空分装置启动时几个问题的分析和探讨
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透平膨胀机入口一般都设板式中抽和底部 （或 接近底部）的底抽两路进气流路，并由阀门控制两路 的气量分配。在可逆式换热器流程中，中抽的作用除 了调节膨胀机前温度外，还为了缩小冷端温差保证 自清除，在分子筛流程中，则只需要用中抽和底抽来 调节膨胀机前温度。进入膨胀机的空气由中部一股 温度较高的气体和底部一股温度较低的气体混合在 一起，中部抽得多则机前温度高一些，似乎更可发挥 “高温高焓降”的优势，但试想中部抽气越多，则在板 式的冷段的正流气越少，板式的降温速度越快，经过 一段时间运行后，膨胀机前温度还是要降低，这又不 利于发挥膨胀机“高温高焓降”的优势，而且整个板 式的温度位都低，会使板式热端的复热不足冷损增 大这似乎是矛盾的。那么究竟如何操作这两个阀门 呢？正确的方法是根据板式和精馏塔的温度下降速 度、板式中部温度的情况来调节中抽和底抽这两个 阀门的开度，笔者的经验是在冷却设备时就要开底 抽，其开度控制是使板式中部不能降温过快，只要使 冷量充分冷却精馏塔，让板式温度随着精馏塔的冷 却缓慢下降，膨胀机前就能够较长时间保持在较高 温度下运行。在设备得到了较充分的冷却、板式冷端 温度降至较低、膨胀机出口已经接近正流空气液化 温度时，此时应该尽快关小中抽阀，迅速降低膨胀机 前温度，使膨胀机后温度也迅速降低，将两台膨胀机 制取的大量冷量用于空气液化。要防止在设备已经
高温度流体去冷却时的 263.35 倍。由表 1 还可看 出，温差对有效能损失的影响大于温度位的影响，因 此我们在冷却设备操作中更应避免大温差传热。
表 1 不同传热温差时有效能损失比较
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
t2/℃ - 51 - 61 - 71 - 81 - 91 - 101 - 111 - 121 - 131 - 141 - 151 - 161 - 171
有效能损失 dE 0.0061 0.0705 0.1413 0.2194 0.3061 0.4029 0.5116 0.6347 0.7751 0.9367 1.1249 1.3466 1.6118
损失比例 263.35 22.86 11.41 7.35 5.27 4.00 3.15 2.54 2.08 1.72 1.43 1.20 1.00
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2009年第 4 期
冶金动力
总 第 134 期
METALLURGICAL POWER
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制氧
空分装置启动时几个问题的分析和探讨
钱立新
（苏钢集团有限公司氧气厂，江苏苏州 215151）
【摘 要】 分析了空分装置启动时容易出现差错的一些环节—— —冷量的制取与合理分配、传热温差与冷
总制冷量计算公式：Q=（V 膨/22.4）·△h·η 以前述 20000 m3/h 制氧机的情况举例计算如 下：膨胀机出口压力 0.149 MPa（A），对于不同机前 温度的多种情况，查物性软件 Promix 得到表 2。 膨胀空气量与膨胀空气密度成正比，忽略膨胀 机在不同温度下等熵效率 η 的差别，那么，不同膨 胀空气的密度和焓降的乘积（d·△h）的大小就反映 了两者对膨胀机制冷量的影响的大小，从表中可以 看出，“高温高焓降”的正效应大于膨胀空气密度小 膨胀量少的负效应，因此操作中应该充分发挥“高温 高焓降”的特点，尽可能使膨胀机较长时间在较高温 度下运行。单位制冷量大，前面冷却设备的时间虽然 延长，但是积累液体阶段时间短，总体可以缩短启动 时间。 其实，对前述“大温差传热”为什么不经济、并会 延长启动时间？我们也可以换个角度来这样理解：对
操作中要尽量开大可调喷嘴、关闭增压机旁通 阀 （刚启动时可能为避免膨胀机超速不能将可调喷 嘴全开及增压机旁通阀关闭，以后随着温度的下降， 逐步渐开喷嘴关增压机旁通），使膨胀机前压力高一 些，再就是要尽量降低膨胀机后压力，一般两台膨胀 机运行时要根据膨胀机后压力的情况，适当打开膨 胀空气旁通污氮的阀门以降低机后压力。
机前焓值 h1 膨胀气密度 d
kJ/g- mol
g- mol/liter
机后温度压力
℃/K
MPa(A)
机后焓值 h2 单位焓降 △h
kJ/g- mol
kJ/g- mol
- 4.104
0.6385
- 169/104
0.149
