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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(shí)間:2017-05-08 11:49??點(diǎn)擊:次
隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，世界空分技術(shù)在近幾年取得突飛猛進(jìn)的發(fā)展，國內(nèi)外的市場和競爭進(jìn)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(jìn)步，當(dāng)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(xì)闡述各系統(tǒng)的流程組織與設(shè)計(jì)。
壓縮系統(tǒng)
該系統(tǒng)包括有自潔式空氣過濾器，汽輪機(jī)、空壓機(jī)、增壓機(jī)，儀表壓縮機(jī)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(shí)際體積)，每5只濾筒配置一個(gè)電磁閥，一只濾筒配置一個(gè)文氏管，濾紙進(jìn)口植物纖維，采用PLC控制，壓差超值持續(xù)反吹控制進(jìn)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(shí)體積流量會增大，一般單臺壓縮機(jī)需要單獨(dú)布置過濾器，同時(shí)布置在上風(fēng)口。
(2)汽輪機(jī)是高壓蒸汽進(jìn)行膨脹做功，帶動同軸葉輪轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)對工質(zhì)做功的型式。汽輪機(jī)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(jī)組(3萬等級以下空分一拖二，或者產(chǎn)品氮壓機(jī))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(jī)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(jī)組(產(chǎn)品氮壓機(jī))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(jià)0.5元/度計(jì)算)，則可以得出結(jié)果如表3。
可見在電價(jià)0.5元/度時(shí)，高壓(95barG)蒸汽價(jià)格130元/噸20年總投資恰好相當(dāng)，當(dāng)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(shí)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(jī)較為劃算。
所以依據(jù)當(dāng)?shù)仉妰r(jià)0.5元/度，一般高壓(95barG)蒸汽價(jià)格低于130元/噸時(shí)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(dāng)蒸汽價(jià)格高于130元/噸，且當(dāng)?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(shí)際上110元/噸以下均是劃算的(對應(yīng)電價(jià)0.5元/度)。
汽輪機(jī)表冷器有水冷和風(fēng)冷兩種，一般缺水地區(qū)采用風(fēng)冷(風(fēng)冷器價(jià)格較高)，不缺水地區(qū)一般采用雙回路水冷卻器。
汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速控制及熱井液位等控制：實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)組的轉(zhuǎn)速和汽機(jī)的熱井液位等，以保證機(jī)組轉(zhuǎn)速和汽輪機(jī)的熱井液位正常。實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制和超速保護(hù)。熱井液位控制通過控制汽機(jī)熱井的兩臺給排水閥和冷凝液泵的開停來實(shí)現(xiàn)。汽輪機(jī)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(jī)驅(qū)動
電機(jī)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(jī)驅(qū)動特點(diǎn)是快速，需要另外設(shè)置盤車電機(jī)進(jìn)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(jī)一拖二拖動自身能進(jìn)行分程跑合。
汽輪機(jī)一拖二布置一般廠房雙層布置，機(jī)組設(shè)置在二層，冷卻器及熱井設(shè)置在一層，機(jī)組位置較高;電機(jī)驅(qū)動采用單層布置，機(jī)組入口位置較低。
電機(jī)進(jìn)口一般為SIEMENS、ABB;國產(chǎn)一般為上海電機(jī)廠;汽輪機(jī)進(jìn)口為SIEMENS、曼透平;國產(chǎn)為杭汽，杭汽中能，青島捷能。
(4)空壓機(jī)
空壓機(jī)一般大型空分裝置投資均為單軸等溫型離心空壓機(jī)，進(jìn)口較國產(chǎn)能耗低2%左右，投資高80%;空壓機(jī)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(dǎo)葉進(jìn)行流量調(diào)節(jié)，進(jìn)口國產(chǎn)機(jī)組均是四級壓縮三級冷卻(末級不冷卻)。壓縮機(jī)排壓與當(dāng)?shù)卮髿鈮河嘘P(guān)，一般排壓與當(dāng)?shù)卮髿鈮旱膲翰钊?～6.2bar，同時(shí)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(jī)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(jī)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(jī)成套。
(5)增壓機(jī)
增壓機(jī)一般大型空分裝置投資采用單軸等溫型離心壓縮機(jī)和齒輪式離心壓縮機(jī)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(jī)采用中抽和末級放空，設(shè)置回流管路，增壓機(jī)防喘振分低壓缸和高壓缸兩部分，低壓缸以進(jìn)氣流量、進(jìn)氣壓力、進(jìn)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(jìn)口。高壓缸以進(jìn)氣壓力、進(jìn)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(jìn)口。
(6)儀表壓縮機(jī)
