论文部分内容阅读
摘 要： 介绍用先进设计理念对八十年代技术的六千等级空分进行技术改造的实例，通过改造前分析，改造措施的提出及改造设计实施过程中的难点分析了解整个改造设计过程，并最终通过实际运用，使改造后的装置在产品指标达标的同时达到技术先进、投资合理、节能降耗的要求。
关键词： 六千空分；改造设计；节能降耗
1 背景
某大型石化企业一套八十年代初期的6000Nm3/h等级空分设备，随着时间的推移和生产能力的不断提升，该设备技术上已处于落后，产品提取率偏低，并且无法满足现有生产能力的要求。此次，该厂由于进一步扩大产能，需要对此套6000Nm3/h等级空分进行技术改造，对装置的产品产量提出了新的要求。改造后的空分装置性能指标与原指标比较如下表：
2 设计理念
本次技术改造项目由我司实施EPC总承包，公司技术部门负责对原有装置进行重新优化设计。本次改造采用目前先进成熟的第六代空分技术及先进控制理念，设计侧重于操作安全可靠，可利用率高。针对空分装置的使用特点及使用条件，进行了详细的流程研究和优化，最终确定改造方案，力求做到能耗低、投资少，同时可靠性高、操作简便。
3 主要改造内容
1）采用先进的立式径向流分子筛吸附器替代原有的卧式分析筛吸附器。立式径向流分子筛吸附器为圆柱体隔栅结构，与常规卧式吸附器相比，床层薄，阻力小，空气流动时的压降小，在同等需求下可以降低空压机的排气压力。按照常规计算，低压的污氮气压力每降低1KPa，空压机排气压力可以降低约3KPa。通过计算对比，同等级设备立式径向流分子筛吸附器的床层阻力比常规卧式吸附器阻力减小约1.5～2KPa，由此计算，通过降低吸附器阻力，与采用卧式吸附器相比，可使纯化器系统的能耗降低约10%～15%，即可降低空压机轴功率0.52%～0.7%。同时，与卧式吸附器相比，立式径向流分子筛吸附器占地面积大大减少，仅为同等级的1/4。
2）对原有流程进行了重新优化，根据原有装置设备图纸及相关资料重新设计流程组织，通过流程模拟计算及设备参数核算，充分利用可利旧的设备，并力求做到降低能耗，提高设备可靠性及操作弹性，使操作更为简便。冷箱内主要可利旧设备包括主换热器组合、下塔及主冷凝蒸发器。
3）更换旧装置中两台电机制动的透平膨胀机，改造后使用两台增压透平膨胀机。最新的国产增压透平膨胀机较80年代的产品，膨胀端效率更高，整机控制更先进，操作更方便。同时，采用增压端代替电机制动，一方面更大限度的利用了膨胀端的输出功，另一方面提高了膨胀机膨胀端的膨胀比，提高了单位膨胀量产生的制冷量。经计算表明，通过改造后的设备所需膨胀空气量较原先减少了超过一半，这一部分膨胀量能够全部进入上塔参与精馏，而不需要再抽出一部分旁通入污氮返流气中，使产品提取率大大提高。
4）对原有筛板上塔进行技术改造，依据新的性能考核指标，重新设计精馏参数，在不改变筛板结构下塔的基础上，将原有筛板上塔改造成规整填料上塔。经改造后使用规整填料上塔一方面将大大降低上塔阻力，增加上塔操作弹性，另一方面通过返算可以降低空压机排气压力，达到节能降耗减少投资的效果。改造后上塔塔高比原筛板塔结构增加近5米，塔径相比原来有所减小。
5）对原空分主冷箱进行加高，由于改造后规整填料上塔高度较原筛板塔结构有所增加，因此原冷箱高度已经无法满足新上下塔组合总高的要求，整个空分冷箱需要在原冷箱顶部增加一段加高冷箱，高度为6000mm。加高冷箱骨架结构及连接方式与原冷箱相同，骨架型钢材料选用Q235-B。加高后空分主冷箱整体高度由原来的39690mm增加到45690mm。加高后空分冷箱利用STAAD结构计算软件，进行强度及稳定性分析，包括地震载荷、风载、雪载及地脚螺栓强度校核，计算结果合格。
