变工况操作及其对制氩系统工况的影响(精)

变工况操作及其对制氩系统工况的影响
摘要：简介液体空分设备变工况操作的要点以及变工况操作对制氩系统工况的影响；并阐述了变工况操作时氮塞发生的原因，调整手段及预防措施。

关键词：变工况操作；制氩系统；氮塞
前言
气体市场对空分产品的需求是动态的，随着销售区域产业结构的变化，对液氧、液氮、气氧和气氮等产品的需求比例也在发生变化。

为满足不同客户群体不同时期对产品的需求，更好地适应不断变化的市场，有些设计、开发的空分设备，具有变工况能力。

针对市场需求的变化，对生产负荷和液氧、液氮生产比例进行调节。

变工况操作是一项比较复杂的空分工况调节，操作不当，极易造成产品纯度、供气压力波动。

尤其对带制氩系统的空分设备，稍有不慎，就会引起制氩系统工况波动，轻者减产，严重时还会发生氮塞。

1 变负荷操作及其对制氩系统的影响
1.1 变负荷操作
空分设备的变负荷操作，主要指加工空气量的变化，包括加负荷操作和减负荷操作两个主要方面。

无论向哪个方向调整，在具体实施过程中，都应该缓慢进行，稳中求变，尤其对于现场供气装置，不可操之过急，否则会使工况产生波动，影响产品质量和供气压力。

调整过程中为保持系统工况的相对稳定，负荷的调整是通过若干次加、减量来完成的。

究竟每次加减量以多少为宜，要根据装置不同，灵活掌握一般每次加减量控制在设备加工空气量的0.5% ～1%范围内，以主塔物料纯度不发生较大的波动为原则。

另外，还要注意加量的时间间隔，例如：每5min 加一次，或每3min 加一次。

但必须满足在下一次加量前，空分设备已充分消化了上一次加量从空压机、增压机、膨胀机、主塔液体节流阀、制氩系统到气液态产品取出、输出值已经达到设定值要求，且气氧、液氧、压力氮、低压氮、氩馏分和精氩等主要分析指标不产生较大波动。

为确保产品纯度不产生较大波动，加量时一般采取从空压机到制氩系统由前向后的顺序，减量时则相反。

在调整过程中，可以充分利用系统DCS提供的产品纯度分析趋势记录。

由于纯度检测本身滞后比较严重，操作员可以根据变化的趋势，对操作幅度做相应的调整。

理想的加、减量操作，各流量趋势图是一条平滑的上升或下降的直线。

1.2 变负荷操作对制氩系统的影响
在变负荷操作过程中，上塔液氮、液空回流量，气氧、气氮取出量和氩馏分抽取量都会发生变化，对制氩系统的影响十分明显。

众所周知，氩在上塔分布是有规律的。

在上塔提馏段（液空进料口以下）形成一个富氩区，最高氩含量可达到15% 。

但由于此处氮含量较高，
一般将氩馏分抽口设在富氩区偏下一点。

在氩馏分氧、氮、氩三元混合物中，设计值一般为：氧90% ～91% 、氩9%～10%、氮小于0.06%。

但是富氩区在上塔的位置不是固定的，当进行变负荷操作时，富氩区在上塔是不断变化的，而氩馏分抽口位置是固定不变的，因此，氩馏分抽口的物料组分也在不断发生变化。

以加负荷操作为例，随着进塔空气流量的增加，进入压力塔（下塔）顶部的冷凝蒸发器的氮气流量和压力都会增加，冷凝蒸发器热负荷增大，冷凝液氮量增加；同时，冷凝蒸发器氧侧液氧蒸发量增大，气氧推动富氩区上移，氩馏分抽口处回流比变小，氩馏分氧含量增加，氩含量降低。

为维持氩馏分抽口氧含量不变，一种方法是将下塔冷凝的液氮导入上塔，增加回流液氮量，以维持氩馏分抽口回流比不变。

这种调节方法会导致液氧、液氮生产比例发生改变，将产生更多的液氧产品。

另外一种方法是增加上塔底部气氧取出量，控制富氩区不上移。

当然，增加的气氧量和进塔的空气量应该匹配，否则，富氩区位置将会发生变化。

在对主塔进行负荷调整时，难免会对液空纯度
产生影响，由于有一部分液空（约3/5 ）被引到粗氩冷凝器作冷源，液空纯度直接影响粗氩冷凝器的热负荷。

当液空氧含量增加时，其饱和温度升高，缩小了粗氩冷凝器的换热温差，热负荷缩小，从而导致粗氩氧含量和精氩塔压力升高，粗氩取出量减少，精氩塔氮排放流量增加，降低氩的提取率。

