有效能损失分析及空分设备的节能

有效能损失分析及空分设备的节能万建余 徐福根 杨志鹏(新余钢铁有限责任公司气体厂，江西新余 338001)摘要：通过空分设备有效能损失分析方法，有效损失主要存在压缩机、主换热器、精馏塔、气体管线。

经节能改造和优化操作 ，最终达到了提高有效能利用率，从而达到节能的目的。

关键词： 有效能损失 空分设备 节能 优化The Available Energy Loss Analysis and Saving EnergyWan Jiang-Yu ，Xu Fu-gen Yang Zhi-Peng(Gas Production Factory of Xinyu Iron and Steel Co., Ltd., Xinyu 338001, Jiangxi, P.R.China)Abstract: By using the available energy loss analysis method, the available energy loss lies in the compressor , main heat exchanger, distillation, and gas tube line. Based on the available energy loss analysis, the schemes of saving energy reform and optimizing operation are suggested to reach the aim of saving the energy and to raise effective profit of the energy source.Keyword: available energy loss ； air separation plant ；saving energy ； optimization随着我国经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，年人均能源消耗量将逐年增加，据预测，到2050年将达到2.38吨标准煤，相当于目前世界平均值（2.4吨标准煤），但远低于目前发达国家的水平。

人均能源的不足将是我国经济、社会可持续发展的一个限制因素，要解决能源问题，出路不外乎两条：一是开源；二是节流。

我国实行的开发和节约并重的能源政策。

近期把节能放在优选考虑的地位，通过正确的用能，合理用能，节约用能，减少能源浪费，提高能源的有效利用率，达到节能的目的。

空分设备的原料是空气，其主要消耗的是能源，能源消耗占生产成本的80%，降低生产成本的主要措施是降低能耗，而空分设备所消耗的能源是由不可逆过程引起的，尽管每一个可逆过程中所消耗的能量方式不尽相同，但都会产生有效能的损失。

因而，可以从空分各个工艺过程有效能分析来寻找最佳节能途径。

1 有效能系统在一定状态下的有效能，就是系统从该状态变化到基态过程所做的理想功，用B 表示，对于稳定流动过程，从状态1变化到状态2过程的理想功可以写为002121()()id W T S H T S S H H =∆-∆=--- （1）式中0T 为基态的温度；S 为熵；H 为焓。

当系统由任意状态(,)T P 变到基态00(,)T P 时，稳流系统的有效能B 定义为000()()B H H T S S =--- （2）有效能可分为物理有效能和化学有效能，物理有效能是指系统的温度、压力等状态不同于环境而具有的能量。

空分运行中与热量传递有关的加热、冷却、冷凝过程，以及与压力变化有关的压缩、膨胀等过程，只考虑物理有效能。

可表示为(,)()()B T P B T B P =+ （3）式中()B T 为温度与环境不平衡具有的有效能；()B P 为压力与环境不平衡具有的有效能。

由热力学定律可得()(1)TP T T B T n C dT T=-⎰ （4） 00()()()P P P V B P n V T T dP T ∂⎡⎤=--⎢⎥∂⎣⎦⎰ （5）式中p C 为定压比热；n 为摩尔数；V 摩尔体积；P 为压力。

化学有效能是指处于环境温度和压力下的系统，由于与环境进行物质交换或化学反应，达到与环境平衡，所做的最大功。

从系统的状态到环境状态需要经过化学反应与物理扩散两个过程：将系统的物质转化成环境物质（基准物）过程及物质浓度变化到与环境浓度相同的过程。

在空分设备中的化学有效能是以物理扩散有效能形式存在。

2 有效能损失在能源转化、转移、传递和使用的过程中，有效能可以有效地利用发挥其功效，也可无效地损失，也就是通常说的有效能损失，有效能损失是不可逆的。

空分设备的有效能输入，主要有空压机电耗、原料空气所带入的有效能、水泵消耗的电能、氩泵消耗的电能、电加器消耗的电能。

有效能损失占总输入有效能的比例非常高，也即有效能效率很低，老式全低压空分不大于12%[1] ，现代大型空分也只有在20%[2]左右。

其中空压机有效能损失和空分塔的有效能损失所占的比重较大。

空分设备有效能损失主要存在传热过程、压缩或膨胀过程、节流过程、精馏过程中。

2．1传热过程有效能损失传热过程的有效能损失与传热量、温差和温位有关，可表示为00011()A B Q B A B A B A T T dD T dS dS T Q T Q T T T T δδ⎛⎫⎛⎫-=-=-= ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭ （ 图1 式中Q 为传热量；Q D 为传热过程的有效能损失。

从上式可知，两物流在热传递过程中，热量和温差相同，温位越低，传递过程的有效能损失越大；传热量越大，有效能损失也越大。

利用上式对空分主换热器进行分析得，传递相同热量，每1K 温差造成的有效能损失热端是冷端的3.1倍，因此，空分操作过程中，特别要控制好主换器冷端温差。

2．2压缩过程有效能损失静压能的提高与气体在级中的压缩过程有关，所需的功称为压缩功，在空压机中由于气流速度很快，压缩过程中与外界没有热量交换，即为绝热定熵过程。

从状态111(,)T p 压缩到状态222(,)T p 定熵功为21121111k k p s p p kW Vdp RT k p -⎡⎤⎛⎫⎢⎥=-=- ⎪⎢⎥-⎝⎭⎢⎥⎣⎦⎰ （7）式中R 为气体常数；p p C k C R=-；1P 为空压机进口压力；2P 为空压机的出口压力。