6）对主换热器部分进行改造。由于改造后设备氮气、污氮气流量发生变化，换热器各物料通道需要重新进行分配，才能使利旧主换热器接近原设计工况。经过计算，原主换热器组仍可利用。另一方面，由于采用了增压透平膨胀机，来自分子筛的加工空气中经过膨胀机增压端的增压，增加了一股增压空气，压力达到0.8MPa（A）以上。而原换热器设计压力没有那么高，这股增压空气无法进入原主换热器组进行换热，所以在原换热器系统中需要增加一台增压空气换热器单独让这股增压空气换热后进入增压膨胀机膨胀端膨胀进上塔参与精馏。
7）冷箱内配管的改造，根据冷箱内设备位置重新进行冷箱内配管，充分利用现有冷箱空间，在满足管道在低温状态收缩补偿的前提下尽可能做到配管简单，美观，易于查找，阀门及仪表位置布置合理。
4 改造设计中的难点分析
1）新的主换热系统由三只利旧主换热器组合和一只新增增压空气换热器组成。除了新增加的一只增压空气换热器外，需要对原有的换热器根据新的各股物料流量进行通道数的重新分配，使之接近主换热器原设计工作状態。为此，对原换热器组合结构上进行如下调整：原中抽空气流路取消，增加了返流污氮的中抽流路，利用这部分中抽污氮气作为增压空气换热器的冷源与出增压膨胀机增压端的增压空气进行换热。经过调整后的换热器与原设计工况相比，流程组织及物料分配发生比较大的变化，使换热器操作不确定性提高。为了保险起见，改进了原有空气进换热器总管的设计，将空气总管在板式冷箱顶上进行分配，在进每组换热器的支管上增设手动阀，作为换热器工况的一个调节手段，防止换热器出现偏流而造成无法调节的尴尬后果。这样一来有利于换热器工作状态的调节，防止因换热器本身分配不均造成换热器温差的偏差。另外，对那股新增中抽污氮返流气体的温度和增压空气出增压换热器的温度也通过管道配管和增设阀门增加了调温手段，防止实际操作温度与设计情况出现偏差。
2）下塔精馏状况直接影响到上塔的精馏，此次改造将原先筛板塔结构上塔改造为规整填料上塔，而原筛板下塔及主冷凝蒸发器保留。在精馏计算中，原先下塔精馏的模拟计算将直接影响到改造上塔的精馏参数，影响规整填料上塔的设计。经过仔细的核算和翻阅之前的图纸资料，发现利旧的筛板下塔理论塔板数偏少（实际筛板数量为52块），精馏状况不佳。这样一来，下塔底部液空偏少，液空液氮经过冷器过冷回流到上塔的总液体量减少，直接导致上塔回流比减小，影响上塔气相产品纯度。而此次改造的最终目的是将氮气产品产量从原先的13000Nm3/h提高到20000Nm3/h，整个装置氧氮产品提取比例超过了1：3（氧气产量6000Nm3/h），这本身就影响到了上塔的提取率。在这种情况下，还要保持氮气纯度（≤10×10-6O2）就变得尤为困难，这也是此次上塔改造中重点要考虑的问题。经过多次精馏模拟计算和上塔理论塔板数的调整，发现从上塔污氮出口到纯氮气出口这段（辅塔）的塔板数对产品氮气纯度的影响特别敏感。最后，通过增加辅塔的理论塔板数使产品氮气纯度达到了要求。改造后新规整填料上塔较原筛板上塔增加近5m，与其它空分设备中采用规整填料的上塔相比辅塔段高度明显增加。
5 结束语
该石化企业6000Nm3/h技术改造项目，自初期技术改造方案确立以来，在整个设计过程中充分参考和吸取了目前国内外先进空分技术的经验，并查阅了大量相关资料，力求使此次装置技术改造达到技术先进性，经济合理性，使用可靠性的要求。该装置于2011年12月重新进入开车调试，结果令人满意。从目前的运行情况来看，改造后的空分装置满足设计要求，达到扩容后产量纯度需求，装置改造取得成功且效果明显。通过增压透平膨胀制冷技术、立式径向流吸附技术及填料上塔技术的运用，大大提高了氧的提取率，并且降低了装置的阻力，使空压机排气量及排气压机同时得以降低，从根本上达到了降低能耗的目的。同时，通过先进控制系统的运用，使改造后的装置控制更加简便更加合理化，减少诸多人为因素造成设备故障的可能性，使设备运行更加平稳与安全可靠。
参考文献：
[1]李化治，制氧技术（第2版），冶金工业出版社，2009.