儀表氣壓縮機(jī)一般有三種形式：無油螺桿空壓機(jī)，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(jī)一般有有油和無油兩種，噴油螺桿機(jī)需要設(shè)置除油裝置，同時(shí)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(jī)型的優(yōu)勢是價(jià)格較便宜;無油螺桿采用干轉(zhuǎn)子或者水潤滑，這種機(jī)型優(yōu)點(diǎn)是絕對不含油，缺點(diǎn)是價(jià)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(jī)或活塞機(jī);氣量在2000Nm3/h以上即三種機(jī)型都可以選，氣量大時(shí)離心式壓縮機(jī)較有優(yōu)勢，其易損件較少，同時(shí)好維護(hù)，性價(jià)比較高。
儀表壓縮機(jī)在開車時(shí)使用，正常運(yùn)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?dú)馔钙綁嚎s機(jī)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?dú)饪蓾M足)，同時(shí)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?dú)猓话阌晒こ淘O(shè)計(jì)院考慮;進(jìn)口氧透價(jià)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(jī)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(gè)點(diǎn)以上，這樣甚至可以抵消外壓縮較內(nèi)壓縮少復(fù)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(jìn)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(shí)供氧壓力要求高于用氣壓力。
活塞氮壓機(jī)，一般量在6000Nm3/h以下，由于脈沖式吸氣，需要機(jī)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(dāng)系統(tǒng)后要求壓力穩(wěn)定時(shí)，需要設(shè)置機(jī)后緩沖罐，保障機(jī)后系統(tǒng)的穩(wěn)定;活塞機(jī)一般采用調(diào)節(jié)機(jī)前壓力的方式進(jìn)行流量和排壓的調(diào)控，當(dāng)機(jī)前壓力低時(shí)，采用回流方式來提高機(jī)前壓力，當(dāng)機(jī)前壓力高時(shí)，采用關(guān)閉回流方式調(diào)節(jié)機(jī)前壓力，如果繼續(xù)增高，則采用氮?dú)猱a(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(jī)械密封一般連續(xù)運(yùn)行兩個(gè)月左右，迷宮密封可連續(xù)運(yùn)行一年。
活塞氧壓機(jī)同氮壓機(jī)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(dá)16.5MPaG，也需要有機(jī)前緩沖罐，機(jī)后緩沖罐;進(jìn)排氣連通;系統(tǒng)前端放空(空分系統(tǒng)氮?dú)夥趴?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(fù)荷采用多臺組合)。需要較多活塞環(huán)，閥片等備件，機(jī)械密封一般連續(xù)運(yùn)行兩個(gè)月左右，迷宮密封可連續(xù)運(yùn)行一年。
膨脹制冷系統(tǒng)
膨脹機(jī)一般有三種，即低壓膨脹機(jī)，中壓膨脹機(jī)和液體膨脹機(jī)。
對于一定類型的氣體膨脹機(jī)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(jī)效率為85～88%，流量小于3000～8000Nm3效率會低至70～80%。
中壓膨脹機(jī)一般采用一臺進(jìn)口一臺國產(chǎn)(備用)。氣量8000Nm3/h以上進(jìn)口膨脹機(jī)效率82～91%(增壓端少4個(gè)點(diǎn));國產(chǎn)膨脹機(jī)效率78～87%(增壓端少5個(gè)點(diǎn))。
膨脹機(jī)啟動前需要先吹掃(除去管系雜質(zhì)，膨脹機(jī)蝸殼內(nèi)雜質(zhì))，再通密封氣(正常時(shí)由增壓端提供)，然后進(jìn)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(yùn)行后不需要，此時(shí)軸承的冷熱已經(jīng)平衡。
一般膨脹機(jī)兩臺機(jī)組并聯(lián)設(shè)置時(shí)，管路設(shè)置要求膨脹端閥門反裝，高壓側(cè)壓住閥瓣，同時(shí)增壓端出口和膨脹端出口設(shè)置安全閥。
膨脹機(jī)需要有密封氣，加溫氣，吹掃氣的設(shè)置，國外剛性轉(zhuǎn)子運(yùn)行時(shí)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(shí))的要求，以防損壞機(jī)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(jī)由于受膨脹空氣進(jìn)上塔氣量限制以及自身制冷流路較弱，只能通過增大機(jī)前溫度來增大制冷量，中壓膨脹機(jī)溫度影響較小，而且膨脹空氣進(jìn)下塔，對精餾有利。
膨脹機(jī)增壓端和膨脹端均設(shè)置過濾器(膨脹端設(shè)置在膨脹機(jī)過橋，易于拆開除去雜質(zhì))，一般采用兩臺共用。
液體膨脹機(jī)本質(zhì)是利用高壓液體的壓力頭來進(jìn)行水力做功(同時(shí)液體焓值降低，但是與氣體相比，相差甚遠(yuǎn))，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(jī)代替高壓液空節(jié)流閥。它的優(yōu)勢為利用液體膨脹機(jī)制冷和膨脹功發(fā)電達(dá)到節(jié)能目的，一般可實(shí)現(xiàn)節(jié)能2%左右，但是其投資達(dá)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?dú)猱a(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(jìn)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(dāng)前工業(yè)國際化步伐進(jìn)一步加快，只有勇于攻堅(jiān)克難才能進(jìn)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(xiàn)。
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