1、1对现代制氧机经济运行模式的探讨 I（2011/09/18）变负荷李化治 童莉葛北京科技大学 100083摘要：阐述了建立现代制氧机经济运行模式的理论依靠 分析方法。指导制氧机经济运行的目标参数是流程效率，用空分 计算揭示了影响流程效率的主要因素，进而用 分析方法说明变负荷运行的最佳模式。关键词： ，流程 效率，产品 分配；变负荷Economic operation analysis on modern air separation unit: Part I-Variable loadLi Hua-zhi, Tong Li-ge University of Science process ex
2、ergy efficiency; product exergy distribution; variable load1 引言节能减排是我国的大政方针，基本国策之一，也是我国制氧行业一直追求的永恒主题。现代制氧机在流程组织的优化、配套设备部件的制造水平的提高，已有长足的进步。在我国以杭州制氧机集团为代表的我国空分制造水平在本世纪的十几年间已实现了飞跃，目前我国已成为现代大型制氧机制造的大国，六万等级的超大型制氧机已经鉴定。目前正在设计十万以上等级超大型制氧机，正向空分装置的强国挺进。据统计，我国已有二百多套现代制氧机在运行，其流程均为全低压第六代流程，其氧取率已达到 99%以上，制氧单耗已降至
3、 0.380.42kWh/m3。我国的大型氧气生产厂主要是由钢铁企业的氧气分厂发展起来的，并正向多种产品的气体公司扩展。2如何发挥现代制氧机的优势，解决供需矛盾建立优化的经济运营模式，一直是制造企业与气体公司共同关注的课题，追求的目标。在十二五开始，各气体公司都在努力地探索，进行各方面的技改挖潜，以实现节能，达到最低的投入，最高产出，获得最大的经济效益和社会效益。建立现代制氧机组经济运营模式是系统工程，各气体公司制氧机设置不同，用户需求不同，经济运行的模式必然有所差异。本文就将近十年我们在这方面的研究和探求，建立经济运行模式共性的问题谈几点看法，以供参考！2 理论依据以往只以制氧的单耗指标和空
4、压机耗功来评价制氧机的能耗，以单耗指标已不足以揭示现代制氧机厂耗能的内在规律，为降低能耗指明方向。其理由如下：（1）氧耗不能反映多种产品的能耗成本；（2）它不能反映制氧机由多个不可逆过程，如传热、压缩、膨胀、流动阻力等的能量损失的质量；（3）能耗只表示了热力学第一定律（能量守恒）未反映热力学第二定律（方向性和可逆性） ；（4）在热能利用领域，有效能才能回收，能耗不能反映出有效能消耗的多寡。鉴于上述原因，指导建立经济运行模式的理论分析方法应该采用 分析方法，减少 损，提供流程的 效率，才是追求节能的目标参数。2.1 的定义及计算热力系统所具有能量与环境相比，有可回收部分为有用功，称为“ ”，有不
5、可回收部分为无用功，即（ ） 。是流动工质所处的状态可逆地转变或与大气环境状态（P=0.1013MPa，T=298.15K）相平衡状态所作功，用 E 或 e 表示，单位 kJ/m3或 kJ/mol3,4。按性质分为焓 和化学 。焓 是同一工质偏离环境状态时所具有的做功能力。化学 是工质成分变化或发生质量变换时所引起的作功能力变化值。在空气分离过程中包括焓 和空气分离所消耗的分离功即化学 。焓 可用（式-1）计算：（式-)()(00hSTEh1）3式中：T 0、T分别为环境温度、温度；S 0、S分别为环境状态的熵、熵。化学 可用（式-2）计算：（式-FiFEyE02） 式中：E F混合物基准 ；
6、y ii 组分的浓度； 混合过程不可逆所造成FE的 损。由我们编制的 计算软件及建立热物性库计算结果，空分装置产品的 值列于表-1 。表-1 空分装置产品产品名称 纯度%温度K压力MPa KJ/m3（标）纯氧 100 293 0.1013 170.6产品氧 99.6 293 0.1013 168.5产品氮 99.99 293 0.1013 27.2产品氩 99.99 293 0.1013 508.4液氧 99.6 90.1 0.1013 943.43液氮 99.99 77.3 0.1013 968.25液氩 99.99 87.3 0.1013 983.93压力氧 99.6 293 3.0 53