- 5.712
1.608
- 4.320
0.6631
- 173/100
0.149
2 空分装置启动操作的原则
要缩短空分装置启动时间，应该掌握两个原则： 一是尽可能制取最大的冷量，使膨胀机“满负荷、高 效率”地运行；二是合理分配冷量及减少冷损。
要使膨胀机“满负荷、高效率”，首先要保证膨胀 机处于较好的装配状态；其次是使膨胀量在可能情 况下最大化，并增加膨胀空气前后的压差以增大单 位制冷量；再次是充分发挥透平膨胀机 “高温高焓 降”的特点，在不同的阶段调节好合适的膨胀机入口 温度。
换热过程的有效能损失为： dE =T0 （dS2 －dS1）=T0 （1/T2 －1/T1）δQ =T0 〔（T1 －T2）/（T2· T1）〕δQ 式中：E—— —传热过程的有效能损失；
T0— ——环境温度； S1、S2 分别为热、冷物体的熵； T1、T2 分别为热、冷物体的温度； δQ— ——传热量。 从上式可以看出，传热过程的温差越大，温位越 低，有效能损失越大。 我们可以计算：在环境温度 T0 为 30 ℃下由正 流空气与下塔间传递 δQ=1 个单位的冷量，看看直 接用 102 K（-171 ℃）至 222 K（-51 ℃）之间的每 相差 10 K 的不同温度的流体将 T1=223 K（-50 ℃） 的精馏设备冷却降温的有效能损失比较见表 1。 可以看出，直接用-171 ℃的低温流体去冷却50 ℃的精馏设备时的有效能损失是用-111 ℃的较 高温度的流体去冷却时的 3.15 倍，是用-31 ℃的更
【Key words】air separation plant; starting; cold amount distribution; constant flow valve; reverse filling of liquid
1 引言
随着空分设备工艺流程、设计制造水平的进步， 近 20 年来的空分装置大多采用分子筛吸附、全精馏 无氢制氩流程。分子筛流程取代了以前可逆式换热 器自清除流程，启动操作不再像可逆式换热器流程 采用的“分段冷却法”那么复杂了，许多人甚至觉得 分子筛流程的开车就好比“傻瓜型”，随便怎么开都 行，也不必担心水分、CO2 的清除问题，尤其是近年 来空分行业大发展，新空分装置不断投产，且大型空 分启动一次往往要运行很长时间，很多操作人员对 空分装置和全精馏制氩系统的启动中的一些问题理 解不够深入，常会犯一些错误。如某单位杭氧两万制 氧机，运行 4 年后停车大加温。在加温后启动时，采 用先冷却上塔和板式的方法，当膨胀机后温度达到180 ℃时开下塔液空进上塔 V1 阀开始冷却下塔。然 后随着上塔及板式降温，当进行到冷却后期和积液 初期时，板式出现了过冷现象，四组板式的中抽温度 分别为-144 ℃、-142 ℃、-135 ℃和-148 ℃。这时 膨胀机进口温度为-144 ℃，进口压力 0.68 MPa, 出 口压力 49 kPa，这样的操作显然浪费了大量能源。
充分发挥膨胀机“高温高焓降”的特点，和如何 合理分配冷量的是密不可分的。大致的原则是冷却 设备阶段让膨胀机出口的低温气体尽量走较长的路 线— ——对膨胀空气进上塔的流程而言就是让膨胀空 气进入上塔后先冷却上塔，然后再进入过冷器和主
冶金动力
2009年第 4 期
46
METALLURGICAL POWER
2009年第 4 期 总 第 134 期
机前温度压力
℃/K
MPa(A)
- 110/163
0.83
- 117/156
0.82
- 125/148
0.81
- 131/142
0.80
- 138/135
0.79
- 144/129
0.78
冶金动力
METALLURGICAL POWER
47
表 2 膨胀机前在不同温度时的焓降和膨胀量（密度）对比
QIAN Li-xin
(Oxygen Plant, Jiangsu Suzhou Steel Group Co., Ltd., Suzhou, Jiangsu 215151, China)
【Abstract】 Some problems occurring in starting of an air separation plant were ana－ lyzed, such as making and rational distribution of cold amount, heat transmission temperature difference and cold loss, control of argon column constant flow valve, reverse filling of liquid argon.
