60000m 3／h空分设备制氩系统实现稳产高产的操作

６００００ｍ３／ｈ空分设备制氩系统实现稳产高产的操作　潘浩，周伟，李钧　４３００８３）　（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摘要：武钢氧气公司Ｈ台６００００ｍ３／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ｅＬ．ｘ－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：ＴＱ１１６．１４　文献标识码：Ｂ　Ｓｔｅａｄｙ－ａｎｄ－ｈｉｇｈ　ｏｕｔｐｕｔ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａｒｇｏｎ　ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｎ　ａ　６００００　ｍ３／ｈ　ａｉｒ　ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ　ｕｎｉｔ　Ｐａｎ　Ｈａｏ．Ｚｈｏｕ　Ｗｅｉ．Ｌｉ　Ｊｕｎ　ｌ　Ｏｘｙｇｅｎ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｗｕｈａｎ　Ｉｒｏｎ　ａｎｄ　Ｓｔｅｅｌ（Ｇｒｏｕｐ）Ｃｏｒｐ．，Ｂａｉｙｕｓｈａｎ，Ｑｉｎｇｓｈａｎ　Ｄｉｓｔｒｉｃｔ，Ｗｕｈａｎ　４３００８３，Ｈｕｂｅｉ，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ］　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎ　ｕｎｓｔｅａｄｙ　ｓｉｔｕａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａｒｇｏｎ　ｐｒｏｄｕｃｅ　ｏｃｃｕｒｒｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｅａｒｌｉｅｒ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａ　６００００　ｍ３／ｈ　ａｉｒ　ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ　ｕｎｉｔ　ａｔ　Ｏｘｙｇｅｎ　Ｃｏ、，Ｌｔｄ．ｏｆ　Ｗｕｈａｎ　Ｉｒｏｎ　ａｎｄ　Ｓｔｅｅｌ（Ｇｒｏｕｐ）Ｃｏｒｐ．，ｗｈｉｃｈ　ｒｅｓｕｌｔｅｄ　ｉｎ　ａｎ　ａｒｇｏｎ　ｏｕｔｐｕｔ　ｌｏｗｅｒ　ｔｈａｎ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｖａｌｕｅ．Ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ，ｓｕｃｈ　ａｓ　ａｄｊｕｓｔｉｎｇ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ａｎｄ　ｕｓｉｎｇ　ａｒｇｏｎ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｓｅａｌ　ｏｆ　ｌｉｑｕｉｄ　ｐｕｍｐ，ｈａｖｅ　ｂｅｅｎ　ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ．Ａ　ｓｔｅａｄｙ　ａｒｇｏｎ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｗａｓ　ｒｅａｌｉｚｅｄ　ａｆｔｅｒ　ｔｈｅ　ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ａｖｅｒａｇｅ　ａｒｇｏｎ　ｏｕｔｐｕｔ　ｉｎｃｒｅａｓｅｄ　ｕｐ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｖａｌｕｅ．　Ｋｅｙｗｏｒ￣：Ｌａｒｇｅ　ｓｃａｌｅ　ａｉｒ　ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ　ｕｎｉｔ；Ａｒｇｏｎ　ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ；Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ；Ｌｉｑｕｉｄ　ｐｕｍｐ　前言　武钢氧气有限责任公司（以下简称：氧气公　气平均产量也达到了设计产量。　１制氩系统工艺流程　６００００ｍ３／ｈ空分设备是我国目前最大的连续性　司）从林德公司引进的Ｈ台６００００ｍ３／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。６００００ｍ３／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　１８８０ｍ３／ｈ，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　远低于设计产量２１５０ｍ３／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　收稿日期：２００５．１２．２７；修回日期：２００６．０３．２２　作者简介：潘　浩（１９７２一　），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。　・　５　・　维普资讯 http://www.cqvip.com

