如果繼續(xù)增高，則采用氮氣產(chǎn)品前端放空方式，以降低上塔壓力。一般配置為多用一備方式。需要較多活塞環(huán)，閥片等備件，機械密封一般連續(xù)運行兩個月左右，迷宮密封可連續(xù)運行一年。
活塞氧壓機同氮壓機原理相同，一般量在6000Nm3/h以下，排壓30bar以下，500Nm3/h以下氣量可以排壓達16.5MPaG，也需要有機前緩沖罐，機后緩沖罐;進排氣連通;系統(tǒng)前端放空(空分系統(tǒng)氮氣放空)等設(shè)置，不過氣缸及活塞體材質(zhì)為銅合金。一般配置為多用一備方式(變負荷采用多臺組合)。需要較多活塞環(huán)，閥片等備件，機械密封一般連續(xù)運行兩個月左右，迷宮密封可連續(xù)運行一年。
膨脹制冷系統(tǒng)
膨脹機一般有三種，即低壓膨脹機，中壓膨脹機和液體膨脹機。
對于一定類型的氣體膨脹機來說，工質(zhì)體積流量越大，效率越高。一般流量8000Nm3以上的低壓膨脹機效率為85～88%，流量小于3000～8000Nm3效率會低至70～80%。
中壓膨脹機一般采用一臺進口一臺國產(chǎn)(備用)。氣量8000Nm3/h以上進口膨脹機效率82～91%(增壓端少4個點);國產(chǎn)膨脹機效率78～87%(增壓端少5個點)。
膨脹機啟動前需要先吹掃(除去管系雜質(zhì)，膨脹機蝸殼內(nèi)雜質(zhì))，再通密封氣(正常時由增壓端提供)，然后進行油系統(tǒng)外循環(huán)，內(nèi)循環(huán)，做完聯(lián)鎖測試然后方能啟動，冷試合格后冷緊;冷啟動需要啟動油箱加熱器，正常運行后不需要，此時軸承的冷熱已經(jīng)平衡。
一般膨脹機兩臺機組并聯(lián)設(shè)置時，管路設(shè)置要求膨脹端閥門反裝，高壓側(cè)壓住閥瓣，同時增壓端出口和膨脹端出口設(shè)置安全閥。
膨脹機需要有密封氣，加溫氣，吹掃氣的設(shè)置，國外剛性轉(zhuǎn)子運行時有快速(10秒內(nèi))通過臨界轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)子頻率與材料固有頻率接近時)的要求，以防損壞機組。國產(chǎn)一般撓性轉(zhuǎn)子，無此要求。但是剛性轉(zhuǎn)子軸振小，壽命長，撓性轉(zhuǎn)子軸振大，壽命短。
低壓膨脹機由于受膨脹空氣進上塔氣量限制以及自身制冷流路較弱，只能通過增大機前溫度來增大制冷量，中壓膨脹機溫度影響較小，而且膨脹空氣進下塔，對精餾有利。
膨脹機增壓端和膨脹端均設(shè)置過濾器(膨脹端設(shè)置在膨脹機過橋，易于拆開除去雜質(zhì))，一般采用兩臺共用。
液體膨脹機本質(zhì)是利用高壓液體的壓力頭來進行水力做功(同時液體焓值降低，但是與氣體相比，相差甚遠)，一般4萬等級以上內(nèi)壓縮空分設(shè)備均可用液體膨脹機代替高壓液空節(jié)流閥。它的優(yōu)勢為利用液體膨脹機制冷和膨脹功發(fā)電達到節(jié)能目的，一般可實現(xiàn)節(jié)能2%左右，但是其投資達千萬元。
空分裝置是為大型冶金、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業(yè)裝備配套的不可缺少的關(guān)鍵裝備。主要提供大規(guī)模、高壓的氧氣、氮氣產(chǎn)品，供后續(xù)化工工藝使用。工業(yè)裝置普遍趨于大型化，為之配套的空分裝置的規(guī)模也日趨大型化。因此，在技術(shù)更新迅速、市場競爭激烈的今天，唯有不斷進步方能有生存之地，唯有不斷創(chuàng)新方能有發(fā)展之力，唯有不斷開放方能有壯大之勢。
當前工業(yè)國際化步伐進一步加快，只有勇于攻堅克難才能進一步深化和繁榮氣體分離行業(yè)，為此需要全行業(yè)不斷開拓，共同做出貢獻。
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