60000空分设备制氩系统实现稳产高产的操作

收稿日期:2005212227;修回日期:2006203222
作者简介:潘　浩(1972—　),男,高级工程师,1993年毕业于华中理工大学动力工程系低温、制冷及压缩机专业,2003年华中科技大学研究生毕业,现任武钢氧气有限责任公司运行四车间主任。

60000m 3
/h 空分设备制氩系统实现稳产高产的操作
潘　浩,周　伟,李　钧
(武汉钢铁集团氧气有限责任公司,湖北省武汉市青山区白玉山　430083)
摘要:武钢氧气公司H 台60000m 3
/h 空分设备投产初期氩气生产工况易波动、稳定性较差,
造成氩气产量未达到设计产量。

通过改变工艺设计参数及工艺液体泵密封气改为氩气的方法,使氩气生产稳定,氩气平均产量达到了设计产量。

关键词:大型空分设备;制氩系统;工艺参数;液体泵中图分类号:T Q116114 文献标识码:B
Steady 2and 2high output operation of argon producing
system in a 60000m 3
Πh air separation unit
Pan Hao ,Zhou Wei ,Li Jun
[Oxygen Co 1,Ltd 1,Wuhan Iron and Steel (Group )Corp 1,Baiyushan ,Qingshan District ,Wuhan
430083,Hubei ,P 1R 1China ]
Abstract :An unsteady situation of arg on produce occurred in the earlier operation of a 60000m 3
Πh air separation unit at
Oxygen C o 1,Ltd.of Wuhan Iron and Steel (G roup )C orp 1,which resulted in an arg on output lower than the designed value.M odifications ,such as adjusting operating parameters and using arg on for the seal of liquid pum p ,have been performed.A steady arg on production was realized after the m odifications ,and the average arg on output increased up to the designed value.
K eyw ords :Large scale air separation unit ;Arg on producing system ;Operating parameter ;Liquid pum p
前　言
武钢氧气有限责任公司(以下简称:氧气公司)从林德公司引进的H 台60000m 3
/h 空分设备制氩系统采用全精馏无氢制氩流程,与氧气公司其他空分设备采用的加氢制氩流程不同。

60000m 3
/h 空分设备自2005年1月正式投产以来,氩气生产很不稳定,经常中断,4～5月份氩气平均产量仅为1880m 3
/h ,远低于设计产量2150m 3
/h 。

这极大地影
响了管网氩气的稳定供应和液氩产品的外销,对氧气公司全年的保产任务及利润目标的顺利完成都带来了不利的影响。

后通过技术人员的共同攻关和不断改进,2005年7月后,氩气生产非常稳定,氩
气平均产量也达到了设计产量。

1　制氩系统工艺流程
60000m 3
/h 空分设备是我国目前最大的连续性
全提取空分设备,采用降膜式主冷,压力塔和低压
塔均安装于地面,除甲烷塔位于压力塔的顶部,主冷安装于除甲烷塔的顶部。

粗氩塔分成两段,分别安装于地面。

在粗氩Ⅱ塔的顶部设置了冷凝蒸发器,冷源为压力塔底部来的过冷富氧液空。

低压塔中部氩富集区抽出氩馏分气进入粗氩Ⅰ塔的下部作为其上升蒸气,粗氩Ⅰ塔顶部的气体进入粗氩Ⅱ塔下部作为其上升蒸气。

粗氩Ⅱ塔塔釜中的液体经工艺液氩泵打往粗氩Ⅰ塔的顶部作为其回流液,粗氩
・
5・
Ⅰ塔塔釜中的液体经氩馏分泵打往低压塔中部作为其回流液。

在两段粗氩塔内完成氧、氩的分离,最后在粗氩Ⅱ塔的顶部得到氧含量<1×10-6的粗氩;粗氩进入精氩塔进行氮、氩的分离,最后在精氩塔底部得到产品液氩。

60000m3/h空分设备制氩系统部分设计参数见表1。

表1　60000m3/h空分设备制氩系统部分管线流体物性设计参数表
介 质温度
/℃
压力
/kPa
流量
/(m3/h)
组 分
O2N2Ar
粗氩Ⅰ塔到粗氩Ⅱ塔馏分气-18315630676780116%9019×10-69918%低压塔到粗氩Ⅰ塔馏分气-1801530641079012%9017×10-6917%进粗氩冷凝蒸发器液空(作冷源)-18915740735703815%60%114%进精氩冷凝蒸发器液空(作冷源)-18914340383553815%60%114%精氩塔不凝气体排放-186141021013×10-620%7919%进精氩塔粗氩-184112021611×10-6012%9917%精氩冷凝蒸发器内蒸发液空返回低压塔-1894060491619%8211%0192%精氩冷凝蒸发器内液空返回低压塔-1891140323064215%5518%1157%粗氩冷凝蒸发器内蒸发液空返回低压塔-1851840728343812%6013%114%产品液氩-184181021501×10-680×10-9991999%
2　改进前运行状况
60000m3/h空分设备自2005年1月投产以来,外方专家经过近4个月的调试,虽然能保证氧、氮的正常生产,但是氩气生产工况易波动、稳定性较差。

