大型空分设备的流路组织与研究（一）

前言

随着科学技术的进步，世界空分技术在近几年取得突飞猛进的发展，国内外的市场和竞争进一步开放，国际化的步伐也逐渐加快。近百年来几大跨国公司及国内企业在技术方面都取得了不小的进步，当然流程组织对空分设备节能而言影响较大，这对成套空分装置的节能及功能作用来说至关重要，以下详细阐述各系统的流程组织与设计。

1.压缩系统

有自洁式空气过滤器，汽轮机、空压机、增压机，仪表压缩机等。

（1）自洁式过滤器一般随着气量的增大，滤筒数增多，层数也越高，一般2.5万等级以上双层，6万等级以上三层布置；一般每只滤筒处理气量为20m³/min（为实际体积），每5只滤筒配置一个电磁阀，一只滤筒配置一个文氏管，滤纸进口植物纤维，采用PLC控制，压差超值持续反吹控制进DCS。一般10∽100Nm³/h的反吹气量，耗电一般也为20kW(5000等级)∽200 kW(5万等级)。大气压低时体积流量会增大，一般单台压缩机需要单独布置过滤器，同时布置在上风口。

（2）汽轮机是高压蒸汽进行膨胀做功，带动同轴叶轮转动，从而实现进行对工质做功的型式。汽轮机一般常用的有三种形式：全凝、全背压和抽凝，较为常用的是抽凝。高压蒸汽锅炉有40barG（功率较小）等级和90barG（功率较大，比40barG的多25%）等级两种，然后中抽可以有三种或者四种蒸汽压力等级。

A.40barG等级蒸汽

其中3.5 MPa 等级蒸汽主要用于压缩机组（3万等级以下空分一拖二，或者产品氮压机）拖动，1.0MPa 等级蒸汽主要用于蒸汽加热器的蒸汽供应；0.4MPa 等级蒸汽用于喷射蒸发器和水浴式汽化器的蒸汽供应。

B.90barG等级蒸汽

其中9.5 MPa 等级蒸汽主要用于压缩机组（3万等级以上空分一拖二）拖动，4.5 MPa 等级蒸汽主要用于压缩机组（产品氮压机）拖动，1.3MPa 等级蒸汽主要用于蒸汽加热器的蒸汽供应；0.5MPa 等级蒸汽用于喷射蒸发器和水浴式汽化器的蒸汽供应。

高压（90bar等级）蒸汽一般90∽130元/吨，而少煤区较贵，一般130∽160元/吨，依照工业电价0.5元/度计算)，则可以得出。

可见在电价0.5元/度时，高压（95barG）蒸汽价格130元/吨20年总投资恰好相当，当然未算锅炉投资成本，但是一般化工厂均有自用锅炉蒸汽，同时一些品质较低的低压等级的蒸汽来满足蒸汽加热器以及喷射蒸发器等的蒸汽利用，一般来说投资蒸汽驱动的汽轮机较为划算。

所以依据当地电价0.5元/度，一般高压（95barG）蒸汽价格低于130元/吨时较为划算，另外本来有蒸汽或者蒸汽有剩余也优先采用蒸汽驱动；当蒸汽价格高于130元/吨，且当地工业用电不高于0.5元/度，则采用电驱动较为划算。

40barG等级的高压蒸汽100元/吨对应90barG蒸汽130元/吨，40barG等级的高压蒸汽实际上110元/吨以下均是划算的（对应电价0.5元/度）。

汽轮机表冷器有水冷和风冷两种，一般缺水地区采用风冷（风冷器价格千万元以上），不缺水地区一般采用双回路水冷却器。空冷器厂家一般有巴蒂尼奥、双良、哈空调。

汽轮机转速控制及热井液位等控制：实时监控机组的转速和汽机的热井液位等，以保证机组转速和汽轮机的热井液位正常。实现转速控制和超速保护。热井液位控制通过控制汽机热井的两台给排水阀和冷凝液泵的开停来实现。汽轮机密封为自立式调节。

一般2万等级以上空分设备采用蒸汽驱动都是较为划算的。

（3）电机驱动

电机驱动适合无蒸汽的厂家，或者一般2万等级以下的空分设备，总投资较不划算。电机驱动特点是快速，需要另外设置盘车电机进行分程跑合；蒸汽驱动一般需要锅炉烧煤2天后才可供应高压蒸汽，汽轮机一拖二拖动自身能进行分程跑合。

汽轮机一拖二布置一般厂房双层布置，机组设置在二层，冷却器及热井设置在一层，机组位置较高；电机驱动采用单层布置，机组入口位置较低。

电机进口一般为SIEMENS、ABB；国产一般为上海电机厂；汽轮机进口为SIEMENS、曼透平；国产为杭汽，杭汽中能，青岛捷能。

（4）空压机

空压机一般大型空分装置投资均为单轴等温型离心压缩机，进口较国产能耗低2%左右，投资高80%；空压机采用出口放空，不设置回流管路，一般有最小吸入流量防喘振要求，采用入口导叶进行流量调节，进口国产机组均是四级压缩三级冷却（末级不冷却）。压缩机排压与当地大气压有关，一般排压与当地大气压的压差取6.0bar∽6.2bar，同时与主塔的工作压力有关，工作压力低，精馏效率高，可减少气量约为1.5%，但体积增大，综合下来压缩机能耗有所减少，入口温度取最热月平均温度。

