環境因素對空分設備運行影響的分析

王 釗，葛偉偉，劉躍康，周黎躍

(酒泉衛星發射中心，甘肅 酒泉 732750)

1 前 言

KDON-400Y/400Y型空分設備投產運行于某制氧車間，通過一系列的空分設備適應性改造工作，確保了該套設備的安全運行，且生產能力得到穩步提高。但是因環境溫度升高而降低設備本身的運行可靠性問題仍需做進一步改進，因此，對該套設備的運行節點以及工藝流程進行了分析，并提出具體可行的方案，確保系統的運行穩定性。

2 空分流程簡介

制氧生產使用的是空分設備，其中4臺空壓機在生產中為用3備1，2臺膨脹機用1備1，純化器1組再生切換使用。生產流程為：1臺空壓機提供原料氣體，通過預冷機機組使原料氣體降溫，經油水分離器后進入純化器進行干燥凈化，去除水分、二氧化碳和碳氫化合物后的潔凈空氣進入主換熱器，經過熱交換溫度降至-173℃后進入空分塔進行精餾；冷卻原料氣體的冷量由制冷循環系統提供，制冷循環系統使用的氣體為經過純化器凈化后的潔凈空氣，由2臺空壓機循環氣體，加壓后的潔凈空氣進入增壓機增壓后進入膨脹端，壓力下降，氣體對外做功，溫度下降，膨脹后的空氣溫度在-183℃左右進入主換熱器用于冷卻原料空氣，換熱后的氣體再由空壓機壓縮提高壓力。在循環過程中，損耗的氣體用原料氣體進行補充。

3 環境因素分析

通過對空分流程的簡要介紹，可以對水、電、環境溫度以及濕度、工藝流程因素等方面逐一進行分析。

3.1 環境溫度和濕度對系統的影響

空分系統生產使用的原料就是普通的空氣，在正常情況下，一方面環境空氣溫度越高單位氣體的含濕量就越高，對空分設備的除濕凈化系統而言，負荷也就越大；另一方面空氣溫度越高，空分制冷系統的工作負荷也就越大，對冷卻系統而言，環境溫度越高，水溫越高，對設備的冷卻效果就會越差,相對于整體產量有所不同。冬季、夏季的環境溫度和濕度對比情況如表1、表2所示。

表1 夏季溫、濕度對比數值Table 1 Comparison value of temperature and humidity in summer

表2 冬季溫、濕度對比數值Table 2 Comparison value of temperature and humidity in winter

根據溫度與濕度對比數值分析，夏季溫度、濕度對比數值與冬季溫度、濕度對比數值相差較大，夏季大氣中水分子明顯比冬季水分子多。因同一體積空氣中水分子含量比重較大，致使同一體積空氣中相對空分需要的氣體含量減少。圖1為循環氣體壓力對比值。

圖1 循環氣體壓力對比值Fig.1 Cyclic gas pressure pair ratio

3.1.1對空壓機的影響

環境溫度對壓縮機的運行溫度影響較大，一般情況下，環境溫度越高，壓縮空氣的溫度也就越高，壓縮空氣的熱量也就越多。以某次開機原料氣壓縮機為例，同一臺原料氣壓縮機在吸入壓力、排氣壓力、冷卻水壓力均相同的情況下，在環境溫度較高和較低兩個環境下運轉的參數對比情況如表3所示。

表3 原料氣壓縮機不同環境下的運轉參數Table 3 Operating parameters of gas compressor in different environments 單位：℃

可見環境溫度越高，冷卻水的進水溫度也就越高，壓縮機各溫度運行參數也越高。根據操作規定，ZW-48/7-Ⅱ型空氣壓縮機一級排氣溫度不超過160℃，然而在夏季高溫時段，壓縮機在一級排氣溫度159℃長期運轉，導致磨損、泄漏、氣閥損壞等故障發生率呈上升趨勢。

3.1.2對純化器的影響

空分設備純化器是采用分子篩吸附空氣中的水分、二氧化碳和碳氫化合物等雜質。對相對濕度、溫度(<30℃)越低的氣體，分子篩的吸附能力越強。根據ZW-48/7-Ⅱ型空氣壓縮機換熱部件目前的性能狀況，在高溫季節運行時，原料氣空壓機二級冷卻后溫度比較高。經油水分離器吹除掉的水分相對較少，而更多的水分就會隨壓縮氣體進入純化器?？諝庠诓煌瑴囟认碌乃诛柡秃咳绫?所示。

表4 空氣在不同溫度下的飽和水分含量Table 4 Saturated moisture content of air at different temperatures

溫度越高，空氣含水量就越高，純化器的運行負荷越大，縮短其再生周期降低了對二氧化碳及碳氫化合物等雜質的吸附效率。

3.2 系統流程中的影響因素分析

空分系統主體由空氣壓縮系統、空氣凈化系統、制冷系統、熱交換系統和精餾系統組成，從系統啟動到正常運行輸出產品的過程中，各分系統之間的相互關系對空分系統的運行穩定性產生影響，重點對制冷循環系統進行分析。

3.2.1環境溫度對膨脹機運行穩定的影響

3.2.1.1膨脹機機前溫度與制冷量的關系

當進、出口壓力一定時，機前溫度越高，焓降越大，也就是單位制冷量越大。但是提高膨脹機的進口溫度，在膨脹機結構、導流器開度一定的情況下，因進膨脹機氣體的比容增大，而使流量減少，即膨脹量減少，總的制冷量增加還是減少要通過計算確定。公式(1)～(2)表明：膨脹機的進口溫度越是高于設計溫度，實際制冷量與設計制冷量的比值越大，也就是總的制冷量增加[1]。

