点击下载——KDON-21000-22000空分装置氩系统优化操作.doc

KDON-21000/22000空分装置氩系统优化操作

魏传波，田现德，李刚，沈荣，王军，康与峰

(莱钢集团莱芜天元气体公司，山东 莱芜 271126)

摘 要：通过对KDON-21000/22000型制氧机运行状况进行研究和分析，找出了液氩产量偏低的原因和分析。通过针对性地调整措施实施，使空分氩系统运行参数更加合理，工况的稳定性大大提高，在氧气产量保持相对稳定的前提下，氩气产量提高，进一步提高氩的生产潜力，使得制氧机组运行的经济性显著提高。

关 键 词：空分装置；液氩产量；优化操作；降本增效

1 引言

莱钢集团天元气体公司的4台KDON-21000/22000型空分装置均由杭州制氧机股份有限公司设计制造，是生产氧、氮、氩气体，及其液体产品的大型制氧机组。配套空压机、氮压机由德国AtlasCopco(阿特拉斯)公司引进，中压氧压机由杭氧提供。机组采用分子筛常温吸附、增压透平膨胀、全精馏制氩的外压缩工艺流程。主要工艺技术指标见表1。

2 存在的问题

莱钢天元气体公司KDON-21000/22000空分装置在运行中因主塔工况波动及工况变负荷的操作、氧气管网压力不恒定造成氧产量波动、变负荷调整不完善、空分系统临时停车再投运及设备设计等方面影响，在加工空气量最大，工况稳定时的平均氩产量为647m³/h(表2),空分装置氩的产量设计值是750m³/h，实际生产氩产量是设计产量86%。距氩的设计目标有很大差距。氩生产量不能得到有效的提升，制约着液体产品销售收入，影响了公司的经济效益。

3 制约因素分析

3.1 主塔工况波动及变化的影响

主塔各组分的合理分布和工况的稳定是关键。

下塔是上塔精馏的基础，液氮节流阀的开度大小，直接影响液空中的组分含量，以及液氮的纯度，关系到上塔各段回流比的分配，进而影响制氩系统工况稳定性。

在一般情况下，大型空分装置的膨胀空气量不应大于加工空气量的12%～15%，而该制氧机组的设计膨胀空气量为18700m³/h，远大于其满足正常冷量消耗所需的流量，在实际操作中为14000m³/h左右。由于制冷量较大，使得上塔的回流比偏大，为保证氧气的纯度，就要适当减少其产量，从而使氩馏分处于较低的水平(5%～8%Ar)。为得到较高的液氩产量，氩馏分的流量需增大，由24000m³/h增至27000m³/h以上，进入粗氩冷凝器的液空量及其蒸发量均增大，使得以上塔提馏段氩馏分抽口为分界面，其上部的回流比减少，而下部的回流比增大。在此状态下运行，工况出现波动的几率较大。

3.2 氧气管网压力波动的影响

由于受外界供求关系不均衡的制约，氧气管网压力波动(1.2MPa～2.1MPa)较大，使得氧气产量也随之波动，有时要进行阶段性的增减氧产量调整，这样势必造成氩馏分中含氧量的变化，造成氩系统工况的波动，使得氩产量减少。

3.3 变负荷调整不完善的影响

下塔是筛板塔上塔采用规整填料塔，筛板塔负荷最佳调节范围是70%～110%，负荷再低就可能因蒸汽流过筛孔过慢而出现漏液。虽然规整填料上塔的负荷调节范围是50%～110%，但要受下塔精馏工况的限制。在变负荷过程中制氩系统的调节尤为重要，变工况调整过程中，如没有及时调整主换热器冷热气体比例，使得热端温差扩大，冷损增加，此时易发生氮塞。制氩系统能提取氩产品数量主要取决于加工空气中的氩含量。在变负荷过程中制氩系统的调节，直接影响到整套空分系统稳定工况的重新建立。

氩馏分中含氩量一般应控制在7%～12%Ar，在实际运行中，将氩馏分控制在该区域内极易波动，粗氩冷凝器时常出现“氮塞”，严重影响氩系统运行，进而波及主塔工况。为保持工况稳定，适当降低氩馏分含量，使富氩区上移，氩产量有所减少。氩馏分中含氩量的高、低，直接影响着液氩产量。氩馏分中含氩量过少，则无法提供足够的原料，液氩的产量就不可能增大，并使污氮和粗氩含氧均增加，进而影响氧气产量，还可能影响到主塔工况的稳定。

