关键词：“12万”等级空分设备；精细化管理；特大型空分；技术水平；战略思想
1 前言
2011年初，杭氧股份有限公司与伊朗卡维集团签订“12万”等级空分设备供货合同；该套空分设备空气处理量达到61万Nm3/h，这是杭氧承接的最大等级空分设备订单，也是当时世界上最大等级空分设备订单，超过了2002年法液空从南非SASOL手中拿到的制氧量为10.4万Nm3/h空分设备和林德安装在墨西哥坎塔雷尔空气处理量为50万Nm3/h的33.5万Nm3/h制氮设备。
杭氧是国内空分行业的龙头企业，是我国大、中型空分设备及液化设备研究开发中心和制造基地，是我国21家重大装备国产化基地之一。目前为止，杭氧共承接了36套“6万”等级及6万”以上等级空分设备，宝钢、日照钢铁、大唐国际、内蒙神华、中煤能源4套等“6万”等级空分设备一次性开车成功，为杭氧在业界树立良好形象，并为杭氧向更大等级空分设备国产化进发打下了坚实的基础。
杭氧在“6万”等级空分设备顺利国产化，对国外空分企业在该等级空分设备形成巨大竞争力后，公司马不停蹄的对“8万”等级、“10万”等级空分设备进行研发，并在管理、设计和制造全方位层面上落实组织分工、提出筹备方案、进行专题讨论、反复修改细化、评审论证后形成项目备案，并取得成果。
2 项目精细化管理和设计精细化
杭氧承接伊朗卡维集团“12万”等级空分设备后，全公司上下高度重视，并下定决心将该项目打造成公司精细化管理的经典样板。
项目精细化管理采用原则是：化繁为简，专注细节；流程管理，控制细节；细节入手，培养习惯。
公司技术中心在贯彻项目精细化管理的同时，对每个相关技术部门在技术设计中也相应要求做到精细化，并制定设计不同阶段的专家评审制度，从而杜绝产品设计中的滴漏和简单粗放判断，做到对产品设计的科学全面有效可控。
3 项目技术内容
3.1 产品主要性能指标
伊朗卡维集团“12万”等级空分设备的主要产品性能指标见表1。
表1 “12万”等级空分设备主要性能指标
3.2 产品构成
该空分设备由空气压缩系统、特大型空气预冷系统、特大型分子筛纯化系统、空气增压系统、增压透平膨胀机制冷系统、特大型精馏塔（换热和精馏）系统、仪控系统、电控系统等系统组成。工艺流程如图1所示。
图1 “12万”等级空分设备工艺流程简图
3.3 技术特点
流程方面；针对用户要求使用了空气增压膨胀、膨胀空气进下塔、氧泵内压缩、全精馏无氢制氩工艺流程。
控制方面：采用先进可靠的DCS控制系统和ITCC控制系统。
设备方面：配套设备尺寸特大，制造工艺要求超高。空分配套特大型单元设备尺寸见表2。
表2“12万”等级空分设备的特大型单元设备尺寸
4 项目实施过程中设计关注点
空分等级的特大型化，不是简单的设备尺寸几何放大，简单的制造装备加大就可以解决。空分等级特大型化会带来一些新的设计考虑要素，这些要素是在大型空分设备中不需要考虑的要素或者说影响很小可忽略的要素；空分等级特大型化也会对以前积累的一些技术经验提出挑战，技术经验都有相应的使用前提条件，适用于大型空分设备，但不一定就完全适用于特大型空分设备。举一个流体流动传热中的例子，加压非等温流动过程中，管道尺寸的增加会引起自然对流，从而使Grashof数
与过程有关。但当管径变得很小时，则需要考虑毛细管效应，因此会要考虑液体的表面张力，这说明放大和缩小都不那么简单。
4.1 空分设备特大型化后必须注意的一些共性问题
4.1.1 受力方面：设备设计关注的重点将不再仅仅是设备强度问题，还必须高度重视设备的刚度问题，设备在制造、运输过程中的筒体横卧刚性不够引起筒体变形，从而对塔内件的安装和保护带来困难，最严重情况是设备运输到现场竖立起来后，变形严重已无法修复，设备只能报废处理。
4.1.2 运输方面：空冷塔、水冷塔、分子筛吸附器、上塔、下塔等设备尺寸超出临安制造基地运输到港口的运输尺寸上限，公司在临平运河边新建了重跨厂房，解决了这些超常规尺寸容器的运输问题。
4.1.3 气体分配方面：过程设备在特大型化后气体的分配必须得到高度重视。举例说明这问题，设计一个直径为1米的填料塔，气体进口管为0.3米。对设备进行简单放大，处理量增加25倍，则塔径变为5米，气体进口管变为1.5米。放大过程中气体进塔的速度不变，在1米直径的塔中气体依靠惯性流到进口管正对的筒壁路程为1米，而在5米直径塔中气体依靠相同的惯性流到进口管正对的筒壁路程需达到5米，显然后者依靠惯性走不了这么远，气体分配效果两者自然就有很大差异。
