空分设备超负荷操作

KDON16000／10000型内压缩流程

空分设备变负荷操作实践

刘凌

摘要：简介KDON16000／10000型内压缩流程空分设备的工艺流程，分析空分设备变负荷能力的约束条件和变负荷过程中的物料平衡，结合生产实际，从变负荷时原料气量和产品气量的增减顺序、变负荷的速度和制氩系统的调节方面对空分设备变负荷过程中的操作提出建议，最后阐述变负荷过程中主冷液氧液位的控制意义。

关键词：大型空分设备；内压缩流程；变负荷操作

前言

生产用氧具有间断性，而空分设备氧气生产是连续性的，这就使得空分设备经常需要通过变负荷操作来减少氧气管网的放空，达到节能降耗的目的。因而如何发挥空分设备的变负荷能力以及如何平稳改变其生产负荷，显得至关重要。现就KDON16000／10000型内压缩流程空分设备的变负荷操作进行介绍和分析。

l 空分设备流程简介

KDON16000／10000型空分设备由杭州杭氧股份有限公司( 以下简称：杭氧)设计制造，采用内压缩流程，其流程如图1所示。空气

经分子筛吸附净化后，一路作为低压空气经主换热器冷却后进入下塔，一路到膨胀机增压端，增压后的增压空气经过主换热器，从中部和底部抽出进入膨胀机膨胀后进入上塔中部，另一路空气则进入增压机增压，经主换热器换热后进入液氧蒸发器和液氧换热，液化后的中压空气经节流阀节流进入下塔。液氧从主冷中抽出，由液氧泵加压后进入液氧蒸发器，被蒸发的氧气经主换热器复热后进入用户供氧管网。

2 空分设备变负荷能力的约束

空分设备变负荷能力受到多方面因素的限制：

( 1 )精馏塔负荷的限制。KDON16000／10000型空分设备的下塔是筛板塔，上塔采用规整填料塔，根据杭氧提供的资料，筛板塔负荷最佳的调节范围是7 0％～1 1 0％，如果负荷再低就可能因蒸汽流过筛孔过慢而出现漏液。虽然规整填料上塔的负荷调节范围是50％～110％，但受下塔精馏工况及提氩系统的限制。因此主塔的变负荷调节范围最好是70％～110％。

( 2 )空压机和增压机负荷调节范围都是70％～1 0 5％，特别是增压机导叶在负荷低于70％时导叶会关得较小，要使增压机能安全的远离喘振区运行，只能适当打开回流阀，在用氧波动的情况下，不利于空压机的安全平稳运行。

( 3 )高负荷运行主要受空压机电流和功率的限制( 特别是环境温度高时)，机组的负荷高于105％，空压机的电流和功率就有可能超标。

综上所述，认为我厂KDON16000／10000空分设备的变负荷能力，低负荷下主要受到提氩系统的限制，而高负荷又受到空压机电流和功率的约束，在实际操作中，负荷调节范围最好在70%~105%之间。

3 变负荷过程中的物料平衡

空分设备变负荷过程中物料平衡公式：(气氧量+液氧量) ×99.9％= ( 空气量—仪表气量—空气旁通量—分子筛吸附器切换损失—膨胀机损失) ×20.9％—污氮量×0.1％。式中0.1％为污氮中的氧含量；氮气和氩气中所含的氧由于量很少没有计算在内。

在空分设备变负荷过程中基于这一物料平衡公式，一定的氧气量和液氧量基本上对应一定的空气量。空气量太多会使氩馏分中氧含量较多，氧和氩提取率减小，同时氮气和污氮气的纯度降低；反之，空气量太少则使氩馏分中氮含量增加，氩系统易发生氮塞，不利于长时间平稳运行。

KDON16000／10000型空分设备在某次变负荷操作中就遇到这样的问题：由于用户用氧较小，要求将装置负荷从100%降至70%运行，进了冷箱空气量、氧气量、氮气量及污氮气量均按70%的比例下降，氩系统负荷从设计的550m3／h下降到500 m3／h，结果是氩系统特不

稳定，氩馏份不高，可氩系统周而复始的发生氮塞，经过反复的摸索和讨论，最终把氩产量降到350 m3／h ~400 m3／h，氩馏份提高了，氩系统也不再发生氮塞故障，这就是物料不平衡所致，氩系统虽然也做了降负荷操作，但是没有降到和主塔的70%相匹配，所以物料不平衡导致氩系统不能平稳运行。