氩馏分流量的增大，虽然可以提高氩的产量，但是改变了上塔提馏段的回流比，同时增加了粗氩冷凝器的负荷，使其发生“氮塞”的几率大大增加，对整个空分系统工况的稳定造成威胁。

3.4 空分氩系统冷开车再投运时间的影响

在空分冷开车恢复氩塔精馏工况时，将集聚到粗氩塔釜中液体过早送往空分上塔，影响主塔氧浓度的分布，延长氩正常精馏工况的建立时间。主塔正常氧浓度梯度尚未建立时，过早投入粗氩塔，此时氩馏分氮含量高，粗氩塔冷凝器换热工况无法建立，且过多的氮进入粗氩塔，会影响粗氩塔的氩浓度分布，延长粗氩塔中正常氩浓度梯度建立时间，使得空分系统停车氩系统恢复时间过长，短期停车后氩系统恢复需32h，产品产量和纯度受到很大影响。

3.5 循环氩泵回流管路设计缺陷

制氧机氩系统配套两台循环液氩泵，一用一备，工艺流程为两台液氩泵共用一条回流管，连接在泵的出口总管上，由一只气动薄膜调节阀控制，将液氩泵出口的液体回流到粗氩塔Ⅱ内，如图1所示。

图1改造前的循环液氩泵回流管路当需要倒用备用泵时，在启动前要用低温液体先对其进行预冷，直到泵出口排放阀连续排出液体，预冷才能结束。这期间需要消耗大量液体，而且用来冷泵的液体经过泵体后由吹除阀直接对外排放，造成大量低温液体损失，同时低温液体的排放，增加了不安全因素。备用泵预冷完成启动后，与另一台泵并联使用的短时间内，两泵相互影响，吸入量发生变化，容易造成1台泵气蚀或2台泵都气蚀，使制氩系统工况波动或紊乱，而被迫中断液氩的生产。

4 技术提升方案及对策实施主塔

4.1 降低工况波动及变化的影响

(1)在确保液氮和产品氮气纯度的条件下，调整下塔的回流比，尽可能开大液氮节流阀，开度由60.7%，增至63.6%。下塔液空纯度一般控制在36%～38%O₂。

(2)减少装置的跑冷损失、复热不足损失的前提下，尽可能减少膨胀空气量。将膨胀空气量由14000m³/h逐步减少至10500m3/h，同时将膨胀空气进上塔的流量保持在9000m³/h以上。

(3)调节液氮去上塔的回流量，使污氮气中的氧浓度降至最小。保持上塔主冷蒸发侧的氧浓度不变，合理设定回上塔的液空蒸汽流量及粗氩抽取量，以确定粗氩塔中适宜的回流比。因为氧浓度增加将导致氩馏分中氧浓度增加，影响氩提取率；氧浓度减少将导致氩馏分中氮含量增高，使粗氩塔顶部氮含量增大，冷凝器换热工况变差，回流液减少，精馏工况变差。

(4)合理选择液空液位，通过适当降低液空纯度、合理选择粗氩冷凝器液空恒流量，以调节冷凝器蒸发侧液空氧含量来增大传热温差。

4.2 消除氧产量波动的影响

根据氧气管网压力的情况，适时增、减氧气产量，并对空分系统进行相应的调整，与此同时也对空压机的加工空气量进行增或减的调整。外界用氧量减少，在稳定工况的基础上，减少加工空气量，降低空压机负荷，节省电耗。及时调整主换热器冷热气体比例，控制热端温差扩大，冷损增加。增加膨胀机膨胀空气量，转化部分气体为液体产品。通过超前预测热线生产的用氧变化，合理调配制氧机组的运行方式，尽可能减少制氧机组反复调整产量。

4.3 减少变负荷对氩生产的影响

为保证氩系统稳定生产，主塔的变工况调整将受到制约。因为一旦主塔工况波动较大，氩馏分组分含量将随之改变，粗氩塔中精馏工况将受影响。在变负荷中，应适当提高氩馏分氧含量，并合理设置负荷变化梯度，待变负荷结束后，再将氩馏分含量恢复为正常值。