7、7.06压力氮 99.99 293 0.6 223.26污氮 98.0 293 0.1013 30.012.2 流程效率及主要影响因素（1）流程效率的定义及计算过程效率是过程实际消耗功与过程最小功之比。即（式-sxl3）式中： 最小功； 实际消耗功。xlsl对于深冷法空分装置是由许多过程和系统组成，其过程由压缩过程、净化4过程、传热过程、制冷过程、分离过程等，其流程效率应为过程效率的综合，它可以由空分装置的 平衡求出。空分装置的 平衡简图如图-1 所示。空分装置E0 EiEsl图-1 空分 平衡简图平衡式：（式-ElEis04）式中：E 0环境条件下的输入 ； 空分装置的实际消耗功； 空sl
8、iE分各产品 值的总焓； 空分装置总 损。E空分装置的 效率：（式-sikl5）当加工空气输入时处于环境状态，E 0=0 时 。显然， 损减少Elis时， 效率将提高。空分的 损失包括压缩机 损，膨胀机制冷 损、传热 损、分离时 损、流体流动过程 损及跑冷损失等。各个环节的过程 损小， 效率高，流程效率才能高。（2）影响流程效率的因素通过对空分 效率的计算和分析，影响流程 效率的主要因素有：1）增加有用产品的产量，减少污氮的排放，实现全提取，可以显著地提高流程效率；2）在加工空气量一定的前提下，在设计工况下运行，使气体产品和液态产品产量达到极致，流程效率最高；3）在总产品产量不变的情况下，气态
9、产品与液态产品分配上，增加液态产5品的产量流程效率将提高。经计算，液态产品为零时，空分流程效率为43%，当液态产品量为气氧产量 8%时，流程效率提高到 47%；4）在液体产量不变的前提下，提高液氩产品产量的比例可以提高流程效率；5）在气态产品总量不变的前提下，提高气氧产量，可以提高流程效率；6）减少主换热器的温差，尤其减小冷端温差，使 损更小，效率更高 1。在 100K 下发生的传热时所造成的 损失是 200K 条件下发生传热的损 4 倍。7）沿程阻力、气体工质流动时，阻力值相同时，压力低的气体 损大，流程效率低。经计算，上塔单位阻力产生的 损失比下塔单位阻力所产生损的 4 倍。所以降低上塔阻
10、力，其节能效果更显著。液体工质的单位阻力值所对应的 损受压力的影响不大，比 300K、0.15MPa 下的气体工质 损小了 200 多倍，所以空分装置多采用液体节流；8）主冷温差降低 1K 主冷的 损减少约 50%，流程 效率提高约 4%；9）增压膨胀机效率对 损影响很大，膨胀机的效率由 80%提高到 85%，其损可以减少 25%。以上是从 分析得出的规律，可以指导我们对空分装置设计时的优化，以及制氧机经济运行模式的建立。3 变负荷评述3.1 问题的引出空分变负荷分手动和自动变负荷。手动变负荷是操作人员的必备的操作技能。对应空分装置的运行而言希望长周期、稳态工况连续运行模式。变负荷是保证供需平
11、衡的必需。但是由于炼钢的间断使用和制氧机连续供氧的矛盾，造成氧气放散率很高，尤其大型或超大型制氧机更为突出。据统计钢铁企业在2000 年左右，氧气放散率高达 10%以上，甚至有的厂高达 25%，浪费严重，能耗高。为解决此问题，林德公司在上世纪七十年代就推出变负荷型制氧机应用于钢铁企业。我国在上世纪八十年代在首钢和鞍钢先后引进了变负荷型制氧机，6但在二十多年的运行中并未发挥出应有的作用。近几年现代制氧机已为变负荷创造条件，智能的变负荷软件也是我国制氧机装备制造业与国外制造业的差距之一，备受青睐。国内也正在研发变负荷软件，各运行厂也十分重视变负荷，以减少氧气放散率，达到节能的目的。下面就多年来在实
12、践和调查及理论计算的基础上对变负荷模式谈几点看法供参考！3.2 变负荷的方法变负荷的方法 2就原理而言分为跟踪调节（ALC）和液氧与液氮互换（周期倒灌 VAROX）变负荷。（1） 跟踪调节（ALC）炼钢间断用氧使得用氧量呈现周期性变化，如图-2 示意图，对于50000m3/h 制氧机，高峰用氧量是（45000+12000）m 3/h，低谷时用氧量（45000-12000）m 3/h。用氧量（m 3）时间（h）0.50 1.0 1.5 2.0330004500057000图-2 用氧时周期性变化示意图跟踪调节即是根据管网的压力，用氧量低谷时，制氧机自动减量。高峰用氧时及时增加氧产量。实现自动变负