4.2 空分设备特大型化后个别设备设计的关注点
4.2.1 空冷塔和水冷塔：空冷塔和水冷塔的设计制造要求相当于上塔和下塔要低，放大的技术难度也相应要低一些。设计人员通过选择高处理量散堆填料提高单位塔截面积处理量，并对填料支撑板和填料盖板进行相应处理，但很容易忽略捕雾器。捕雾器可以认为是提高塔处理量的第二大瓶颈，在设计选型中一定要高度关注。补雾器设计选型不好，空冷塔带水将影响分子筛纯化系统的正常工作，水冷塔带水则增加循环水消耗。水冷塔设计时还可以考虑制造成像强制通风型凉水塔一样的钢结构形式或制造成水泥塔体结构形式，水冷塔毕竟不是压力容器，特大型化后运输成本太高，现场拼装或就地制造可能会更合理些。
4.2.2 分子筛吸附器：分子筛吸附器直径增大后，带来了平整度问题，制造过程中支撑隔栅的平整度、现场安装分子筛吸附剂隔栅受力后的平整度和分子筛吸附剂床层铺设的平整度，这些相应牵扯到支撑横梁挠度计算，隔栅安装制造水平度保证，现场分子筛填装监督和检测。另一个带来的问题是气体进口分布装置的设计要求相应提高，原先直径小，气体分布考虑重点只是沿着筒体轴线方向，直径增加，径向分布的均匀性将得到恶化，必须高度关注。
4.2.3 上塔和下塔：上塔和下塔一直是空分设备能否顺利开车的最关键设备，特大型化后必须提高单位塔横截面的处理量从而保证运输要求。设计思路是设计瘦高型塔设备。如采用规整填料塔则选用低比表面积高通量型填料，增加处理量损失部分填料精馏效率，损失的精馏效率通过增加填料高度补充。采用筛板塔则提高塔板开孔率、增加塔板间距和增加塔板数也可起到相同效果。可原本上塔和下塔叠加后高度很高，再经瘦高处理后冷箱高度增加到一个不可接受的程度，这时只能将上塔截断，上塔上段置地再增加液体流程泵，流程计算时相应加入流程泵引入冷损。在进行上述操作时，精馏塔设计人员会把重点集中在精馏传质单元上，如塔板或填料，额外再关注液体分配器和再分配器的选型和设计，但容易遗漏非精馏段空间高度预留，特别是气体出口管的设置要求。单位塔横截面积处理量增加，空塔动能因子提高，气体中雾沫沉降需要空间高度增加，这就必须对气体出口管放置位置和出口管前气体雾沫夹带处理认真考虑，不然容易引起气体排出时夹带大量液体。精馏塔瘦高型设计，不仅是精馏传质段的瘦高型设计，也须考虑其它非精馏段空间高度预留的问题，但设计人员容易怕精馏塔设计太高从而不增加非精馏段高度，甚至去压缩非精馏段高度，设计时一定要引起高度注意。
4.2.4 管道和阀门：管道直径大小、阀门口径大小、管道附件等阻力设置必须重新经过经济性分析优化后定，在大型空分设备中优化后的一些设计参数在特大型化后可能不再是最优设计点，而需重新计算优化，不能简单使用以前默认经验值。
5 杭氧特大型空分设备设计的技术水平
几年来，杭氧对“6万”、“8万”和“10万”等级空分设备的研制，在特大型空分设备技术方面有了很深入理解和雄厚技术积累。
5.1 精馏塔技术
5.1.1 筛板塔理论计算方面：特大型筛板精馏塔塔板上，气、液两相不但不处于相平衡，而且它们也不是完全混合，在采用常规平衡级模型计算时准确性会有一定降低并且会掩盖一些影响精馏效果的因素，公司在计算中通过引入两相流体的流动与混合方程，找到了更好的塔板液体流动操作模式。
5.1.2 筛板塔流体流动方面：特大型筛板精馏塔塔板上液体流过路径长，在相同溢流强度下塔板液面梯度增大，从而使允许溢流强度上限值降低。公司通过在塔板上设置导向板和冲制气体导向孔的研究，在降低液面梯度从而提高溢流强度上限值方面已经取得了很大进展。
5.1.3 规整填料的选型：空分行业规整填料主要供应商国内为天津大学、杭氧，国外为瑞士Sulzer。公司为使填料选型更全面科学有效，打破了固有选型框架，还重点考虑了其它一些国际知名规整填料，如德国Envicon公司Jalousiepacking规整填料、德国Montz公司的BSH规整镇料和瑞士KUHNI公司的Rombopak规整填料等。通过对这些厂家规整填料分离效率、压降、处理量、操作弹性、液体滞留量、液体分布性能、液体分布器布液要求等的全面综合考虑，制定了相应选型指导规范，并找到了适合特大型精馏塔使用的高处理量高效规整填料。
