本套裝置是杭氧首套中壓內壓縮大型空分設備，為使廣大關心杭氧技術發(fā)展的朋友們進一步了解該設備的情況，我們在這里對這套設備的研制情況作一系統(tǒng)的介紹。

1 設備的主要性能指標

    金川“14000”空分設備性能指標見表1。

        表1 金川14000m³／h內壓縮空分設備主要指標

*( )內為產液氬時工況指標

2 流程的組織

    大型內壓縮流程的空分設備，在20世紀80年代初主要是由于大型合成氨工程的上馬，才由德國林德公司引入我國。到了90年代，隨著我國大型冶金、石化企業(yè)的發(fā)展，相繼引進了一批大型內壓縮空分設備，此時的工藝流程形式已經取得了飛速的發(fā)展，空氣凈化采用分子篩吸附，制氬采用了全精餾無氫制氬流程。同時這種新的流程形式也得到了國內冶金、石化企業(yè)的普遍關注。正是由于內壓縮流程的一些新穎的特點，如用增壓空氣壓縮機+液氧泵+中壓換熱器取代了較為復雜的氧透，在客觀上為制氧行業(yè)提供了一個新的流程選擇形式。

    目前國內外空分制造廠家，所采用的內壓縮流程絕大部分是空氣增壓流程，在這類流程中根據用戶的不同需要大體可分為兩種形式：一種是膨脹空氣進上塔，另一種是膨脹空氣進下塔。

    膨脹空氣進上塔流程，主要針對產品液體量需求不大的用戶，產品液體總量一般是產品氧氣量的3％~5％。它的優(yōu)點是：流程簡單；采用常規(guī)增壓透平膨脹機，操作方便；中壓換熱器單個設計，可靠性強，液氧不會產生偏流；裝置的氧、氬提取率大致與常規(guī)外壓縮空分相當。

    膨脹空氣進下塔流程，主要針對產品液體量需求大的用戶，產品液體總量可達到產品氧氣量的10％以上。它的優(yōu)點是提取率高，這是因為所有進冷箱的空氣都可參加精餾；相對而言，流程較為復雜，操作考慮的因素較多，設備的投資增大。

    針對金川14000m³／h內壓縮空分設備，我們對多種內壓縮方案進行了比較論證，最終選擇了膨脹空氣進上塔流程，并得到了實踐的驗證。

    金川“14000”空分流程簡圖如圖1所示。

    AF—空氣過濾器 MS—分子篩吸附器 TC2—中壓空氣透平壓縮機 K2—氧增壓器 K702—粗氬液化器 TCl—空氣透平壓縮機 EH—電加熱器 E3—氧熱交換器 C701—粗氬塔I K703—精氬冷凝器 AC—空氣冷卻塔 ET—增壓透平膨脹機 K1—冷凝蒸發(fā)器 C702—精氬塔Ⅱ K704-精氬蒸發(fā)器 WC—水冷卻塔 E1—主熱交換器 C1—下塔 C703—精氬塔 AP—液氬泵 WP-水泵 E2—液空液氮過冷器 C2—上塔 K701—粗氬冷凝器 OP—掖氧泵

圖1 KDON—14000／14000型分子篩增壓全精餾制氬內壓縮空分設備流程簡圖

    在內壓縮流程中，還有一個十分重要的參數(shù)需要確定，那就是空氣增壓機的出口壓力。這個壓力設計得是否合理，直接關系到流程設計的合理性以及設備的一次投資及運行成本的高低。眾所周知，所謂的內壓縮就是在冷箱內用液氧泵將液氧加壓到所需壓力，然后通過中壓換熱器與經過增壓壓縮機增壓后的中壓空氣進行換熱，復熱后送至用戶。作為熱源的中壓空氣的壓力是可變的，在一定的壓力范圍內，壓力低所需的空氣量就要大，壓力高所需的空氣量相對要小，這與空分設備的投資、能耗直接相關。我們在引進林德公司精餾計算軟件的基礎上，針對性地開發(fā)了內壓縮流程的計算模塊，該模塊可將熱力平衡計算、物料平衡計算及換熱器熱力計算(引進美國S—W公司軟件)與林德的精餾計算軟件有機地聯(lián)系起來，并可同時完成精氬的計算，這就有條件對增壓機的出口壓力進行優(yōu)化設計。我們通過選擇不同的出口壓力進行計算，綜合壓縮機制造商普遍的制造水平、裝置能耗水平、投資的因素及中壓換熱器的因素，確定了合理的出口壓力，相應地也確定了所需的中壓空氣量及中壓換熱器的參數(shù)。這些經優(yōu)化的參數(shù)在以后的調試過程中證明與我們的設計思路是十分吻合的，裝置運行的參數(shù)是十分準確的。