定熵功与进口温度、压力和出口压力有关，与出口温度无关，空分用空压机一般为多级压缩，若冷却效率低，每级压缩进口温度高，则所需的功要大。

假设空压机为三段压缩，每段压缩比都为ε，冷却后温度提高1℃,则空压机消耗功率增加0.4%。

在实际运行中，可以降低水温，控制冷却器的结垢，提高冷却器的效率，降低冷却后温度，减少空压机功耗。

另一方面，空压各级进气温度条件及空分装置进气温度条件要求，必须进行冷却，由冷却前温度in T 降低到温度out T ，带来有效能损失为()00000()()(1)(1)ln in out T T T in out P T T in P in out out T T D B T B T nC dT dT T T T nC T T T T ∆⎡⎤=-=---⎢⎥⎣⎦⎡⎤=--⎢⎥⎣⎦⎰⎰ （8）在图2中，1-3为绝热压缩过程，设绝热效率为：η，那么，因摩擦损失引起热量为(1)f s W W η=-，假定绝热可逆压缩后状态为3，绝热不可逆压缩后状态为4，它们等温不等压，由于摩擦损失以热形式加给气体，引起所需的压缩功增加为三角形134 面积。

图2 T S -图上的与无热交换压缩过程三角形面积。

摩擦损失引起热量为()121421(1)(1)1k k f s p p pW W C T C T T p ηη-⎡⎤⎛⎫⎢⎥=-=--=- ⎪⎢⎥⎝⎭⎢⎥⎣⎦由绝热方程：12211k kp T T p -⎛⎫= ⎪⎝⎭则()1112224111111(1)112k k k k k k p p pT T T T p p p ηηη---⎡⎤⎡⎤⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎢⎥⎢⎥=--+=-+- ⎪ ⎪ ⎪⎢⎥⎢⎥⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦由于绝热可逆压缩过程为等熵过程，不可逆压缩过程为熵产生过程，熵产生为12114421221111212ln lnln 12k k p p k kk k p p T p T S S S C C T p T p p C p ηηηη---⎡⎤⎛⎫⎢⎥-+- ⎪⎢⎥⎝⎭⎛⎫⎢⎥⎣⎦∆=-== ⎪⎝⎭⎛⎫⎪⎝⎭⎡⎤⎛⎫⎢⎥=-+- ⎪⎢⎥⎝⎭⎢⎥⎣⎦（）（）则空压机的有效能损失为111002ln 12ln 12k k k k c p p p D T C T C p ηηηηε--⎡⎤⎡⎤⎛⎫⎛⎫⎢⎥⎢⎥=-+-=-+- ⎪ ⎪⎢⎥⎢⎥⎝⎭⎝⎭⎢⎥⎣⎦⎣⎦1（）（） （9） 式中η 空压机效率；ε空压机压缩比。

从上式分析，空压机效率越低，有效能损失越大。

2．3阻损带来有效能损失在定态流动过程中，如果物系和环境不发生功和热的交换，0,dH = 因dH TdS Vdp =+则Vds dp T=-阻损带来的有效能损失为00p V D nT ds nT dp T∆==-⎰⎰对于理想气体来说，2110002111ln ln 1p p p p D nRT d p nRT nRT p p p p ∆=-=-=-∆-⎰（10）式中P ∆为阻力损失；n 通过管道气体的摩尔数。

上述公式而知，相同压力下，阻力损失越大，有效能损失也大，相同阻力损失下，压力越大，有效能损失越小。

要尽量减少管路的阻力来降低有效能损失。

2．4精馏系统有效能损失以塔板精馏为例，从下面上升进入某块板的温度要比上面流下的液相温度高些，而易挥发组分的含量则低于与下降液体相平衡的浓度，两股物流在温度和组成上都不平衡，在塔板上发生热量和质量传递过程是不可逆的，必然造成有效能的损失，这就是精馏过程中有效损失的主要部分。

当物质dn 摩尔由化学位i μI 的相Ⅰ传到相Ⅱ时，产生的有效能损耗，由热力学分析得（在等温等压下），精馏过程中有效损失为()0imt i iidnD T TδμμI =--∑ （11） 精馏过程中，化学位是传质的推动力，正是由于两相化学位的差异而导致传质过程，从产生有效能的损失。

要减少每块塔板上传热和传质推动力，就要使操作线与平衡线接近，过程趋于可逆，是降低有效能损失的主要途径。

2．4．1下塔及粗氩塔分析图3 操作线示意图空分下塔和粗氩塔一般操作线方程为11D x Ry x R R =+++ （12）R =回流量产品量，即回流比；D x 为某组成在塔顶的浓度。

从图3和操作线方程可知，操作线的斜率为1Rtg R α=+，当tg α越大时，操作线越靠近平衡曲线，这时回流R 越小。

可见，要减少有效能损失，必须使回流比尽可能的小，但当操作回流比为最小回流比时，需要无穷多理论塔板数，所以一般控制回流比min (1.1 1.3)R R =。