周金城,劉江淮,王勝利

(安徽馬鋼氣體科技有限公司,安徽 馬鞍山 243000)

1 前 言

馬鞍山鋼鐵股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng):馬鋼)20 000 m3/h空分設(shè)備由杭氧設(shè)計(jì)、制造。20 000 m3/h空分設(shè)備采用空氣循環(huán)增壓、膨脹空氣進(jìn)下塔、液氧內(nèi)壓縮、全精餾制氬流程。20 000 m3/h液氧內(nèi)壓縮流程空分設(shè)備從主冷連續(xù)抽取一股液氧通過(guò)液氧泵加壓,經(jīng)組合式主換熱器氣化、復(fù)熱后輸送至冷箱外的馬鋼氧氣管網(wǎng)。

馬鋼20 000 m3/h液氧內(nèi)壓縮流程空分設(shè)備自投產(chǎn),在20 000 m3/h液氧內(nèi)壓縮流程空分設(shè)備熱開(kāi)車(chē)積液調(diào)純階段操作時(shí),對(duì)主冷積液與主塔調(diào)純采用邊積液邊調(diào)純與先積液后調(diào)純兩種操作方法。對(duì)20 000 m3/h空分設(shè)備熱開(kāi)車(chē)積液調(diào)純階段采用兩種積液調(diào)純操作方法進(jìn)行分析以及實(shí)際運(yùn)用效果比較,研究這兩種積液調(diào)純操作方法對(duì)內(nèi)壓縮流程空分設(shè)備熱開(kāi)車(chē)的影響。

2 邊積液邊調(diào)純

2.1 邊積液邊調(diào)純操作方法特點(diǎn)

邊積液邊調(diào)純是空分設(shè)備在熱開(kāi)車(chē)過(guò)程中對(duì)主冷積累液體的同時(shí)對(duì)主塔氧氣、氮?dú)饧兌扰c氬餾分氬含量進(jìn)行調(diào)節(jié),即主冷積液與主塔調(diào)純同步進(jìn)行操作。

馬鋼20 000 m3/h空分設(shè)備采用液氧內(nèi)壓縮流程,中壓膨脹空氣等熵膨脹與高壓空氣等焓節(jié)流產(chǎn)生充裕的制冷量。低壓空氣、中壓膨脹空氣、高壓空氣作為加工空氣均進(jìn)入下塔參與精餾,所有加工空氣均在下塔進(jìn)行初步分離。在內(nèi)壓縮流程空分設(shè)備熱開(kāi)車(chē)過(guò)程中,當(dāng)主冷積液與主塔調(diào)純同步操作時(shí),空分設(shè)備精餾系統(tǒng)較容易達(dá)到物料、組分、冷量平衡的狀態(tài)。

液氧內(nèi)壓縮流程空分設(shè)備從主冷連續(xù)抽取液氧經(jīng)液氧泵加壓。在內(nèi)壓縮流程空分設(shè)備熱開(kāi)車(chē)過(guò)程中,采用主冷積液與主塔調(diào)純同步操作的方式,在主冷液位處于較低狀態(tài)時(shí)對(duì)主塔調(diào)純,主冷液體中碳?xì)浠衔锱c氮氧化合物不易濃縮、積聚,可以有效保證空分設(shè)備熱開(kāi)車(chē)安全。

采用邊積液邊調(diào)純的操作方法,在主冷液位升至小于聯(lián)鎖值時(shí),逐步增加主冷熱負(fù)荷,使下塔、上塔上升蒸氣與回流液體進(jìn)行熱質(zhì)交換。在主冷液位升至大于聯(lián)鎖值、小于低報(bào)警值時(shí),同步對(duì)主塔氧氣、氮?dú)饧兌燃皻屦s分氬含量進(jìn)行調(diào)節(jié)。在主冷液位升至大于低報(bào)警值、小于正常運(yùn)行值時(shí),提前啟動(dòng)液氧泵,根據(jù)主冷液位變化,對(duì)主塔調(diào)純。在主冷液位升至正常運(yùn)行值時(shí),使主塔氧氣、氮?dú)饧兌扰c氬餾分氬含量達(dá)到正常運(yùn)行值,氧氣、氮?dú)猱a(chǎn)量與污氮?dú)饬髁縿t根據(jù)其純度分步調(diào)至正常運(yùn)行值,使精餾系統(tǒng)達(dá)到物料、組分、冷量平衡的狀態(tài)。