[2]毛绍融、朱朔元、周智勇，现代空分设备技术与操作原理，杭州出版社，2005.
[3]王树楹，现代填料塔技术指南，中国石化出版社，1998.
关键词： 六千空分；改造设计；节能降耗
1 背景
某大型石化企业一套八十年代初期的6000Nm3/h等级空分设备，随着时间的推移和生产能力的不断提升，该设备技术上已处于落后，产品提取率偏低，并且无法满足现有生产能力的要求。此次，该厂由于进一步扩大产能，需要对此套6000Nm3/h等级空分进行技术改造，对装置的产品产量提出了新的要求。改造后的空分装置性能指标与原指标比较如下表：
2 设计理念
本次技术改造项目由我司实施EPC总承包，公司技术部门负责对原有装置进行重新优化设计。本次改造采用目前先进成熟的第六代空分技术及先进控制理念，设计侧重于操作安全可靠，可利用率高。针对空分装置的使用特点及使用条件，进行了详细的流程研究和优化，最终确定改造方案，力求做到能耗低、投资少，同时可靠性高、操作简便。
3 主要改造内容
1）采用先进的立式径向流分子筛吸附器替代原有的卧式分析筛吸附器。立式径向流分子筛吸附器为圆柱体隔栅结构，与常规卧式吸附器相比，床层薄，阻力小，空气流动时的压降小，在同等需求下可以降低空压机的排气压力。按照常规计算，低压的污氮气压力每降低1KPa，空压机排气压力可以降低约3KPa。通过计算对比，同等级设备立式径向流分子筛吸附器的床层阻力比常规卧式吸附器阻力减小约1.5～2KPa，由此计算，通过降低吸附器阻力，与采用卧式吸附器相比，可使纯化器系统的能耗降低约10%～15%，即可降低空压机轴功率0.52%～0.7%。同时，与卧式吸附器相比，立式径向流分子筛吸附器占地面积大大减少，仅为同等级的1/4。
2）对原有流程进行了重新优化，根据原有装置设备图纸及相关资料重新设计流程组织，通过流程模拟计算及设备参数核算，充分利用可利旧的设备，并力求做到降低能耗，提高设备可靠性及操作弹性，使操作更为简便。冷箱内主要可利旧设备包括主换热器组合、下塔及主冷凝蒸发器。
3）更换旧装置中两台电机制动的透平膨胀机，改造后使用两台增压透平膨胀机。最新的国产增压透平膨胀机较80年代的产品，膨胀端效率更高，整机控制更先进，操作更方便。同时，采用增压端代替电机制动，一方面更大限度的利用了膨胀端的输出功，另一方面提高了膨胀机膨胀端的膨胀比，提高了单位膨胀量产生的制冷量。经计算表明，通过改造后的设备所需膨胀空气量较原先减少了超过一半，这一部分膨胀量能够全部进入上塔参与精馏，而不需要再抽出一部分旁通入污氮返流气中，使产品提取率大大提高。
4）对原有筛板上塔进行技术改造，依据新的性能考核指标，重新设计精馏参数，在不改变筛板结构下塔的基础上，将原有筛板上塔改造成规整填料上塔。经改造后使用规整填料上塔一方面将大大降低上塔阻力，增加上塔操作弹性，另一方面通过返算可以降低空压机排气压力，达到节能降耗减少投资的效果。改造后上塔塔高比原筛板塔结构增加近5米，塔径相比原来有所减小。
5）对原空分主冷箱进行加高，由于改造后规整填料上塔高度较原筛板塔结构有所增加，因此原冷箱高度已经无法满足新上下塔组合总高的要求，整个空分冷箱需要在原冷箱顶部增加一段加高冷箱，高度为6000mm。加高冷箱骨架结构及连接方式与原冷箱相同，骨架型钢材料选用Q235-B。加高后空分主冷箱整体高度由原来的39690mm增加到45690mm。加高后空分冷箱利用STAAD结构计算软件，进行强度及稳定性分析，包括地震载荷、风载、雪载及地脚螺栓强度校核，计算结果合格。
6）对主换热器部分进行改造。由于改造后设备氮气、污氮气流量发生变化，换热器各物料通道需要重新进行分配，才能使利旧主换热器接近原设计工况。经过计算，原主换热器组仍可利用。另一方面，由于采用了增压透平膨胀机，来自分子筛的加工空气中经过膨胀机增压端的增压，增加了一股增压空气，压力达到0.8MPa（A）以上。而原换热器设计压力没有那么高，这股增压空气无法进入原主换热器组进行换热，所以在原换热器系统中需要增加一台增压空气换热器单独让这股增压空气换热后进入增压膨胀机膨胀端膨胀进上塔参与精馏。