减少冷损问题主要是防止板式过冷，减少板式 热端的热交换不完全损失，让制取的冷量尽可能地 留在分馏系统内用于冷却设备或积累液体。
3 大温差传热与有效能损失分析
许多空分操作人员对热力学第一定律都理解， 但对热力学第二定律认识不够。虽然空分设备加温 后冷却到正常工作温度，需要的冷量是一定的，但他 们显然没有意识到大温差传热造成了有效能的损 失。需知采用低温的流体去冷却这些设备，其实是采 用的大温差传热，从热力学第二定律看，有效能的损 失较大。
损、氩塔恒流阀控制、返充液氩是否可行等。
【关键词】 空分设备；启动；冷量分配；恒流阀；返充液体
【中图分类号】TB65
【文献标识码】B
【文章编号】1006-6764(2009)04-0045-04
Analysis and Discussion on Problems in Starting of Air Separation Plant
- 6.280
1.114
密度×焓 d·△h 1.027 1.005 0.993 0.963 0.929 0.88
某台制氧机而言，要从常温冷却到工作温度，需要的 冷量是一定的，当设备尚处于较高温度时，我们只需 要温度比它略低的“高温冷量”，而如果采用低温气 体甚至低温液体去冷却设备的话，需要更多的膨胀 空气制冷才能获得相同的冷量，那么就必然要消耗 更多的能源（表 2 中膨胀机前温度为-110 ℃的单位 制冷量是-144 ℃时的 1.44 倍，总制冷量则为 1.16 倍）。 4.2 膨胀机进口中抽和底抽阀、出口旁通阀的操作
- 5.835
1.515
- 4.562
0.6951
- 178/95
0.149
- 5.991
1.429
- 4.750
0.7207
- 181/92
0.149
- 6.086
1.336
- 4.972
0.7564wenku.baidu.com
- 185/88
0.149
- 6.201
1.229
- 5.166
0.7899
- 187/86
0.149
总 第 134 期
换热器（以下称“板式”），这样由于很大一部分冷量 留在精馏塔内，减缓了板式的温度下降的速度，使整 个空分装置的温度尽量均匀下降，使进膨胀机前较 长时间保持在较高的温度运行，以获得较大的单位 制冷量。和可逆式换热器流程启动采用分段冷却法 优于集中冷却法的道理相同，分子筛流程启动时也 要避免冷量分配不好，引言中的 20000 空分操作中 直接将板式冷端冷却到空气液化温度，再对下塔及 上塔、主冷等进行冷却的方法是不正确的方法，下 塔、上塔下半部分、冷凝蒸发器、粗氩塔等大量的设 备在前阶段没有冷却，而是用低温的流体去冷却，这 样精馏塔的冷却采用大温差传热，有效能损失增加； 另外板式先冷却后，膨胀机较长时间工作在较低温 度，不利于发挥“高温高焓降”的优势，会大大延长启 动时间。
4 如何看“高温高焓降”
4.1 单位制冷量和膨胀量的矛盾 提高膨胀机前温度，一方面可提高单位制冷量，
即发挥“高温高焓降”优势，但另一方面，提高膨胀机 前温度后，膨胀空气密度减小、比容增大，对具体的 制氧机和膨胀机而言，膨胀空气流道截面积是一定 的，会使膨胀量减少，因此虽然单位制冷量（单位焓 降 △h）增大，但是膨胀量 V 膨减小，这一大一小的矛 盾，总制冷量 Q 到底是大还是小呢？
高温度流体去冷却时的 263.35 倍。由表 1 还可看 出，温差对有效能损失的影响大于温度位的影响，因 此我们在冷却设备操作中更应避免大温差传热。
表 1 不同传热温差时有效能损失比较
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
t2/℃ - 51 - 61 - 71 - 81 - 91 - 101 - 111 - 121 - 131 - 141 - 151 - 161 - 171
有效能损失 dE 0.0061 0.0705 0.1413 0.2194 0.3061 0.4029 0.5116 0.6347 0.7751 0.9367 1.1249 1.3466 1.6118
损失比例 263.35 22.86 11.41 7.35 5.27 4.00 3.15 2.54 2.08 1.72 1.43 1.20 1.00
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空分装置启动时几个问题的分析和探讨
钱立新
（苏钢集团有限公司氧气厂，江苏苏州 215151）
【摘 要】 分析了空分装置启动时容易出现差错的一些环节—— —冷量的制取与合理分配、传热温差与冷
总制冷量计算公式：Q=（V 膨/22.4）·△h·η 以前述 20000 m3/h 制氧机的情况举例计算如 下：膨胀机出口压力 0.149 MPa（A），对于不同机前 温度的多种情况，查物性软件 Promix 得到表 2。 膨胀空气量与膨胀空气密度成正比，忽略膨胀 机在不同温度下等熵效率 η 的差别，那么，不同膨 胀空气的密度和焓降的乘积（d·△h）的大小就反映 了两者对膨胀机制冷量的影响的大小，从表中可以 看出，“高温高焓降”的正效应大于膨胀空气密度小 膨胀量少的负效应，因此操作中应该充分发挥“高温 高焓降”的特点，尽可能使膨胀机较长时间在较高温 度下运行。单位制冷量大，前面冷却设备的时间虽然 延长，但是积累液体阶段时间短，总体可以缩短启动 时间。 其实，对前述“大温差传热”为什么不经济、并会 延长启动时间？我们也可以换个角度来这样理解：对
