全低压小型空分设备的开发

氧气产量 1 （3# 1 4） 氧气纯度 1 7 氧气出冷箱压力 1 9%:（ ;） 氮气产量 （3# 1 4 ） 氮气纯度 1 （ < !0 . 8 ," ） 氮气出冷箱压力 1 9%:（ ;） 启动时间 1 小时 设备运行周期 1 月 单位制氧电耗 1 （=>423# ） 总装机功率 1 =>
!机械工业气体分离与液化设备产品监督检测中心的 测试报告。
中，考虑到设备运行周期为 !" 个月，期间还有多 次的间断停机，如果没有安全措施，可能会发生重 大事故。为此经精心考虑，设置了液氧安全汽化装 置来确保设备的安全运行。 （"）快速启动对于大部分氧气站来说都是很关 注的。由于受到气体销售、动设备检修、停电等多 种原因的影响，间断运行的时间往往是无法控制 的。如果停机时间较短、液体蒸发少，再次启动后 很快可达到指标。对较长时间的停机，我们采用液 氧回灌的方式来加快启动（在正常的启动过程中也 可采用） 。我们的回灌工艺既利用冷量，又可回收 氧气，并经氧压机压缩充瓶。 （#）变负荷操作。为了确保设备经济运行，增 强用户对市场的应变能力和适应能力，除了增强设 备短期停机的应对能力外，我们还通过空压机供气 量的变化来实现生产负荷的变化。要使空分设备能 大幅度变工况运行，每个单元设备也必须适应这种 负荷的变化，这对设计无疑提出了更高的要求。 （$）仪控系统。通常来说小型空分设备的仪控 比较简单，仪控的装备与空分设备长期稳定运行有 直接的关系。在设计中我们采用差压变送器测量液 位、产品流量等，由数显仪显示。最近，我们将仪 控系统的技术水平又提高一步，预冷器冷冻水循环 泵采用变频控制技术，而纯化器、分馏塔、膨胀机 等部分采用 %&’ 控制、液晶触摸屏显示，力求使 空分设备仪控水平得到明显提高。
设计制造
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全低压小型空分设备的开发
薛 鲁
&!’!(!） （苏州市兴鲁空分设备科技发展有限公司，江苏苏州市齐陆路 + 号
摘要：介绍全低压低能耗小型空分工艺流程的确定，单元设备的设计，安全措施，运行情 况。电耗实测：产品 ,-./ 0 *"1%" 型为 "2+&34516( ，,-./ 0 !+"1!"" 型为 "2)(34516( 。 关键词：小型空分设备；全低压流程；单元设备；设计；运行 中图分类号： 78!!)2!! 文献标识码：9
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开发体会
*+,- . /0 1 $0 型和 *+,- . !)0 1 !00 型全低压 空分设备的问世， 不仅创造了国内最小规格全低压 流程节能型空分设备的记录， 更主要的是证明了小 型空分设备走节能的全低压流程是完全可行的。同 时， 也给我们一个重要启示： 在技术进步日新月异的 今天， 小型空分设备设计生产企业必须紧紧跟上大 型空分设备的技术发展势头， 并努力走在国际前列。
［!］ ［&］ 膨胀工艺流程 。对于我们 计 划 开 发 的 *"6( P 5
和 !+"6( P 5 这两种规格更小的空分设备来说，有正 流膨胀和返流膨胀两种流程可选择，工艺流程分别 见图 !、图 &。对于它们的优缺点，我们作了认真 深入的分析。 ! "! 产品提取率 由于小型空分设备的单位冷损大，采用正流膨 胀势必使较大比例的膨胀后空气不能进上塔，使产 品提取率明显下降。返流膨胀虽然因上、下塔压力
图"
返流膨胀工艺流程简图
提高会影响提取率，但下降幅度不大。 ! #" 空压机排气压力 返流膨胀要有一定的膨胀前压力来确保制冷 量，故要求空压机排压为 !"#$ % !"&’()。正流膨 胀从理论上说可为 !"$’()，但由于采用气体轴承 透平膨胀机，必须保证轴承气的供气压力，迫使空 压机排压提高。虽说膨胀机机前压力提高可使膨胀 量减少，但大部分加工空气只能节流降压入下塔， 压力能显然没有得到充分的利用。 ! #$ 启动时间 启动时间是小型空分设备用户十分关注的问 题，启动时间长，用户成本增加，但最关键的是要 影响设备的间断启动性能。通常来说启动时间长， 间断启动的时间也长，对市场的适应能力就越差。 返流膨胀流程可以在启动阶段提高进口压力，从而
万方数据 ・ 0/ ・
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安全及其它功能
（.）安全是空分设备在设计、制造、运行中必
须重视的一个问题。在小型全低压空分设备的设计 源自文库冷技术 "44$ 年第 $ 期
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薛
鲁：全低压小型空分设备的开发 表!