2 变比例操作及其对制氩系统的影响
空分设备的变比例操作，要严格遵守物料平衡原则和能量守恒定律。

在膨胀机的效率和膨胀空气量一定的情况下，制冷量（焓降）基本确定下来，设备所能产生的液体总量是一定的。

根据物料平衡的原则，所能生产的气氧和液氧总和是不变的。

通过对上塔回流的液氮量和上升的氧气量进行同步的增加和减少，完成液氧和液氮产品的相互转移。

以氩馏分氧含量为基准，回流比是不变的，只是回流液氮和上升气氧之间量的变化。

当向氧工况转移时，减少气氧取出量，增加上塔液氮回流量，进入上塔的液氮将上升的气氧冷凝成液氧，液氧回流至低压塔（上塔）底部，作为液氧产品引出；同时，液氮被汽化成气态，以气态氮产品引出塔外，完成冷量的转移。

向氮工况转移时与上述步骤相反。

一般称主要生产液氧的工况为液氧工况，主要生产液氮的工况为液氮工况。

在液氧工况时，上塔回流的液氮充分，冷量充足，氩馏分在同等氧含量的情况下，氩含量升高，氮含量减少。

因此，在液氧工况时，氩的提取率最高。

在液氮工况时，由于上塔顶部回流的液氮量较少，上塔精馏段气氧、气氩冷凝不充分，部分氧、氩从污氮通道流失。

在液氧工况时，污氮中氧含量可以控制在0.3% ～3%之间；而液氧工况时，污氮中氧含量要在3% ～6%之间，由于氧、氩的沸点比较接近，液氮工况的污氮中流失的氩更多一些。

氩馏分作为氧、氮、氩三元混合物，在相同的氧含量的情况下，液氧工况时氩馏分中氩含量高，氮含量低；液氮工况时氩馏分中氩含量低，氮含量高。

因此，在实际操作中，液氧工况时可以将氩馏分氧含量控制低一些，液氮工况时则要控制高一些，以避免过多的氮进入精氩塔，引起粗氩塔工况波动，甚至发生氮塞。

在由液氧工况向液氮工况转移时，制氩系统则要适当减量操作。

3 变工况时氩塔负荷的确定
对于变工况液体空分流程，设计时已给出几种典型的工况操作参数，但不是从最小空气负荷到最大空气负荷的所有操作参数都已给出。

在实际操作中通过标准工况的工艺参数，可以估算出非标准工况氩塔操作负荷的运行参数，避免盲目操作。

一般控制氩馏分量为粗氩量的27 ～29 倍。

当然，在实际操作中还要根据实际情况有针对性的进行调整。

粗氩塔热负荷，通过粗氩冷凝器液空蒸发量的多少来控制粗氩塔的氩馏分流量。

如果粗氩冷凝器热负荷不足，进粗氩塔氩馏分量少，氩产量和氩提取率都会降低。

而粗氩塔热负荷过大，进入粗氩塔的氩馏分量增加，导致富氩区上升气量不足，富氩区下移，氩馏分回流比增大，氩馏分中氮含量增加。

当氩馏分中氮含量大于1%以上，就会对氩塔产生影响，超过精氩塔的排氮能力，就会出现不同程度的氮塞现象。

4 变工况时氮塞的预防和处理
氮塞的发生，除去设计制造缺陷外，多数是由操作不当引起的。

一方面是由于主塔氩馏分控制失常，另一方面是由于粗氩塔冷凝器热负荷过大。

一般的空分流程对氩馏分的监测都设有氩馏分氧含量在线分析。

氧含量一般控制在88% ～92% 之间。

当发生偏差时，通常改变气氧取出量和上塔液氮回流量来调整。

而对氩馏分中的氮组分做在线分析的流程并不多见。

氩馏分是三元组分，氩馏分中氧含量符合工艺指标，并不能代表氮含量不超标。

在实际操作中，有时会发生在氧含量不低的情况下却发生了不同程度的氮塞现象。

另外，氩馏分中氧含量监测相对比较滞后，不能及时反映氩馏分中氧含量的真实情况，当制氩系统出现氮塞迹象时再调整工况，为时已晚。

因此，同时监测氩馏分中的氮组分非常重要。

有的空分流程没有直接监测氮含量，而设置了一个氩馏分温度监测仪。

相比于纯度监测，温度检测反应更加及时、直观。

在上塔压力控制在35kPa的情况下，氩馏分温度控制在88.65K 左右，如果氩馏分取出量过大，氮含量升高，氩馏分温度会下降。

当氩馏分温度降至87.15K 以下，并且长时间运行，就有氮塞发生的可能。

如果调整及时，能避免氮塞的发生。

氮塞一旦发生，应根据氩塔工况波动的程度，适度打开粗氩管线上的排放阀，使聚集在粗氩冷凝器冷凝侧的氮气随粗氩排出塔外；还应加大精氩塔中氮气的排放。

调整主塔氩馏分，使其各项工作指标恢复正常。

如果发生极严重的氮塞现象，必要时关闭精氩塔，粗氩直接排放。

待氩馏分恢复正常，再运行精氩塔。