13、荷，首先要改变氧产量设定值，变负荷执行软件，将计算出与变工况相关的一一对应的工艺参数的各个参数值，然后输入 DCS 系统替代原有的参数值，以执行机构依规定顺序逐一调节到位，而后建立新的平衡。变负荷过程是一个多参数变化复杂过程，建立 ALC 软件的数学模型也很复7杂，需要在制氧机静态的仿真模型的基础上，建立起在线的动态模型。一些动态模型是反映变负荷设计的主要参数之间变化规律的方程组，因此 ALC 软件的价格较贵，并且对于不同的供需系统，即使同一型号制氧机均需要较长时间的调试。显然，跟踪调节使供氧与周期变化曲线相吻合，与负荷变化速度有关，一般 ALC 负荷变化速率为 0.2%/min，变化太快会破
14、坏精馏工况。假若如图-2 变化幅度，ALC 变化速度是无法达到跟踪调节。应用 ALC 变负荷不只是在 DCS 系统中加上 ALC 软件就能达到变负荷，需要增加许多硬件，增加额外工艺参数测量的一次元件和仪表。例如，液氮去上塔流量计，污氮去上塔流量计等等，还有增加一些控制回路，例如控制氩系统的氩馏分量，并且对调节阀调节的精度也要求很高，总之变负荷的制氧机投资要提高 10%以上。实现 ALC 变负荷，由于加工空气不断变化，精馏塔回流比不断变化，影响精馏工况的稳定性，不利于生产工况的优化，在氧产量变化的情况下，氮产量也受到影响，尤其对氩的影响更大。（2）液氧与液氮周期倒灌自动变负荷（VAROX）可想而
15、知，这种变负荷必须设置大型液氧和液氮储槽。当其流程示意图如图-3 所示。8图 -3 VAROX 变负荷流程示意图当用氧高峰时，主冷液氧蒸发量大，通过液氧泵将液氧送入上塔底，补充液氧，此时主冷氮侧的冷凝量加大，送入液氮储槽中储存。当用氧量低谷时，用主冷液氧蒸发量少，主冷液氧面上涨，液氧送入储存中储存。氮侧的中压氮冷凝量减少，将中压氮抽出量增加去中压膨胀机。可见，这种变工况，加工空气量不变，精馏的回流比不变，精馏工况不变，氧气负荷的调节对氮、氩其他产品无影响，并且可以保持制氧机在流程 效率最高的工况优化下运行。此外，这种变负荷变化速率快，最初应用时为每分钟变化 3%，目前已达到56%，与 ALC
16、相比，被称为快速变负荷。林德公司制造的 VOROX 变负荷约 50000m3/h 制氧机，为了保证快速变负荷的需要，在空分装置内放置了两个膨胀机制冷系统。3.3 对已运行制氧机实施变负荷的建议1）采用液氧与液氮互换变负荷。如上所述，这种变负荷方式可以保证制氧机始终在流程 效率最高工况下运行，各产品产量高且节能，又能达到快速变负荷，减少氧气放散率。2）制氧机流程不改变，设置可变负荷的液氮与液氧可以互换外液化装置，9大型液氧和液氮储槽，这种内、外变负荷相结合的液氧与液氮互换变负荷，可称为 CVOROX。这种方式是适合国内已运行制氧机的最佳方式。当用氧高峰需要氧气量多时，将液氧储槽的液氧蒸发送入管网
17、。当用氧量少时，将多余的氧送入液化装置液化储存。3）变负荷范围的规定：目前新制造的现代制氧机，通常变负荷范围为70110%。变负荷的范围受到精馏工况和空压机喘振的限制。但在实施变负荷时，应范围尽量的小，因为偏离设计工况， 损增加， 效率将下降。据统计，应在 10%范围内变化，最为节能。4）变负荷频率。可想而知，变化次数越少，运行工况越温度，变负荷的指令应来源于氧气压力的动态跟踪。首先由液化装置变负荷来保证供需平衡，尽量减少制氧装置变负荷的效率及幅度，以保持现代制氧机的最佳工况。5）编制符合各厂所需情况的供氧压力变化的动态跟踪软件和自动变负荷软件。3 结束语通过上述的论述，可以得出以下结论：（1） 建立经济运行模式时，采用 分析方法，用 效率作为目标函数，才是科学的，合理的。（2） 分析软件揭示出，现代制氧机应维持在设计工况运行，各种产品均达到极致，才是最佳模式。（3） 变负荷方式应采用设置外液化装置内外结合式（CVOROX） ，才是最经济的。参考文献1 毛绍融，钱宇峰.空分流程中几个基本热力过程 分析.深冷技术，2002， （1）：15.2 李化治.制氧技术（第 2 版） ，北京：冶金工业出版社，20093 B.M.布罗江斯基， A.M.谢缅诺夫.低温技术热力学基础，北京：机械工业出版社，1985.104 王催春译 .空分设备产品 分布，深冷技术，1997， （5）：1418.