空分設(shè)備在主冷液位升至大于低報(bào)警值、小于正常運(yùn)行值時(shí),通過(guò)提前啟動(dòng)液氧泵,將液氧作為返流液體送至主換熱器氣化、復(fù)熱,此時(shí)必須提前將高壓空氣導(dǎo)入主換熱器與返流液氧換熱。此股高壓空氣在主換熱器內(nèi)降溫、液化,經(jīng)高壓節(jié)流閥節(jié)流降溫、降壓送至下塔,高壓液空提前通過(guò)高壓節(jié)流閥經(jīng)節(jié)流制冷,充分發(fā)揮內(nèi)壓縮流程空分設(shè)備高壓空氣節(jié)流閥制冷量高的優(yōu)勢(shì)。

同時(shí),因提前啟動(dòng)了液氧泵,將返流液氧提前導(dǎo)入主換熱器,使主換熱器中部溫度降低,根據(jù)膨脹端機(jī)前、機(jī)后溫度變化,提前將膨脹機(jī)膨脹量調(diào)至額定值,充分發(fā)揮內(nèi)壓縮流程空分設(shè)備中壓增壓透平膨脹機(jī)制冷量大的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)邊積液邊調(diào)純操作方法的運(yùn)用,提前啟動(dòng)液氧泵,使空分設(shè)備在積液調(diào)純階段處于高制冷量運(yùn)行狀態(tài)。

具有高焓值的高壓空氣提前導(dǎo)入組合式主換熱器,有效減小主換熱器熱端溫差,降低熱交換不完全冷損,使空分設(shè)備在積液調(diào)純階段處于低冷損運(yùn)行狀態(tài)。

返流液氧提前導(dǎo)入主換熱器,有效降低低壓空氣、中壓膨脹空氣、高壓空氣進(jìn)下塔溫度,增大下塔上升蒸氣液化量,減小下塔回流液體蒸發(fā)量,有助于增加下塔液空生成量及主冷液體生成量,縮短空分設(shè)備主冷積液時(shí)間。

邊積液邊調(diào)純過(guò)程是根據(jù)主冷液位上升變化同步對(duì)主塔進(jìn)行調(diào)純的。通過(guò)增大主冷熱負(fù)荷,降低上塔提餾段回流比,增大下塔回流比,調(diào)節(jié)下塔塔釜液空氧含量、下塔頂部液氮純度與上塔底部氧氣純度、上塔中部氬餾分氬含量、上塔頂部氮?dú)饧兌?縮短空分設(shè)備主塔調(diào)純時(shí)間。

2.2 邊積液邊調(diào)純操作方法運(yùn)用

2.2.1主換熱器操作

在主冷液位未升至低報(bào)警值、液氧泵未啟動(dòng)時(shí),主換熱器未導(dǎo)入返流液氧,低壓空氣、高壓空氣流量根據(jù)主換熱器冷端溫度的降低逐步增加,使低壓空氣、高壓空氣進(jìn)下塔溫度≤-172℃。同時(shí),全開(kāi)膨脹機(jī)膨脹端冷段進(jìn)氣閥V41、全關(guān)熱段進(jìn)氣閥V32,中壓膨脹空氣流量根據(jù)膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速分步增加。返流污氮?dú)?、氮?dú)庹{(diào)節(jié)閥根據(jù)主換熱器中部溫度的變化調(diào)節(jié)。

在主冷液位升至大于低報(bào)警值、提前啟動(dòng)液氧泵后,高壓空氣流量與壓力根據(jù)主換熱器熱端溫差、中壓膨脹空氣流量根據(jù)主換熱器中部溫度、低壓空氣流量根據(jù)下塔阻力分步增加。使設(shè)備處于高制冷量、低冷損運(yùn)行狀態(tài),將主冷液位升至正常運(yùn)行值。

2.2.2主塔操作

在主冷液位未升至低報(bào)警值、液氧泵未啟動(dòng)時(shí),根據(jù)主冷液位上升幅度,逐步開(kāi)啟液氮回流閥V11、純液氮節(jié)流閥V3,逐步增加主冷熱負(fù)荷,使上塔提餾段上升蒸氣與下塔回流液體量逐步增加,促使下塔、上塔精餾工況逐步建立。在此階段,液空節(jié)流閥V1仍保持全開(kāi),將下塔塔釜生成的液空全部送至上塔提餾段參與精餾。

在主冷液位升至大于聯(lián)鎖值、小于低報(bào)警值時(shí),開(kāi)啟液氧泵進(jìn)液閥與排液閥,對(duì)液氧泵預(yù)冷。根據(jù)主冷液位變化,調(diào)節(jié)液氧泵進(jìn)液閥與排液閥開(kāi)度,使主冷液體生成量大于液氧泵預(yù)冷液體氣化量,避免主冷液位降低。