水洗系统：主空压机配备一套水洗系统，用以冲洗各级叶轮和蜗壳表面沉积物。该系统随主机成套。

（5）增压机

增压机一般大型空分装置投资采用单轴等温型离心压缩机和齿轮式离心压缩机两种，其中齿轮式在能耗上占较大优势，尤其压比较大的工况，增压机采用中抽和末级放空，设置回流管路，增压机防喘振分低压缸和高压缸两部分，低压缸以进气流量、进气压力、进气温度和排气压力作为防喘振控制单元的控制要素，控制单元的控制输出作用于低压缸防喘振阀，防喘振阀的输出打回流于低压缸进口。高压缸以进气压力、进气温度和排气压力、排气流量作为防喘振控制单元的控制要素，控制单元的控制输出作用于高压缸防喘振阀，防喘振阀的输出打回流于高压缸进口。

（6）仪表压缩机

仪表气压缩机一般有三种形式：无油螺杆机，活塞式和离心式。由于活塞式和离心式天然无油，所以不需要除油装置，只需要配套干燥装置（除水）和精密过滤器（除固体颗粒）即可；而螺杆机一般有有油和无油然后除油两种，喷油螺杆机需要设置除油装置，同时需要设置精度非常高的除油过滤器，以满足工艺要求，这种机型的优势是价格较便宜；无油螺杆采用干转子或者水润滑，这种机型优点是绝对不含油，缺点是价格较贵。气量500 Nm³/h以下适合选活塞式；气量在2000 Nm³/h以下适合选螺杆机或活塞机；气量在2000 Nm³/h以上即三种机型都可以选，气量大时离心式压缩机较有优势，其易损件较少，同时好维护，性价比较高。

仪表压缩机在开车时使用，正常运行后由分子筛纯化器后抽取。

2.预冷系统

预冷系统空冷塔有两种形式：闭式循环（空冷塔分为上下两段，冷冻水在空冷塔上段和水冷塔之间循环）和开式循环（进循环水系统），闭式循环主要应用于水质不好的化工厂，需要补充新鲜水及药剂；开式循环应用较广，但是循环水系统同样也需要定期补充新鲜水，预冷系统还需要考虑夏天工况。

空冷塔一般设计为底部为1米φ76不锈钢鲍尔环（耐高温），3米φ76增强型聚丙烯鲍尔环（大通量），4米φ50增强型聚丙烯鲍尔环。

水冷塔也有两种：两段式（无外加冷源时，干燥污氮气的冷量回收充分，使之预冷系统有保障，但是阻力大一倍，（7米+7米φ50聚丙烯鲍尔环）和一段式（有外加冷源时，8米φ50聚丙烯鲍尔环）。

预冷系统的外加冷源采用氨蒸发器（化工厂一般刚开始无液氨）、备用小型冷水机组及不设置冷水机组（氟利昂或者溴化锂冷水机组），均要设置空气节流进水冷塔流路，以满足开车工况。

设置冷水机组的采用小流量打回流方式降低冷冻水温度，保证冷冻水出水温度不高于15℃（正常设计12℃以下）。

氮气用量大时，污氮气较少，水冷塔制冷效果较差，导致出水温度高，与设计温度的温差较大。此时需要采用大温差冷水机组或者标准5℃冷水机组打回流方式保证5℃温差（逐渐缩小温差）。采用大温差冷水机组水泵流量小，电耗小，但是冷水机组温差大，冷量利用效率较低，能耗高；而采用5℃温差标准机型则通过回流来逐渐缩小温差至5℃，需要大流量水泵实现，电耗较大，但是冷水机组温差小，能耗较低。

预冷系统一般所有进水均要设置过滤器（一般6台：4台水泵，水冷塔进水，冷水机组蒸发侧进水），防止杂质带入系统。预冷系统的效果检测为：下段4米填料段出口气比进水低1℃；上段8米填料段出口气比水高1℃，一般在空冷塔中部设置测温计（伸入内部）。

水泵管路设计要考虑最小汽蚀余量的要求，进水管分开设置，水泵位置尽可能低，使得吸入压力满足水泵要求，尤其泵前过滤器不能堵塞。

对于外压缩膨胀机增压端后冷却器冷却水也由冷水机组提供，无冷水机组来自水冷塔或者采用装置侧抽低温污氮气冷却；而内压缩直接来自循环水系统。

汽轮机一拖二布置一般厂房双层布置，位置较高；空冷塔进气管路不需要上翻几字设置。电机驱动单层布置，位置较低，空气进空冷塔管路需要上翻几字设置。当换热器污氮气管路位置低时，需要防止水冷塔内水位过高倒灌冷箱。