(1)

(2)

這表明膨脹機的高溫高焓降作用大于使膨脹量減少的反作用。因此，欲使制冷量增加，在操作中應盡量的發揮膨脹機的高溫焓降的作用[2]。但是在啟動操作中必須使設備不斷降溫，膨脹機的進口溫度也隨之下降，溫度無法升高。在實際操作中只能通過調節各道閥門，設法讓膨脹機在進口溫度較高的情況下運行時間盡可能長一些，即使進口溫度下降慢一些，以充分發揮膨脹機高溫焓降的作用。

應當注意的是：機前溫度提高，膨脹后的溫度也會提高，在正常生產時，溫度的提高幅度是有限的，在操作時，應在不影響工況的前提下，通過適當提高機前溫度來達到增加單位制冷量的目的，要綜合考慮主換熱器的換熱效率和進下塔空氣溫度，盡可能避免單純依靠增壓機旁通閥來提高機前溫度。

3.2.1.2環境濕度導致膨脹機堵塞的因素

冷卻原料空氣的冷量由制冷循環系統提供，制冷循環系統使用的氣體為經過純化器凈化后的潔凈空氣，由兩臺空壓機作為循環氣體空壓機，加壓后的潔凈空氣進入增壓機增壓后，經主換熱器預冷溫度達-135℃左右，進入膨脹端壓力下降，氣體對外做功，溫度下降，經膨脹后的空氣溫度在-185℃左右進入主換熱器用于冷卻原料空氣，換熱后的氣體再由空壓機壓縮提高壓力。在循環過程中，損耗的氣體用原料氣體進行補充?？辗衷O備制冷工藝流程氣路是閉合運行的，首先考慮原料氣體固體雜質的影響，壓差增大是一個累積的過程，檢查更換增壓機前及膨脹機前過濾器濾芯，堵塞問題依然發生。堵塞源應為水分和二氧化碳等有害雜質。循環空氣主要有3處可能引入水分和二氧化碳等有害雜質的部位：一是循環管路密封不嚴，大氣中的水分進入循環氣；二是冷卻器微漏；三是分子篩吸附不徹底，造成有害雜質進入主換熱器發生堵塞。

3.2.2影響循環空氣因素的分析

循環空氣氣路是閉合運行的，經過啟動調整后的循環空氣量相對穩定，經兩臺循環空壓機壓縮后進入增壓機，再經過冷卻器冷卻后進入膨脹機，空氣膨脹對外做功溫度下降成為低溫氣體，在主熱交換器熱交換后返回空壓機完成1次循環。在不考慮原料氣體影響的前提下，循環空氣主要有3處可能引入水分和二氧化碳等有害雜質的部位，空壓機空氣過濾器由于循環空氣壓力調節或其他操作引起的一級吸入壓力波動過大可能導致頂蓋破裂漏氣使未經凈化處理的空氣帶入水分和二氧化碳等雜質，空壓機一、二級冷卻器和增壓機后冷卻器屬于水冷裝置，內部出現裂縫或因銹蝕出現針眼都有可能將水分帶入循環空氣。引入的水分等雜質凍結在膨脹機前過濾器等較易結霜的部位導致膨脹機不能正常運行。如果進入主熱換器，輕則導致換熱效果下降、產品產量下降，嚴重情況下將導致膨脹機無法正常運行、整個精餾系統無法正常運作進而導致產量下降。

4 改進措施

提高膨脹機的機前溫度、機前壓力和降低機后壓力都可以提高膨脹機的單位制冷量，目前在實際操作中使用的2臺增壓透平膨脹機，應盡可能考慮這3個方面對膨脹機單位制冷量的影響，在保證全系統工況穩定的前提下，使膨脹機能夠高效運轉，提高整個空分裝置的穩定性和生產效率。

1. 系統熱負荷的大小對產量有一定的影響，冷卻水的水質和環境溫度對系統的影響較大，必須嚴格使用軟化水，同時盡可能的提高冷卻塔的降溫效果，降低冷卻水的溫度，確?？諌簷C一級吸入環境溫度低于15℃。對冷卻器芯進行定期檢修檢測，確保冷卻效果。

2. 結合設備使用的實際情況，要充分認識到系統啟動加熱吹除階段的關鍵性作用，切實做到對系統全面有效的加溫吹除，尤其是對膨脹機段管路的吹除，利用正反兩種吹除方法對重點管路進行吹除。

3. 循環氣冷卻器后增設露點在線分析采樣點，對循環氣體露點在線監測；檢修檢測時應嚴格按檢修檢測規范進行，對每個部位檢測到位，重點是水冷卻器密封性檢測。

4. 認識到環境溫度對全系統的熱負荷影響，膨脹機在發揮了最大制冷功效后，能夠提供的冷量一定在純化器再生周期允許的范圍內，盡可能的降低上塔壓力，可以保證全系統在相對較低的壓力下運行，系統的熱負荷降低，冷量的有效利用率提高，與此同時產量也有所提高。

5 結 論

為保證空分設備的穩定運行，對開機生產過程中的季節環境變化、供水供電保障、制冷循環系統的運行情況進行全面分析，發現：一是在保證試驗任務完成的前提下盡量避免高溫季節生產；二是盡可能的通過對整個系統的調節減少高溫環境帶來的整套設備負荷的增大；三是環境濕度高時及時排水避免制冷系統堵塞；不同的情況所采取的措施也有較大的差別，但最終的目的是一致的，即盡可能的保證系統的正常運行或最大限度的降低系統非正常運行的時間。