在主冷液位升至大于低報(bào)警值、提前啟動(dòng)液氧泵后:在液氧泵啟動(dòng)初期,將液氧泵變頻器調(diào)節(jié)方式設(shè)定為手動(dòng)模式,根據(jù)主冷液位變化,開(kāi)啟液氧泵回流閥,使液氧泵處于低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài),降低主冷液體抽取量,使主冷液體生成量與液氧泵抽取量差值降至最小值,避免主冷液位降幅過(guò)大。隨著中壓膨脹空氣、高壓空氣流量的增加,在主冷液體生成量大于液氧泵抽取量時(shí),根據(jù)主冷液位升幅,調(diào)節(jié)液氧泵回流閥,逐步增加液氧泵流量。

同時(shí),根據(jù)下塔阻力與進(jìn)塔低壓空氣流量的變化,分步增加液氮回流閥V11閥門(mén)開(kāi)度。根據(jù)下塔液空氧含量、下塔液空液位變化,調(diào)節(jié)污液氮節(jié)流閥V2、液空節(jié)流閥V1閥門(mén)開(kāi)度。根據(jù)下塔頂部液氮與上塔頂部氣氮氧含量差值,逐步調(diào)節(jié)純液氮節(jié)流閥V3閥門(mén)開(kāi)度。使主塔物料、組分達(dá)到平衡狀態(tài),將氧氣、氮?dú)饧兌燃皻屦s分氬含量調(diào)至正常運(yùn)行值。

3 先積液后調(diào)純

先積液后調(diào)純是空分設(shè)備在熱開(kāi)車(chē)過(guò)程中采用的一種傳統(tǒng)的積液調(diào)純操作方法,過(guò)去較多運(yùn)用于膨脹空氣進(jìn)上塔的氧氣外壓縮流程空分設(shè)備。先積液后調(diào)純是將主冷積液與主塔調(diào)純分步操作。在空分設(shè)備熱開(kāi)車(chē)過(guò)程中,先對(duì)主冷積液,當(dāng)主冷液位升至正常運(yùn)行值后,再對(duì)主塔氧氣、氮?dú)饧兌燃皻屦s分氬含量進(jìn)行調(diào)節(jié),從而使精餾系統(tǒng)物料、組分、冷量達(dá)到平衡狀態(tài)。

在馬鋼20 000 m3/h空分設(shè)備熱開(kāi)車(chē)積液階段,因主冷液位未升至正常運(yùn)行值,液氧泵未啟動(dòng),導(dǎo)致進(jìn)入下塔的低壓空氣、中壓膨脹空氣溫度高,下塔上升蒸氣液化量低、回流液體蒸發(fā)量高,下塔塔釜液空與主冷液體生成量低。

因空分設(shè)備積液階段高壓空氣節(jié)流閥未開(kāi)啟,高壓空氣節(jié)流閥未能產(chǎn)生節(jié)流制冷量。同時(shí),積液階段主換熱器中部溫度高,使得中壓增壓透平膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速高、流量低?？辗衷O(shè)備積液階段處于低制冷量、高冷損運(yùn)行狀態(tài),主冷積液時(shí)間較長(zhǎng)。

在主冷液位升至正常運(yùn)行值、液氧泵啟動(dòng)后,對(duì)主塔調(diào)純時(shí),因開(kāi)啟液氮回流閥V11與純液氮節(jié)流閥V3,使主冷熱負(fù)荷增幅大,主冷蒸發(fā)側(cè)液體蒸發(fā)量大于液體生成量,主冷液位降幅大。同時(shí),主冷冷凝側(cè)上升蒸氣液化量增幅大,下塔液空液位、阻力及進(jìn)塔低壓空氣流量均大幅上升。在主塔調(diào)純過(guò)程中,氧氣、氮?dú)饧兌扰c液空氧含量、氬餾分氬含量波動(dòng)較大,主塔精餾工況不易建立。

為避免主冷液位降至液氧泵自動(dòng)停泵聯(lián)鎖值,造成液氧泵聯(lián)鎖停機(jī),使空分設(shè)備精餾系統(tǒng)聯(lián)鎖停運(yùn),停止對(duì)主塔調(diào)純,重新對(duì)主冷積液。在主冷液位再次升至正常運(yùn)行值后,重新對(duì)主塔調(diào)純,主塔調(diào)純時(shí)間較長(zhǎng)。

先積液后調(diào)純的操作過(guò)程是使主冷從達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)變?yōu)椴▌?dòng)狀態(tài),再由波動(dòng)狀態(tài)調(diào)至穩(wěn)定狀態(tài)。主冷積液與主塔調(diào)純重復(fù)交替進(jìn)行,精餾系統(tǒng)達(dá)到物料、組分、冷量平衡狀態(tài)時(shí)間長(zhǎng),造成空分設(shè)備熱開(kāi)車(chē)時(shí)間較長(zhǎng)。