(1)正常运行时,精氩冷凝蒸发器中的液空液位突然会发生大幅度波动,当液空液位高于115%时,低压塔中部氧纯度在几分钟之内从50%骤降至20%左右,低压塔工况被破坏,氩气生产被迫中断。

(2)正常运行时,精氩塔压力突然在2～18kPa 之间大幅度波动,不凝气体(氮气)放空量在3～25m3/h之间大幅度波动,精氩塔工况被破坏,氩气生产被迫中断。

(3)正常运行时,精氩塔突然形成塔内负压,不但使工况破坏,还将外界空气倒吸进塔内,使产品液氩中氧含量、氮含量瞬间上升,氩气生产被迫中断。

(4)正常运行时,氩馏分量快速下降为55000m3/h左右,粗氩Ⅱ塔压力升高到25kPa以上。

大量的氮气进入粗氩塔,氩气生产被迫中断。

3　原因分析
因为60000m3/h空分设备1月投产后,在一边供气保产、一边调试的情况下,外界对调试有很大制约,加上调试时间短、外方调试人员缺乏对该类流程空分设备的调试经验,大量的串级控制根本未投入使用,一些重要的参数偏离设计值,致使空分设备无法稳产、高产。

针对生产中出现的异常现象,通过一段时间的摸索总结,认为造成制氩系统工况易波动、稳定性较差的主要有3个原因。

311　精氩塔的设计对操作的要求非常高
根据林德公司的设计,60000m3/h空分设备精氩塔采用压力塔底部的富氧液空作为冷源,而没有采用纯液氮作冷源。

这股液空管线直径为Φ250mm,流量为38355m3/h,进精氩塔的粗氩流量为2161m3/h。

如果60000m3/h空分设备的精氩塔工况发生波动,将造成精氩冷凝蒸发器中的液空液位发生大幅度波动。

林德专家将精氩冷凝蒸发器的液空液位设为105%,当液空液位高于115%时,氩馏分氮含量提高,严重情况下导致低压塔精馏工况被完全破坏。

其现象是低压塔中部氧纯度AI4110在几分钟之内从50%骤降至20%左右,粗氩冷凝蒸发器发生氮塞,氩气生产被迫中断。

这种流程对精氩塔的操作提出了很高的要求,因为一旦精氩塔工况发生小小的波动,将直接作用于低压塔,并且这种作用往往是立竿见影并且是致
・
6
・
命的;另一方面,因为粗氩冷凝蒸发器的冷源也取自压力塔底部的富氧液空,与精氩塔的冷源液空流体并联。

如果精氩塔的液空流量瞬间发生大幅度变化,因为调节器无法及时跟踪这样大的变化,加上调节器的自振,导致粗氩塔的冷源液空量也随之发生波动,引起粗氩塔工况波动。

现象是粗氩塔压力不稳定,在16～22kPa之间无规则波动,导致进精氩塔的粗氩气流量波动,影响精氩塔的精馏。

312　精氩塔的调节尚未优化
由于各方面的原因,直到空分设备性能考核时精氩塔的不凝气体排放量控制仍使用单一的压力低值调节器PIC412312。

因为精氩塔的压力仅为5kPa,仅比大气压稍高,如果采用单一的压力低值控制器来控制不凝气体放空量很难做到稳定的排放,现象就是不凝气体排放量忽高忽低。

经常是放空量一会过大,导致塔内压力过低,全关不凝气体放空阀,
,而低值调节器无法迅速响应,致使不凝气体无法顺利排出塔外;当压力特别高时,低值调节器又迅速全开不凝气体放空阀,导致塔内压力瞬间为零,使进入精氩塔的粗氩量激增,精馏工况被破坏。

313　制氩系统出现周期性氮塞
在氩气生产中还发现制氩系统经常发生氮塞现象,有时AI4110仅为20%,氩气生产完全停止,很难消除这种现象。

一个原因为氩馏分的氮含量偏高;另一个原因为6台工艺液体泵的密封气会将额外的氮气带入粗氩塔。

为了保证持续72h的性能考核,外方调试专家减小氧气产品取出量,增加低压塔的上升蒸气量,使AI4110高达50%以上,同时将氩馏分量控制在62000m3/h,以使随氩馏分进入粗氩塔的氮气量减少,从而避免发生氮塞。

这样一方面,AI4110严重偏离设计值,偏离值达3717%,使得低压塔氩富集区上移,氩馏分中氩含量大为降低;另一方面,氩馏分量降低后,进入粗氩塔的氩也减少,大大降低了氩气的产量和提取率。