(1)在确保液氮和产品氮气纯度的条件下，调整下塔的回流比，尽可能开大液氮节流阀，开度由60.7%，增至63.6%。下塔液空纯度一般控制在38%～40%O₂。

(2)在液体产量和主冷液面的稳定的基础上，尽量减少膨胀空气量，将膨胀空气量由14000m³/h逐步减少至10500m³/h。同时将膨胀空气进上塔的流量保持在9000m³/h以上。

(3)严格控制主冷液氧中碳氢化合物，特别是乙炔的含量，在确保不影响主冷工况及安全的前提下，适当降低主冷液氧液面。在增加负荷过程中，提高主冷液氧液位可以减少主冷液氧的蒸发量，很好地控制氩馏分氩含量，在减负荷过程中，可以适当降低主冷液氧液位以增加主冷液氧的蒸发量，将氩镏分氩含量控制在正常操作范围内。

(4)适当增加氧产品产量，提高氩馏分中的含氩量至8%以上，并使其稳定在较高的水平上。适当控制进入粗氩冷凝器的液空量，将工艺氩的流量减少至24000m³/h左右，使粗氩冷凝器的换热趋于稳定，杜绝了“氮塞”的发生。

4.4 缩短空分氩系统冷开车时间

(1)把粗氩塔和主塔作为整体投运，稳中求快。

提前启动氩泵打循环，确保氩泵正常工作。将粗氩塔液体根据塔中换热工况、精馏工况的变化逐步增加送往上塔的液体回流量，避免空分主冷氧产品浓度被破坏。

(2)防止将大量粗氩塔Ⅱ塔内液体转移到主塔。

粗氩塔启动过程中可将氩馏分氧含量调至高于正常工况下氩馏分的氧含量，以尽快建立冷凝器换热工况。在粗氩塔投入过程中需要监控冷凝器及粗氩塔液位的平稳变化、粗氩塔中阻力变化，并要确保主塔各塔段回流比不发生较大的波动，确保氩塔投放过程中主塔工况的稳定。

(3)粗氩气排放量应根据氩馏分及粗氩中氩含量做相应调整。粗氩排气阀的开度应根据氩馏分及一级粗氩塔顶或粗氩塔中部的氧含量做相应调整，在不出现“氮塞”情况影响冷凝器正常工作的前提下应尽量关小，以加速粗氩塔中氩浓度的分布过程。当粗氩塔氧一氩分离快接近正常时，再次开大排放阀，并使粗氩排放量增至正常值。

(4)当粗氩塔建立正常精馏工况后，将氩馏分组分含量调整至正常值，粗氩气纯度到10×10^-6以下投精氩塔。

通过实施，将空分氩系统冷开车时间缩短为26h。

4.5 循环氩泵回流管路设计缺陷

改造利用制氧机冷箱内大修的机会，对液氩泵回流管道进行了改造。把原来在两台液氩泵出口总管上连接的回流管取消，将其进口端接到一台液氩泵出口管的出口阀前，利用原有的回流薄膜调节阀进行控制；新增加一条回流管道，其进口端接到另一台液氩泵的出口阀前，安装一只同型号的薄膜调节阀，实现了一台泵对应一条回流管和一只薄膜调节阀，其流程简图如图2所示。

经过改造后，要倒换备用泵，在泵预冷时，打开该泵回流薄膜调节阀，关闭泵出口阀，稍开泵吸入阀，进入泵内的液体与泵及管路换热汽化，由回流管返回抽口塔内，并持续循环，直到泵得到彻底冷却，达到了不外排液体预冷泵的目的。备用泵预冷启动过程液体单独回流，对另一台工作的泵进出口液体量影响较小，基本不会造成工作泵不打液，减少了对制氩系统工况的影响。

5 效果验证

通过前面的分析和调整措施的实施，KDON-21000/22000型制氧机氩产量得到了提高，年平均氩产量为712m³/h(表3)，实际生产氩产量达到设计产量95%。氩产量同上年相比平均增加了65m³/h(图3)。制氧机精馏系统分离效果更趋经济、完善，降低了能耗，提升了氩产品的产量。

6 结束语

针对空分装置氩系统优化操作过程中，根据各KDON21000/22000型空分装置的实际运行工况，以及不同的运行参数，通过氩系统循环氩泵回流管路改造、完善主塔工况及变负荷工况调整、适时增、减氧气产量和加工空气量，缩短氩系统投运时间等一系列优化措施后，实现了KDON21000/22000型制氧机氩产品产量的提高，为市场销售提供了优质、充足的液体产品，创造了可观的经济效益和社会效益。