4 兩種積液調(diào)純操作方法比較

內(nèi)壓縮流程空分設(shè)備具有冷量充裕、原料空氣均經(jīng)下塔進(jìn)行初步精餾分離、主冷連續(xù)抽取液氧的特點(diǎn)。在內(nèi)壓縮流程空分設(shè)備熱開(kāi)車(chē)過(guò)程中,采用邊積液邊調(diào)純操作方法,在較短時(shí)間內(nèi),使精餾系統(tǒng)物料、組分、冷量達(dá)到平衡狀態(tài)。同時(shí),在對(duì)主冷積液與主塔調(diào)純同步操作時(shí),主冷液位波動(dòng)小,主塔調(diào)純時(shí)間短,空分設(shè)備精餾工況易建立。邊積液邊調(diào)純操作方法充分利用內(nèi)壓縮流程空分設(shè)備工藝流程特點(diǎn),有效縮短內(nèi)壓縮流程空分設(shè)備熱開(kāi)車(chē)時(shí)間,馬鋼20 000 m3/h內(nèi)壓縮流程空分設(shè)備熱開(kāi)車(chē)氧氣、氮?dú)饧兌群细駮r(shí)間分別在31 h, 37 h以?xún)?nèi)。邊積液邊調(diào)純操作方法較適用于馬鋼20 000 m3/h液氧內(nèi)壓縮流程空分設(shè)備。

內(nèi)壓縮流程空分設(shè)備熱開(kāi)車(chē)過(guò)程中,采用傳統(tǒng)的先積液后調(diào)純的操作方法,使已穩(wěn)定的主冷液位波動(dòng)大,主冷積液時(shí)間較長(zhǎng)。主塔調(diào)純時(shí)主塔精餾工況波動(dòng)大,氧氣、氮?dú)饧兌燃皻屦s分氬含量達(dá)到正常運(yùn)行值時(shí)間較長(zhǎng)。先積液后調(diào)純操作方法使內(nèi)壓縮流程空分設(shè)備熱開(kāi)車(chē)時(shí)間較長(zhǎng),馬鋼20 000 m3/h內(nèi)壓縮流程空分設(shè)備熱開(kāi)車(chē),氧氣、氮?dú)饧兌群细駮r(shí)間分別在36.75 h, 43 h以上。先積液后調(diào)純操作方法未能發(fā)揮內(nèi)壓縮流程空分設(shè)備的優(yōu)勢(shì)。

在內(nèi)壓縮流程空分設(shè)備熱開(kāi)車(chē)過(guò)程中運(yùn)用邊積液邊調(diào)純操作方法,要求操作人員必須掌握較深層次的制氧理論知識(shí)及豐富的空分設(shè)備操作經(jīng)驗(yàn),方能保證空分設(shè)備熱開(kāi)車(chē)安全穩(wěn)定。

因20 000 m3/h等級(jí)中小型空分設(shè)備主冷儲(chǔ)存液體容積量與液氧泵流量相比較大,主冷液體緩沖能力較強(qiáng),在中小型內(nèi)壓縮流程空分設(shè)備熱開(kāi)車(chē)過(guò)程中,邊積液邊調(diào)純操作方法易于實(shí)施。

因筆者工作經(jīng)歷所限,未能在大型或特大型內(nèi)壓縮流程空分設(shè)備熱開(kāi)車(chē)過(guò)程中運(yùn)用邊積液邊調(diào)純的操作方法。因大型或特大型空分設(shè)備主冷儲(chǔ)存液【】【】體容積量與液氧泵流量相比較小,主冷液體緩沖能力不強(qiáng)。在大型或特大型內(nèi)壓縮流程空分設(shè)備熱開(kāi)車(chē)過(guò)程中,應(yīng)根據(jù)空分設(shè)備實(shí)際狀況,有針對(duì)性地實(shí)施、完善邊積液邊調(diào)純操作方法,在液氧泵啟動(dòng)初期,防止主冷液位降幅大。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著空分設(shè)備技術(shù)的不斷發(fā)展、工藝流程的不斷創(chuàng)新,在空分設(shè)備開(kāi)車(chē)、運(yùn)行中,必須根據(jù)低溫制氧精餾理論和空分設(shè)備流程特點(diǎn),對(duì)空分設(shè)備采取有針對(duì)性、行之有效的操作方法,才能最大化發(fā)揮空分設(shè)備性能,保證設(shè)備安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。