操作中要尽量开大可调喷嘴、关闭增压机旁通 阀 （刚启动时可能为避免膨胀机超速不能将可调喷 嘴全开及增压机旁通阀关闭，以后随着温度的下降， 逐步渐开喷嘴关增压机旁通），使膨胀机前压力高一 些，再就是要尽量降低膨胀机后压力，一般两台膨胀 机运行时要根据膨胀机后压力的情况，适当打开膨 胀空气旁通污氮的阀门以降低机后压力。
机前焓值 h1 膨胀气密度 d
kJ/g- mol
g- mol/liter
机后温度压力
℃/K
MPa(A)
机后焓值 h2 单位焓降 △h
kJ/g- mol
kJ/g- mol
- 4.104
0.6385
- 169/104
0.149
- 5.712
1.608
- 4.320
0.6631
- 173/100
0.149
2 空分装置启动操作的原则
要缩短空分装置启动时间，应该掌握两个原则： 一是尽可能制取最大的冷量，使膨胀机“满负荷、高 效率”地运行；二是合理分配冷量及减少冷损。
要使膨胀机“满负荷、高效率”，首先要保证膨胀 机处于较好的装配状态；其次是使膨胀量在可能情 况下最大化，并增加膨胀空气前后的压差以增大单 位制冷量；再次是充分发挥透平膨胀机 “高温高焓 降”的特点，在不同的阶段调节好合适的膨胀机入口 温度。
换热过程的有效能损失为： dE =T0 （dS2 －dS1）=T0 （1/T2 －1/T1）δQ =T0 〔（T1 －T2）/（T2· T1）〕δQ 式中：E—— —传热过程的有效能损失；
T0— ——环境温度； S1、S2 分别为热、冷物体的熵； T1、T2 分别为热、冷物体的温度； δQ— ——传热量。 从上式可以看出，传热过程的温差越大，温位越 低，有效能损失越大。 我们可以计算：在环境温度 T0 为 30 ℃下由正 流空气与下塔间传递 δQ=1 个单位的冷量，看看直 接用 102 K（-171 ℃）至 222 K（-51 ℃）之间的每 相差 10 K 的不同温度的流体将 T1=223 K（-50 ℃） 的精馏设备冷却降温的有效能损失比较见表 1。 可以看出，直接用-171 ℃的低温流体去冷却50 ℃的精馏设备时的有效能损失是用-111 ℃的较 高温度的流体去冷却时的 3.15 倍，是用-31 ℃的更
【Key words】air separation plant; starting; cold amount distribution; constant flow valve; reverse filling of liquid
1 引言
随着空分设备工艺流程、设计制造水平的进步， 近 20 年来的空分装置大多采用分子筛吸附、全精馏 无氢制氩流程。分子筛流程取代了以前可逆式换热 器自清除流程，启动操作不再像可逆式换热器流程 采用的“分段冷却法”那么复杂了，许多人甚至觉得 分子筛流程的开车就好比“傻瓜型”，随便怎么开都 行，也不必担心水分、CO2 的清除问题，尤其是近年 来空分行业大发展，新空分装置不断投产，且大型空 分启动一次往往要运行很长时间，很多操作人员对 空分装置和全精馏制氩系统的启动中的一些问题理 解不够深入，常会犯一些错误。如某单位杭氧两万制 氧机，运行 4 年后停车大加温。在加温后启动时，采 用先冷却上塔和板式的方法，当膨胀机后温度达到180 ℃时开下塔液空进上塔 V1 阀开始冷却下塔。然 后随着上塔及板式降温，当进行到冷却后期和积液 初期时，板式出现了过冷现象，四组板式的中抽温度 分别为-144 ℃、-142 ℃、-135 ℃和-148 ℃。这时 膨胀机进口温度为-144 ℃，进口压力 0.68 MPa, 出 口压力 49 kPa，这样的操作显然浪费了大量能源。
充分发挥膨胀机“高温高焓降”的特点，和如何 合理分配冷量的是密不可分的。大致的原则是冷却 设备阶段让膨胀机出口的低温气体尽量走较长的路 线— ——对膨胀空气进上塔的流程而言就是让膨胀空 气进入上塔后先冷却上塔，然后再进入过冷器和主
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机前温度压力
℃/K
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- 110/163
0.83
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0.82
- 125/148
0.81
- 131/142
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0.79
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0.78
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表 2 膨胀机前在不同温度时的焓降和膨胀量（密度）对比
QIAN Li-xin
(Oxygen Plant, Jiangsu Suzhou Steel Group Co., Ltd., Suzhou, Jiangsu 215151, China)
【Abstract】 Some problems occurring in starting of an air separation plant were ana－ lyzed, such as making and rational distribution of cold amount, heat transmission temperature difference and cold loss, control of argon column constant flow valve, reverse filling of liquid argon.