设计制造
"#$% & ’()*( 型和 "#$% & !+()!(( 型 全低压空分设备主要技术参数
在其它性能方面： !间断开车：经过对 *+,- . !)0 1 !00 型全低 压空分设备的实际测试，在停车 / 小时后，启动 "0 分 钟 即 可 出 氧， $0 分 钟 可 达 到 全 部 设 计 指 标 （不灌注液氧） 。 "快速启动：停机更长时间，特别是热启动时 采用灌注液氧方案，可使启动时间缩短 8 小时。 #变负荷操作：通过不同空压机的组合，使 *+,- . !)0 1 !00 型 空 分 设 备 具 有 607 ? !007 ? !607 的负荷调节范围，即氧产量为 /0 3# 1 4 ? !)0 3# 1 4 ? "60 3# 1 4 的有段式负荷调节，而单位能耗变 化不大。
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单元设备的设计
单元设备是整个空分设备的基础和保证，要提
高空分设备的性能，必须从每个单元部机做起。 " #! 空压机 由于采用了低压流程，具备了选用国内外专业 生产厂的定型无油润滑空压机的条件，提高了设备
图! 正流膨胀工艺流程简图
的可靠性，增强了通用性，降低了使用成本。为了 选用定型的空压机，空分设备的参数只能根据定型 空压机的能力来确定。 " #" 预冷器 在预冷器的设计中我们引入了大型空分设备的 设计理念，采用了氮水预冷系统。小型空分设备用 户的需要通常以氧气为主，氮气为辅，在用氮量不 大的情况下氮气有较大富裕，为使用氮水预冷系统 提供了条件。该方案与采用氟里昂预冷器相比，不 仅降低了能耗，更重要的是运动部机减少，而且氟 里昂冷冻机的维护历来是用户的一个难题。氮水预 冷系统只有高压循环水泵，其维护要求与成本下 降，可靠性提高。 " #$ 纯化器 通过采用双层床设计，降低再生温度；同时利 用空压机的热量预热再生气体，电加热器功耗明显 下降。 " #% 透平膨胀机 返流膨胀工艺为气体轴承透平膨胀机提供了良 好的工作条件：一是转速低，运行可靠；二是轴承 气压力有保障；三是膨胀比小，效率高。从第一台 设备投入运行至今五年间，没有膨胀机进行返修。 " #& 分馏塔 通过采用密封冷箱和提高保冷性能来减少冷 损，同时提高分离效率。冷箱内采用全铝结构，降 低泄漏的可能性。还采用了必要的技术措施来缩短 设备的启动时间。
&" 世纪 #" 年代，随着改革深入和技术进步， 大型空分及液化设备提供了液体产品输送的能力与 手段，液氧、液氮、液氩用槽车销售到全国各地。 由于液体产品质量好、价格合理、易于保存等，许 多小型制氧厂纷纷停产，转而成为液体销售大户的 充装站和分销点，甚至许多自产自用的小型制氧厂 也停产而转向购买液体。 这样的变化对于小型空分设备制造厂来说无疑 是严峻的考验，究其原因主要是近几年大型空分设 备通过引进技术和产品，技术进步快，使生产成本 大幅下降。而小型空分设备在技术上虽然也有所改 进，但进步不大，与大型空分设备的技术差距越来 越大，小型空分设备的技术指标严重落伍。 这就给我们提出了一个问题：如何通过技术的 进步，保留甚至发展小型空分设备的生存空间？经 过 ( U % 年的潜心研究，我们提出了小型空分系列
收稿日期：&""($"($!( 作者简介：薛鲁（!#)"—
产品的节能途径— — —实现全低压流程。我们认为小 型空分设备要与液体供应相竞争，首先要将能耗降 下去，把可靠性提高。而实现这两点的办法就是采 用全低压流程。
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全低压小型空分工艺流程的确定
当时，国内行业厂已经开发的最小的全低压小
型空分设备是 (’" 6( P 5（标态，下同） ，采用正流
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参考文献： ［!］王洪滨 @ 哈氧厂 *+,- . #602)00 型空分设备通过产品 性能测试 @ 深冷技术，!(($（"） ："/5 ［"］叶丹平 @ 杭氧新型 #603# 24（带氩）空分设备综述 @ 深 冷技术，!((/（$） ：!$ ? !/
万方数据 深冷技术 ,((- 年第 - 期
./0123456 7368419120
*+,- . /02$0 型 项 目 设计 指标 /0 ((56 05" $0 "# 05) !8 !" 05)6 !!0 实测 指标! //56 ((58 05" $! " 05) !8 !" 05)" !!0 *+,- . !)02!00 型 设计 指标 !)0 ((58 05!/ !00 "# 0586 !$ !" 0586 """ 实测 指标! !(# ((58 05!/ !0)5$ " 0586 !$ !" 058# """
! 产品技术参数及运行情况
按照上述设计理念进行产品开发，我们首先在 !(() 年着手 *+,- . /0 1 $0 型空分设备的研制，并 于 !((/ 年初一次调试成功，各项性能指标均优于 设计要求和合同指标。在以后的两年中我们对整套 设备进行了全方位的跟踪测试，了解设备在长期运 行过程中的情况；并对设备进行了各种试验，以全 面掌握全低压小型空分设备的第一手资料，并进行 总结和提高。在此基础上， "00! 年我们又设计开 发了 *+,- . !)0 1 !00 型全低压空分设备，各项性 能都优于设计要求和合同值，当然也优于 *+,- . /0 1$0 型 全 低 压 空 分 设 备。 *+,- . /0 1 $0 型 和 *+,- . !)0 1 !00 型全低压空分设备的主要技术参数 见表 !。
） ，男，!#*& 年毕业于江苏省电大机制专业，从事过制氧机设计工作，工程师，现为苏州市
兴鲁空分设备科技发展有限公司董事长、总经理。
万方数据 深冷技术 #$$% 年第 % 期
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设计制造
薛
鲁：全低压小型空分设备的开发
提高膨胀比和进气量，缩短启动时间。正流膨胀流 程在启动阶段虽然也可以提高膨胀机的进气压力， 但因膨胀量所占比例少，效果不明显。 通过以上论证，我们认为 *!! +* , - 以下的空 分设备采用返流膨胀流程是合理的，在整体技术性 能上要优于正流膨胀流程。