工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　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。６００００ｍ　／ｈ空分设备制氩系统　后在粗氩Ⅱ塔的顶部得到氧含量＜１×１０　的粗氩；　部分设计参数见表１。　表１　６００００ｍ。／ｈ空分设备制氩系统部分管线流体物性设计参数表　温度　压力　流量　组　分　介　质　／℃　／ｋＰａ　／（ｍ　／ｈ）　０２　Ｎ２　Ａ　粗氩Ｉ塔到粗氩Ⅱ塔馏分气　一１８３．５６　３０　６７６７８　０．１６％　９０．９×ｌ０一　９９．８％　低压塔到粗氩Ｉ塔馏分气　一ｌ８０．５　３０　６４ｌ【）７　９０．２％　９ｏ．７×ｌ０一　９．７％　进粗氩冷凝蒸发器液空（作冷源）　一１８９．５７　４０　７３５７０　３８．５％　６０％　１．４％　进精氩冷凝蒸发器液空（作冷源）　一１８９．４３　０４　３８３５５　３８．５％　６０％　１．４％　精氩塔不凝气体排放　一１８６．４　１０　２ｌ　０．３×１０一　２０％　７９．９％　进精氩塔粗氩　一ｌ８４．１　２０　２ｌ６ｌ　１×１０一　０．２％　９９．７％　精氩冷凝蒸发器内蒸发液空返回低压塔　一１８９　０４　６０４９　．　１６　９％　８２．１％　０．９２％　精氩冷凝蒸发器内液空返回低压塔　一１８９．１　０４　３２３０６　４２．５％　５５．８％　１．５７％　粗氩冷凝蒸发器内蒸发液空返回低压塔　一１８５．８　０４　７２８３４　３８．２％　６０．３％　１．４％　产品液氩　一ｌ８４．８　１０　２ｌ５０　１×１０一　８０×ｌ０—　９９．９９９％　２改进前运行状况　供气保产、一边调试的情况下，外界对调试有很大　６００００ｍ３／ｈ空分设备自２００５年１月投产以来，　制约，加上调试时间短、外方调试人员缺乏对该类　外方专家经过近４个月的调试，虽然能保证氧、氮　流程空分设备的调试经验，大量的串级控制根本未　的正常生产，但是氩气生产工况易波动、稳定性较　投入使用，一些重要的参数偏离设计值，致使空分　差。　设备无法稳产、高产。　（１）正常运行时，精氩冷凝蒸发器中的液空液　针对生产中出现的异常现象，通过一段时间的　位突然会发生大幅度波动，当液空液位高于１１５％　摸索总结，认为造成制氩系统工况易波动、稳定性　时，低压塔中部氧纯度在几分钟之内从５０％骤降　较差的主要有３个原因。　至２０％左右，低压塔工况被破坏，氩气生产被迫　３．１　精氩塔的设计对操作的要求非常高　中断。　根据林德公司的设计，６００００ｒｎ３／ｈ空分设备精　（２）正常运行时，精氩塔压力突然在２～１８ｋＰａ　氩塔采用压力塔底部的富氧液空作为冷源，而没有　之间大幅度波动，不凝气体（氮气）放空量在３～　采用纯液氮作冷源。这股液空管线直径为　２５ｍ　／ｈ之间大幅度波动，精氩塔工况被破坏，氩　２５０ｍｍ，流量为３８３５５ｍ　／ｈ，进精氩塔的粗氩流　气生产被迫中断。　量为２１６１ｍ　／ｈ。如果６００００ｍ　／ｈ空分设备的精氩塔　（３）正常运行时，精氩塔突然形成塔内负压，　工况发生波动，将造成精氩冷凝蒸发器中的液空液　不但使工况破坏，还将外界空气倒吸进塔内，使产　位发生大幅度波动。林德专家将精氩冷凝蒸发器的　品液氩中氧含量、氮含量瞬间上升，氩气生产被迫　液空液位设为１０５％，当液空液位高于１１５％时，　中断。　氩馏分氮含量提高，严重情况下导致低压塔精馏工　（４）正常运行时，氩馏分量快速下降为　况被完全破坏。其现象是低压塔中部氧纯度ＡＩ４１１０　５５０００ｍ　／ｈ左右，粗氩Ⅱ塔压力升高到２５ｋＰａ以上。　在几分钟之内从５０％骤降至２０％左右，粗氩冷凝　大量的氮气进入粗氩塔，氩气生产被迫中断。　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．　３原因分析　因为一旦精氩塔工况发生小小的波动，将直接作用　因为６００００ｍ３／ｈ空分设备１月投产后，在一边　于低压塔，并且这种作用往往是立竿见影并且是致　・　６　・　维普资讯 http://www.cqvip.com