5.1.4 规整填料的液体分布器：高效规整填料必须配上高效可靠的液体分布器才能发挥高效规整填料的作用。公司开发出了适合大直径精馏塔的重力型槽式分布器，该槽式分配器液体分布均匀、操作弹性大、结构紧凑、气体通过阻力小、防气体夹带液体能力强。公司相应建立了测试特大型液体分布器分布效果的测试台位，在测试和制造中相应使用操作简单，测量精度高的液体分布器水平度检测装置。
5.1.5 填料塔气体分布器：填料塔在特大型化发展后，气体进口分布的均匀性问题必须引起高度重视，因为对于大直径、浅床层、低液气比的填料塔、气体分布的均匀程度将是其能否成功应用的重要环节。公司对一系列大直径精馏塔专用气体分配器如双切环流气体分布器、双列叶片式气体分布器等进行资料收集和研究讨论，并对这些气体分布器进行CFD软件流场计算模拟，通过对计算出的气体分配器压降、气速分布不均匀度、以及预分配空间高度要求的比较，成功设计出适合特大型空分设备使用的气体分布器。
5.2 捕雾器技术
杭氧已有针对不同气体处理量和不同捕雾要求的捕雾器选型方案规范。选用的捕雾器可以捕捉1微米以上液滴，5微米以上液滴捕雾效果达到99％以上。在特大型塔设备中，可选用高效捕雾器，高效捕雾器采用了强化液滴聚集向下流动的专利技术，相同捕雾效果下可比普通捕雾器提高通量18％，另外通过和折流板捕雾器的组合方式可比普通捕雾器提高通量43％。
5.3 板式换热器的并联组合技术
板式换热器在空分设备特大型化后并没有单元大型化，而是采用的多个单元并联组合的方式，这给板式进出口管布置提出难题，管道布置不合理将使并联的换热单元间流体分配不均从而引起换热量不均。公司使用AFT arrow流体计算分析软件，对进出口布管进行阻力分析，通过管路阻力设置保证每个换热器进出物流的均匀。计算中攻克的最大难题是对弯头和三通等的阻力设置修正。市场上管道阻力计算软件，对三通和弯头的计算方式和数据，一般都来自HANDBOOK OF HYDRAULIC RESISTANCEHE和CRANE 410M两本书，软件设计时把这些计算方法和数据作为默认值。事实上很多实际情况和默认值的前提条件不符，需要进行修正。
5.4 多相流阻力和稳定性计算技术
多相流的流动阻力计算和多相流流动稳定性分析一直是业界难题。一般工程设计上常采用均相计算法、Dukler法，当然也有很多企业采用自己总结的经验公式，这些计算方法相对都比较粗糙，计算精度低。出于以上原因，公司对这方面高度重视，设计人员进行了相应资料的收集和讨论，已经有了很大技术进展，并在着手编写相应计算软件。
5.5 流程计算技术
杭氧对Honeywell公司的商业流程计算软件Unisim进行了物性库扩容的二次开发，从而更好保证了计算的准确性，相应设计人员还在该软件平台上建立了许多优化模块，保证流程设计的先进性。
5.6 分子筛吸附器设计技术
开发了新型气体进出口分布装置、吸附剂防漏装置、新型高效隔热罩装置、特大型吸附器小绕度支撑梁结构等一系列技术。
5.7 设备强度和刚性计算技术
杭氧利用VB编程语言对ANSYS有限元应力分析软件进行二次开发，开发了大型筒体在制造、运输、起吊过程中的刚性分析计算模块、分子筛吸附器的交变疲劳分析模块、特大直径设备的大开孔强度分析模块等。
5.8 主冷凝蒸发器设计技术
开发并完善了适合于特大型空分设备使用的卧式低液位双层主冷凝蒸发器，使下塔压力得到进一步降低。
5.9 规范化技术
规范化严格来说不是技术，但它是技术得到较好实施的保证。杭氧建立了相应的选型、设计和计算规范，把繁琐复杂的设计工作分割成清晰简单的块，并且对块进行流程化处理，从而保证产品的设计质量。这应该是杭氧最有特色的一个“技术”，也是最重要的“技术”。对特大型空分设备设计的提前规范化才是真正代表了杭氧在特大型空分设备方面的技术水平。
6 杭氧的战略思想和取得的成绩
杭氧在“重两头，扩横向，做精品”的清晰战略思想指导下，坚持走杭氧人自己的，在技术和质量上不断持续地改进，终于收到了良好的效果，2011年上半年硕果累累，承接大型空分设备56套，气体的投资制氧量达到20多万Nm3/h,完成并远远超过了公司全年制定的目标。能达到这样自豪的成绩，说明杭氧的技术水平和产品质量在市场上具有超强竞争力，并为市场和用户所高度认可接受。
7 结论
杭氧已经成功解决特大型空分设备的设计制造技术问题和重大项目管理问题，有能力有信心将 “12万”等级空分设备做好做精做优，同时欢迎大家多提宝贵建议，共同打破国外企业对“6万”等级以上空分设备的垄断，为中国空分制造行业打开新局面。