4.1变负荷的操作顺序

在变负荷操作时最可能发生的情况是氮塞。为了避免氮塞故障发生，在操作时一定要把握好原料空气量和产品气量之间增减的顺序。在提高负荷时要先增加空气量，空气量到位后1~2分钟，再增加氧气量、氮气量和污氮量，过3~5分钟后增加氩产量。在减负荷时要先减少氩产量，再减少氧气量及氮气和污氮气量，最后减少空气量。这主要是考虑到精馏塔的持液量，在增加负荷时，主塔、氩塔的筛板和填料持液量会增加，这时就必须先“牺牲”一部分氧、氩产品产量来补充塔的持液量。在减负荷时，主塔、氩塔内的筛板和填料持液量减少，这部分液体最终以液氧的形式汇集到主冷内，最终将这部分多余的冷量排到液氧贮槽内，所以在减负荷时要先多减少一些氧气产量及氩气量。这样操作有利于控制好氩馏分氩含量，防止氮塞故障发生。

4.2变负荷的操作速度

变负荷操作是从一个平衡到另一个平衡的动态操作过程，这其中要建立物料平衡、冷量平衡、精馏塔气液相平衡3个平衡。物料平衡

和冷量平衡的速度主要取决于空压机、膨胀机运行工况的调节速度，只要配合得当很快就能建立，一般来说速度为1％/min。而精馏塔气液相平衡需要一定时间才能建立，随着负荷的变化，精馏塔塔板和填料上的持液量也要发生变化，一般来说速度为1％/4min，所以变负荷的操作速度不能太快，要实现平稳，其速度不能大于1％/4min，操作速度太快会使主塔工况波动太大，造成氩馏份的大幅度波动产生氮塞故障。

5 变负荷过程中制氩系统的调节

在变负荷过程中制氩系统的调节尤为重要，制氩系统工况是否稳定，主要取决于主塔工况是否稳定，而氩系统的稳定以否也直接影响到主塔工况的稳定，两者是相互制约的。制氩系统能提取的氩产品数量主要取决于加工空气中的氩含量，也就是空气量与氩产量成正比。对于KDON—16000／10000型空分设备而言，氩产量=空气中含氩量×85％（氩提取率）。而氩产量又决定了氩馏分的含氩量和抽取量，一般氩馏分抽取量为粗氩产量的32倍。在变负荷操作时主要根据以上两个方面调节好氩馏分的抽取量和氩产量。在变负荷过程中由于制氩系统内的持液量也在发生变化，因此要注意通过V701阀对粗氩Ⅱ塔上部液空液位进行控制，以实现粗氩塔负荷的增减，确保粗氩系统平稳过渡。在操作时可依据氩馏份的高低来确定所需液空量的多少，一般来说氩馏份波动不能太大，氩馏份控制在8％～9％之间为宜。如果在减负荷过程中，因粗氩Ⅱ塔底部液位会上涨，液体打入粗氩I塔

的量不益过快，这样会使氩馏份过高造成氮塞，严重时会影响到液氧纯度；如果在增加负荷过程中粗氩Ⅱ塔底部液位会下降，进入粗氩I 塔的量过少，则会使氩馏份含氧量增加，氩馏份含氧量过高会影响氩系统工况的稳定，严重时会造成产品质量的下降。

所以建议在实际操作中，增加负荷时适当提高氩馏份，也可根据自己的操作经验适当加快增负荷的节奏，但要注意不得造成馏份过低或主塔产生液悬。而降负荷过程就必须要缓慢进行，因为降负荷主塔回流比会增大，若控制不好，氩馏份会快速增长，容易造成氮塞，严重时产生主塔漏液，严重破坏主塔精馏工况，所以降负荷过程要特别注意，可在降负荷前适当降低氩馏份在缓慢进行，这样可以确保制氩系统工况在变负荷过程中平稳过渡。

6 变负荷过程中主冷液氧液位的调节

在变负荷过程中，随着空气量的变化，主冷液氧的蒸发量也将变化。一般来说，空分设备正常运行时主冷液氧液位都保持在一定高度，KDON—16000／10000型空分设备的主冷操作液位是2600mm，但在变负荷这一动态过程中必须严格控制主冷液位，主冷液位过高，会导致主冷温差缩小，液氧蒸发量减少，上塔回流比增大，而液位下降会导致主冷温差增大，液氧蒸发量增大，上塔回流比减小，两种工况都将给制氩系统带来严重影响，操作中可通过液氧排放阀V7对主冷液氧液位进行控制，确保主冷液位平稳，对尽快建立正常工况起到重要的作用。

7 结束语

空分设备变负荷操作和机组配套设备的特性有密不可分的关系，掌握好变负荷操作的客观规律和操作技巧才能实现整个系统生产工况的安全平稳过渡。

8 参考文献

1、现代空分设备技术与操作原理主编：毛绍融朱朔元周志勇。杭

州出版社，出版日期2005年5月。

2、制氧新工艺与制氧设备安装、调试、操作维护及故障处理和安全生产技术

实用手册（第二卷）主编：李化治北京冶金工业出版社，出版日期2005年。

3、深冷技术（第二期）主编：边瑾杭州出版社，出版日期2005年4

月28日。