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。　３．２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ＰＩＣ４１２３．２。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，　之后塔内压力逐渐升高，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。　３．３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　外的氮气带人粗氩塔。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３７．７％，　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　４．１　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。　４．２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　ＰＩＣ４１２３．２调节精氩塔压力，没有将压力高值调节　器ＰＩＣＡ１２３．１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１ｌｋＰａ，同时用压力高、低值调节器ＰＩＣ４１２３．１　和ＰＩＣ４１２３．２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。　４．３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６ｌＴｌ３／ｈ，氩气量损失较小，工　况也非常稳定。　４．４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６２０００ｍ　／ｈ提高到６７０００ｍ　／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２１５０ｍ　／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　・　维普资讯 http://www.cqvip.com

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　瑚ｌ耄　啪　姗　咖　ｌ薹　孚　舢！　　帅性能考核时实际参数　啪　改进后的实际参数　低压塔中部温度／￣Ｃ　一１８６　—１８４．６　—１８６．２　低压塔中部氧含量　３７．７％０，　４８％０，　３７％０，　精氩冷凝蒸发器液空液位　１００％　１０５％　８Ｏ％　氩馏分量／（ｍ３／ｈ）　６７６７８　６２Ｏｏｏ　６７Ｏｏｏ　精氩冷凝蒸发器液空蒸发压力／ｋＰａ　４２　４０　６０　精氩塔压力／ｋＰａ　ｌ１　５　１１　氢气平均产量／（ｍ３／ｈ）　２１５０　１８８０　２１５０　结束语　、、　通过技术改进和优化操作，使６００００ｍ　／ｈ空分　咖　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　／ｈ空　４　５　６　７　８　９　ｌ０　月份　分设备的投产运行提供了丰富的技术数据和实践　图１　２００５年４—１０月氩气平均产量　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５Ｏ周年纪念大会暨　现状与发展”及“Ｓｅａｒｃｈｉｎｇ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｎｅｗ　ｈｏｒｉｚｏｎ　ｉｎ　ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ＆　高端学术论坛于２００６年４月７日在西安交通大学科学馆隆　ｃｒｙｏｇｅｎｉｃｓ　ｉｎ　２１　ｃｅｎｔｕｒｙ”等学术报告。会后，代表们参观了　重召开。　西安交通大学制冷与低温实验室、压缩机国家工程研究中　大会由西安交通大学能源与动力工程学院党委书记李　心及热流中心实验室，并就“制冷与低温学科发展”进行　连生教授主持，西安交通大学副校长蒋庄德教授出席并致　了座谈。　欢迎词，中国科学院院士陈学俊教授为纪念大会致辞。应　西安交通大学制冷与低温专业成立于１９５６年，是我国　邀参加大会的有中国科学院周远院士、中国科学院院士陶　最早设置的制冷低温专业。在多年的低温技术研究中，先　文铨教授、中国制冷学会潘秋生先生以及众多杰出校友。　后获得国家自然科学奖两项，国家科技发明二等奖３项，　西安交通大学厉彦忠教授对制冷低温学科及专业历史、　国家科技进步奖６项，５Ｏ年来已为国家培养了制冷与低温　现状进行了介绍，并对学科的发展进行了展望。周远院士、　工程专业技术人才两千多名。此次大会的成功召开，展示　合肥通用机械研究院院长樊高定教授、中国制冷空调工业　了西安交通大学制冷与低温学科的科研水平及实力，将对　协会秘书长杨炎如研究员及日本京都大学河合武（Ｋａｗａｉ）　我国制冷与低温学科的发展起到积极的促进作用。　教授等分别做了“制冷及低温技术在能源领域中的应用及　本　刊　展望”、“制冷空调节能与能效标识”、“中国制冷空调行业　・　８　・