4　改进措施
411　将精氩冷凝蒸发器液空液位由105%设为80%
为了防止精氩冷凝蒸发器液空液位波动到115%时影响低压塔精馏工况,决定降低其液空液位设定值。

但是降低到多少合适呢?将精氩冷凝蒸发器的液空液位分别设为100%、90%、80%进行优化比较。

当其液空液位设为100%、90%时,液空液位还是会经常波动到115%;将其设为80%时,液空液位没有发生大幅度波动,且低压塔工况非常稳定,同时也能保证精氩冷凝蒸发器的正常换热。

412　提高精氩塔压力
由于外方专家使用了单一的压力低值调节器PIC412312调节精氩塔压力,没有将压力高值调节器PIC412311投入使用,这样在10kPa压力以下放散是极不稳定的。

因此将精氩塔压力由5kPa提高到11kPa,同时用压力高、低值调节器PIC412311和PIC412312共同控制精氩塔的不凝气体排放量后,精氩塔压力非常稳定。

413　提高精氩冷凝蒸发器液空侧压力
操作过程中,笔者认为应适当提高精氩冷凝蒸发器液空侧的压力,但是将液空蒸发压力升高到多少合适呢?将液空侧压力控制为50、60、70kPa进行优化比较:当液空侧压力控制为50kPa时,液空温度太低;当液空侧压力控制为70kPa时,液空温度升高较多,造成精氩冷凝蒸发器换热温差缩小,精氩塔压力随之升高,导致不凝气体排放量增加,氩气量损失较大。

当液空侧压力控制为60kPa后,不凝气体排放量只有6m3/h,氩气量损失较小,工况也非常稳定。

414　改换两台工艺液氧泵和4台工艺液氩泵密封气
由于6台工艺液体泵密封氮气容易泄漏到制氩系统,额外的氮气不利于氩的提取。

氧气公司利用计划临时停车的机会,将两台工艺液氧泵和4台工艺液氩泵的密封气由氮气改为氩气后,情况较好。

又将AI4110由50%逐渐降至35%左右,氩馏分量由62000m3/h提高到67000m3/h,使低压塔更多的氩组分进入粗氩Ⅰ、Ⅱ塔。

5　实施效果
经过近4个月的运行观察,低压塔、粗氩Ⅰ及Ⅱ塔和精氩塔工况非常稳定,氩气平均产量也达到了设计产量2150m3/h。

改进措施实施前后制氩系统主要操作参数与生产指标的对比见表2。

2005年4～10月的每月氩气平均产量如图1所示。

・
7
・
表2　改进措施实施前后制氩系统主要操作参数与生产指标的对比表
名
称
设计参数
性能考核时实际参数
改进后的实际参数
低压塔中部温度/℃-186-18416-18612低压塔中部氧含量3717%O 248%O 237%O 2精氩冷凝蒸发器液空液位100%105%80%氩馏分量/(m 3/h )
676786200067000精氩冷凝蒸发器液空蒸发压力/kPa 424060精氩塔压力/kPa 11511氩气平均产量/(m 3/h )
2150
1880
2150
图1　2005年4～10月氩气平均产量
结束语
通过技术改进和优化操作,使60000m 3
/h 空分
设备的制氩系统实现了稳产、高产。

氧气公司的技术人员对全精馏制氩流程有了更进一步的认识,提
高了操作水平,也为氧气公司下一套60000m 3
/h 空分设备的投产运行提供了丰富的技术数据和实践
经验。

※※※
西安交通大学制冷与低温专业召开成立50周年纪念大会
西安交通大学制冷与低温专业成立50周年纪念大会暨高端学术论坛于2006年4月7日在西安交通大学科学馆隆重召开。

大会由西安交通大学能源与动力工程学院党委书记李连生教授主持,西安交通大学副校长蒋庄德教授出席并致欢迎词,中国科学院院士陈学俊教授为纪念大会致辞。

应邀参加大会的有中国科学院周远院士、中国科学院院士陶文铨教授、中国制冷学会潘秋生先生以及众多杰出校友。

西安交通大学厉彦忠教授对制冷低温学科及专业历史、现状进行了介绍,并对学科的发展进行了展望。

周远院士、合肥通用机械研究院院长樊高定教授、中国制冷空调工业协会秘书长杨炎如研究员及日本京都大学河合武(K awai )教授等分别做了“制冷及低温技术在能源领域中的应用及展望”、“制冷空调节能与能效标识”、“中国制冷空调行业
现状与发展”及“Searching for the new horizon in refrigeration &
cry ogenics in 21century ”等学术报告。

会后,代表们参观了
西安交通大学制冷与低温实验室、压缩机国家工程研究中心及热流中心实验室,并就“制冷与低温学科发展”进行了座谈。

西安交通大学制冷与低温专业成立于1956年,是我国最早设置的制冷低温专业。

在多年的低温技术研究中,先后获得国家自然科学奖两项,国家科技发明二等奖3项,国家科技进步奖6项,50年来已为国家培养了制冷与低温工程专业技术人才两千多名。

此次大会的成功召开,展示了西安交通大学制冷与低温学科的科研水平及实力,将对我国制冷与低温学科的发展起到积极的促进作用。

本　刊
・
8・。