    另外對于金川“14000”空分設備的低壓氧氣的制取，我們利用液氧的液位差，采用液氧自增壓的方法得到所需壓力的氧氣，熱源是低壓空氣，低壓氧氣經過換熱器復熱后送至用戶。這就同時滿足了用戶對產品不同壓力等級的需要。

3 裝置的安全性考慮

    我們一直認為，空分的設計安全性是第一的，有了安全保障，才能去談性能的先進性。常規(guī)的外壓縮空分設備最不安全的因素在主冷，在這方面采取的主要措施是排放1％的液氧及定期分析液氧中的碳氫化合物和乙炔的含量。而內壓縮空分設備，由于主冷中的液氧被大量抽取去液氧泵加壓，因此，在主冷中碳氫化合物大量聚集是不可能的。

    金川公司“14000”空分設備中壓氧壓力為1．8MPa(G)，液氧在中壓換熱器中復熱蒸發(fā)，在此壓力下，所對應的沸點溫度為—141．3℃，在此溫度碳氫化合物(甲烷、乙烷、丙烷、乙烯)不可能出現(xiàn)固態(tài)析出，它們是隨著液氧的蒸發(fā)而蒸發(fā)，不會聚集，因而中壓換熱器是處于安全狀態(tài)的。

    對于金川“14000”空分設備的低壓氧制取部分，由于是采用液氧蒸發(fā)器增壓，液氧蒸發(fā)的工作狀態(tài)同主冷基本相同，碳氫化合物及乙炔聚集的可能性是存在的。針對這個問題，我們在設計中考慮了1％液氧安全排放，蒸發(fā)器為全浸式操作，并要求設置碳氫化合物及乙炔在線分析。另外，除了針對液氧的安全性考慮外，還將液氧泵的啟動和操作設在遠離液氧泵的室內。其余還設置了必要的安全閥，尤其是在液氧管路上。

4 裝置的特點

    膨脹空氣進上塔流程的內壓縮空分設備，原料空氣的壓縮、冷卻和產冷的手段基本與常規(guī)外壓縮流程相同，不同的是凈化后的原料空氣被抽取了一部分去空氣增壓機增壓，作為汽化經加壓后的液氧的熱源，這個過程在中壓換熱器中進行。

    相對來說，內壓縮流程所設置的增壓壓縮機，從國外引進的占大多數(shù)，各種壓力等級均有相應的成熟產品。關鍵的設備(中壓換熱器、抽取液體形式的分餾塔及給液氧加壓的液氧泵)基本上在冷箱內。

    金川“14000”空分設備的中壓換熱器設計的熱源空氣壓力是超臨界狀態(tài)的，物性參數(shù)的準確性對中壓換熱器的設計十分重要。我們在引進美國S—W公司換熱器計算軟件基礎上，運用杭氧自行開發(fā)的內壓縮計算模塊及美國Aspen計算軟件，對中壓換熱器進行了優(yōu)化設計，確定了各截面的設計參數(shù)。同時，為了進一步提高裝置的可靠性，中壓換熱器選擇了國外知名品牌產品。通過對國外公司反饋的各截面的參數(shù)的對比分析，證明我們的計算軟件是可靠準確的。

    另一關鍵設備就是分餾塔，對于抽取大量液體的分餾塔，從流程計算的角度來看，要比常規(guī)外壓縮空分設備復雜得多，尤其是對帶氬的空分設備。通過對林德公司精餾計算軟件近二十年的使用開發(fā)，我們已經對各種流程工況的計算運用十分成熟；另一方面填料塔的設計通過與法液空及蘇爾壽公司的技術合作，也充分掌握了抽取大液體量的填料塔的設計，保證了填料塔各進出口的準確性，尤其是氬餾分抽口的準確性。這一點我們在云銅“16000”內壓縮空分、京聯(lián)“1500”液體設備及以后安彩“10000”空分設備上得到了實踐的證明，裝置的氬提取率都能超過我們的設計要求。金川“14000”的填料上塔采用的是法液空的填料。