7）冷箱内配管的改造，根据冷箱内设备位置重新进行冷箱内配管，充分利用现有冷箱空间，在满足管道在低温状态收缩补偿的前提下尽可能做到配管简单，美观，易于查找，阀门及仪表位置布置合理。
4 改造设计中的难点分析
1）新的主换热系统由三只利旧主换热器组合和一只新增增压空气换热器组成。除了新增加的一只增压空气换热器外，需要对原有的换热器根据新的各股物料流量进行通道数的重新分配，使之接近主换热器原设计工作状態。为此，对原换热器组合结构上进行如下调整：原中抽空气流路取消，增加了返流污氮的中抽流路，利用这部分中抽污氮气作为增压空气换热器的冷源与出增压膨胀机增压端的增压空气进行换热。经过调整后的换热器与原设计工况相比，流程组织及物料分配发生比较大的变化，使换热器操作不确定性提高。为了保险起见，改进了原有空气进换热器总管的设计，将空气总管在板式冷箱顶上进行分配，在进每组换热器的支管上增设手动阀，作为换热器工况的一个调节手段，防止换热器出现偏流而造成无法调节的尴尬后果。这样一来有利于换热器工作状态的调节，防止因换热器本身分配不均造成换热器温差的偏差。另外，对那股新增中抽污氮返流气体的温度和增压空气出增压换热器的温度也通过管道配管和增设阀门增加了调温手段，防止实际操作温度与设计情况出现偏差。
2）下塔精馏状况直接影响到上塔的精馏，此次改造将原先筛板塔结构上塔改造为规整填料上塔，而原筛板下塔及主冷凝蒸发器保留。在精馏计算中，原先下塔精馏的模拟计算将直接影响到改造上塔的精馏参数，影响规整填料上塔的设计。经过仔细的核算和翻阅之前的图纸资料，发现利旧的筛板下塔理论塔板数偏少（实际筛板数量为52块），精馏状况不佳。这样一来，下塔底部液空偏少，液空液氮经过冷器过冷回流到上塔的总液体量减少，直接导致上塔回流比减小，影响上塔气相产品纯度。而此次改造的最终目的是将氮气产品产量从原先的13000Nm3/h提高到20000Nm3/h，整个装置氧氮产品提取比例超过了1：3（氧气产量6000Nm3/h），这本身就影响到了上塔的提取率。在这种情况下，还要保持氮气纯度（≤10×10-6O2）就变得尤为困难，这也是此次上塔改造中重点要考虑的问题。经过多次精馏模拟计算和上塔理论塔板数的调整，发现从上塔污氮出口到纯氮气出口这段（辅塔）的塔板数对产品氮气纯度的影响特别敏感。最后，通过增加辅塔的理论塔板数使产品氮气纯度达到了要求。改造后新规整填料上塔较原筛板上塔增加近5m，与其它空分设备中采用规整填料的上塔相比辅塔段高度明显增加。
5 结束语
该石化企业6000Nm3/h技术改造项目，自初期技术改造方案确立以来，在整个设计过程中充分参考和吸取了目前国内外先进空分技术的经验，并查阅了大量相关资料，力求使此次装置技术改造达到技术先进性，经济合理性，使用可靠性的要求。该装置于2011年12月重新进入开车调试，结果令人满意。从目前的运行情况来看，改造后的空分装置满足设计要求，达到扩容后产量纯度需求，装置改造取得成功且效果明显。通过增压透平膨胀制冷技术、立式径向流吸附技术及填料上塔技术的运用，大大提高了氧的提取率，并且降低了装置的阻力，使空压机排气量及排气压机同时得以降低，从根本上达到了降低能耗的目的。同时，通过先进控制系统的运用，使改造后的装置控制更加简便更加合理化，减少诸多人为因素造成设备故障的可能性，使设备运行更加平稳与安全可靠。
参考文献：
[1]李化治，制氧技术（第2版），冶金工业出版社，2009.
[2]毛绍融、朱朔元、周智勇，现代空分设备技术与操作原理，杭州出版社，2005.
[3]王树楹，现代填料塔技术指南，中国石化出版社，1998.