减少冷损问题主要是防止板式过冷，减少板式 热端的热交换不完全损失，让制取的冷量尽可能地 留在分馏系统内用于冷却设备或积累液体。
3 大温差传热与有效能损失分析
许多空分操作人员对热力学第一定律都理解， 但对热力学第二定律认识不够。虽然空分设备加温 后冷却到正常工作温度，需要的冷量是一定的，但他 们显然没有意识到大温差传热造成了有效能的损 失。需知采用低温的流体去冷却这些设备，其实是采 用的大温差传热，从热力学第二定律看，有效能的损 失较大。
损、氩塔恒流阀控制、返充液氩是否可行等。
【关键词】 空分设备；启动；冷量分配；恒流阀；返充液体
【中图分类号】TB65
【文献标识码】B
【文章编号】1006-6764(2009)04-0045-04
Analysis and Discussion on Problems in Starting of Air Separation Plant
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1.114
密度×焓 d·△h 1.027 1.005 0.993 0.963 0.929 0.88
某台制氧机而言，要从常温冷却到工作温度，需要的 冷量是一定的，当设备尚处于较高温度时，我们只需 要温度比它略低的“高温冷量”，而如果采用低温气 体甚至低温液体去冷却设备的话，需要更多的膨胀 空气制冷才能获得相同的冷量，那么就必然要消耗 更多的能源（表 2 中膨胀机前温度为-110 ℃的单位 制冷量是-144 ℃时的 1.44 倍，总制冷量则为 1.16 倍）。 4.2 膨胀机进口中抽和底抽阀、出口旁通阀的操作
- 5.835
1.515
- 4.562
0.6951
- 178/95
0.149
- 5.991
1.429
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0.7207
- 181/92
0.149
- 6.086
1.336
- 4.972
0.7564wenku.baidu.com
- 185/88
0.149
- 6.201
1.229
- 5.166
0.7899
- 187/86
0.149
总 第 134 期
换热器（以下称“板式”），这样由于很大一部分冷量 留在精馏塔内，减缓了板式的温度下降的速度，使整 个空分装置的温度尽量均匀下降，使进膨胀机前较 长时间保持在较高的温度运行，以获得较大的单位 制冷量。和可逆式换热器流程启动采用分段冷却法 优于集中冷却法的道理相同，分子筛流程启动时也 要避免冷量分配不好，引言中的 20000 空分操作中 直接将板式冷端冷却到空气液化温度，再对下塔及 上塔、主冷等进行冷却的方法是不正确的方法，下 塔、上塔下半部分、冷凝蒸发器、粗氩塔等大量的设 备在前阶段没有冷却，而是用低温的流体去冷却，这 样精馏塔的冷却采用大温差传热，有效能损失增加； 另外板式先冷却后，膨胀机较长时间工作在较低温 度，不利于发挥“高温高焓降”的优势，会大大延长启 动时间。
4 如何看“高温高焓降”
4.1 单位制冷量和膨胀量的矛盾 提高膨胀机前温度，一方面可提高单位制冷量，
即发挥“高温高焓降”优势，但另一方面，提高膨胀机 前温度后，膨胀空气密度减小、比容增大，对具体的 制氧机和膨胀机而言，膨胀空气流道截面积是一定 的，会使膨胀量减少，因此虽然单位制冷量（单位焓 降 △h）增大，但是膨胀量 V 膨减小，这一大一小的矛 盾，总制冷量 Q 到底是大还是小呢？