    金川“14000”內壓縮空分的液體泵，我們經過多方的實地考察與方案比較，選用的是法國Cryostar公司的帶變頻調節(jié)的離心式單級低溫液氧泵，流程的配置采用了一用一備形式，即一臺使用另一臺拎備用。這也是國際上內壓縮流程采用的通行的方法，這充分保證了中壓氧的連續(xù)供應，提高了裝置整體的可靠性。 

    內壓縮空分設備另一特點是帶壓低溫管道多。目前我們冷箱的管道設計采用的是PDMS軟件，并可進行三維造型，單線圖自動輸出。這保證了管道在安裝過程中走向的準確性。同時對液體管道、帶壓的低溫管道等主要管線采用MSC／NASTRAN應力分析、計算軟件進行分析計算，確定關鍵點支架位置及形式，保證了裝置在低溫狀態(tài)下，管系有良好的受力狀態(tài)。另外對主要的管道我們選用高強度鋁合金材料，同時配備了專用焊絲，這從客觀上保證了管道焊縫的強度。

5 關鍵部機的控制方式

    在大型外壓縮常規(guī)流程中，控制的關鍵點是在氧氣透平壓縮機上。這基本上是圍繞安全這一出發(fā)點設置的，監(jiān)控點大至有一百個以上，控制回路有十多個。從我們參與的空分設備調試情況看，目前氧透的控制是十分完善的，自動化程度也很高，不需人在現(xiàn)場操作。

    在大型內壓縮空分設備中，我們認為控制的關鍵點在增壓機的恒壓控制及液氧泵的邏輯控制上。對于增壓機的控制，各壓縮機制造廠家都有自己的成熟的控制方式，也基本都能滿足空分設備的運行要求。在這不作 進一步的探討。

    液氧泵的控制方式，對我們來說是新鮮 事物，不光需要理論上的設計，還需要實際 運行的經驗來完善。

    針對金川“14000”內壓縮空分設備的 液氧泵的控制原則。我們從五個方面來考 慮：第一，外部因素對液氧泵的運行及中壓臣換熱器液氧汽化的影響；第二，液氧泵自身因素對成套空分的影響；第三，兩臺液氧泵互為備用的方式；第四，液氧泵在運行過程中的調節(jié)方式；第五，液氧泵操作的安全考慮。第一、二點因各制造廠考慮的因素不同，在這里不作具體說明，第五點在裝置的安全性考慮中已有述說。

    這里對第三、四點做一些簡要說明，液氧泵互為備用方式，我們是采取冷備用方式，這其中有多種模式可以選擇，如低速備用、半負荷備用。從實際運行來看，備用泵從冷備狀態(tài)啟動達到負荷運行的時間是很短的(3~5秒)。液氧泵的負荷調節(jié)，我們設計了就地及中控均可調節(jié)；液氧泵的開停車在中控及就地均可實現(xiàn)；液氧泵的出口采用恒壓控制。通過對整套設備的調試，我們設計的控制方案是較為完善的，基本達到了國外內壓縮空分設備對液氧泵的控制水平。

6 結束語

    目前，杭氧大型內壓縮空分設備的成套設計已趨完善，并制定了相應的設計規(guī)范。到目前為止，杭氧已為多家用戶開發(fā)了多種形式的內壓縮流程：膨脹空氣進上塔的有浩良河“18000” [氧氣壓力達6．4MPa(G))化工型內壓縮空分；營口“15000”[氧氣壓力為3．0MPa(G))冶金型內壓縮空分等；膨脹空氣進下塔的有馬鋼“20000”全提取內壓縮空分，萊鋼“12000"、杭鋼“20000”等冶金型內壓縮空分設備。

    在這里順便也談一下研制過程中的一些粗淺感想。內壓縮流程的組織形式不象常規(guī)流程那么整齊劃一，它的選擇是多種多樣的，這主要取決于用戶對產品品種的要求及設備制造廠的技術方案的比較分析結果。我們認為滿足同一要求的合理的技術方案應該具有安全可靠、投資省、流程簡潔、可操作性強、維護簡單方便、運行成本低等特點。

    另外，隨著內壓縮流程不斷成熟，選用可靠的國產化關鍵部機是可行的，如原料壓縮機、增壓壓縮機、膨脹機、中壓換熱器、閥門等，這不僅降低了設備的投資費用，還可以帶動相關的成套設備的技術進步。

    最后，在此我們對給金川“14000”內壓縮空分設備的設計、調試工作大力支持的金川集團公司及中國空分設備公司，表示謝意。