节能优化在空分装置中循环冷却水系统研究分析

王鑫

摘要：循环水系统是过程工业中重要的公用系统，应用十分广泛，如钢铁、煤炭、冶金、化工、空分等行业。循环水系统的用水量可以占到企业总用水量的85%以上，电能的消耗也可占到企业总用电量的20%～30%，可见其巨大的节水节能潜力。因此，对循环水系统进行优化研究对节约资源很有意义。

关键词：空分装置；循环冷却水系统；节能优化

1 空分装置设备工艺流程及控制系统

金川公司动力厂的空分装置，主要设备包括原料空气过滤、空压机、空气预冷、分子筛纯化、精馏塔、增压机以及增压膨胀机、氮压机、液体贮槽、加压汽化等各个系统。每套空分装置均采用DCS控制系统在中央控制室对空分装置中的全部设备进行集中控制，DCS系统均为横河电机CS3000系统，该系统包括1台工程师(简称EWS)和2台操作站(简称HIS)。工程师站用于系统组态与调试;操作员站作为系统与操作员之间的人机接口，具有监控全装置的功能;控制站具有双重化冗余结构的现场控制单元(简称FCU),I/O模件和通讯模件。DCS系统网络采用了V-net/ethernet双网的控制策略，对于系统控制网V-net采用了冗余控制。

2 控制系统存在的问题

金川公司动力厂4套空分装置自投产以来，由于冶金炉窑系统生产计划安排负荷较满，DCS系统十多年未行进过预防性维护和功能改进，暴露出诸多问题急需解决。主要表现在以下几方面:

(1)横河电机CS3000系统是人机接口基于微软Windows XP平台下的控制系统，微软在2009年已停止Windows XP的主流技术支持，并在2014年4月停止对Windows XP的所有版本的支持与服务，目前市面上已经采购不到全新支持Windows XP的主机，操作站及工程师站任何硬件的故障，都面临无法恢复的风险。

(2) CS3000系统的控制站AFS40D是属于横河电机VNET系列产品，于2020年停止备件供应。

(3)经过多年的运行，测点的增加、通道的损坏等原因导致I/O通道等备件已严重。

(4)原有控制系统组态中，部分控制方案已被更先进科学的控制方案所取代，新的控制程序组态已被新型空分装置广泛使用，能够使空分装置安全性能和能效得到很大提升。

(5)原有的3套空分装置操作站、紧急操作台和振动监测保护系统等设备均集中布置在中央控制室，要将新建30 000 Nm³/h空分装置项目的监控系统布置在原有控制室，空间位置受到了严重制约。

3空分装置工艺路线选择

3.1深冷工艺的不同路线

目前的空分工艺对气体的纯度和用量有很高的要求，一般选择分离纯度较高的低温工艺路线。其分离工作原理是对空气进行压缩、冷却和净化，然后通过热交换继续降低空气温度，使空气液化。由于液氧和液氮的沸点不同，可在蒸馏塔底部进行空气精馏以富集氧气，而氮气作为轻组分富集在蒸馏塔顶部，然后在蒸馏塔的顶部和底部分别得到高纯度的氧和氮。

就工艺而言，低温工艺可分为内压缩工艺和外压缩工艺。外部压缩过程使用空气分离设备生产低压氧气，然后使用氧气压缩机加压并向所需用户提供氧气。内部压缩过程不使用氧气压缩机，液氧将通过冷箱内的液氧泵直接加压，达到所需压力，提供给用户。

3.2空分工艺运行方式比较

（1）主冷凝蒸发器中的碳氢化合物。空分设备长期运行后，由于存在碳氢化合物，设备主冷凝发生器中的液氧将逐渐积聚在主冷凝发生器中。如果碳氢化合物积累过多，将对设备的运行安全构成极大威胁。考虑避免碳氢化合物的过度积累，当采用外压缩路线时，将持续排出1%的液氧，以控制主冷凝液中的碳氢化合物含量；对于采用内部压缩工艺路线的设备，由于氧气产品是通过液氧增压泵的再压力在蒸发器中冷凝液氧获得的，因此碳氢化合物相对较少。因此，内压缩工艺可以减少VOC的排放，提高空分设备的安全性。（2）氧气压缩机的安全性。因为氧气是一种助燃材料，氧气的压力和温度越高，越容易发生爆炸。因此，高温高压下的氧气是非常危险的。采用内压缩工艺时，利用液氧泵为整个设备的运行提供压力，气体长期在低温下运行，安全系数相对高于外压缩工艺。（3）液体产品率。目前空分的生产主要是液体产品，液体产品的能耗也比较高。行业一般以8%为分界点。对于低于8%的情况，采用外部压缩工艺。如果大于8%，则必须使用内部压缩方法。

3.4设备布置

汽轮机表冷器上方必须留有足够的空间，以便将表冷器下方的热井吊入表冷器内。汽轮机驱动的空压机增压厂房布置，可在二层布置排汽安全阀和两级抽、注风装置，既便于操作维护，又美观整洁。压缩机基本表面冷却器附近的基础柱间距应满足表面冷却器循环水管道的空间要求。在压缩机厂房设置维护起重机时，应注意起重机轨顶的高度。其高度主要根据压缩机的尺寸和最大维修零件的尺寸计算，这一点非常重要。在压缩机厂房的安全出入口和楼梯处布置设备时，最重要的是满足相关规范要求。分析室和控制室必须远离振动设备和危险区域，并合理设置位置。压缩机高位油箱的设置应根据该区域的天气情况确定。在寒冷地区，应将其放置在工厂内，主要是为了避免外部结冰。在南方，如果天气温暖，可以将高位油箱放置在工厂外。压缩机厂房在二层布置时，应注意设置检修、吊装孔的区域。在设备布置过程中，为便于后期运行维护，前期应合理规划和布置大型管道阀门组，阀门组不得堵塞设备维护运行通道，以免留下隐患。如果压缩机厂房内的起重机有操作室，在设置起重机维修平台时，应注意起重机维修平台高度的设置，并根据起重机的尺寸参数计算平台高度。必须合理设置净空高度和设备间距，并预留操作平台和通道。

4空气分离装置常用工艺

4.1低温精馏

低温蒸馏利用了氧和氮的不同沸点。因为氧的沸点比氮的沸点高12K，所以氧更容易气化。因此，在低温蒸馏过程中，通过控制温度可以满足蒸馏的需要。采用低温蒸馏工艺时，会发生气液混合和液体冷凝，这将大大增加氮的含量，并导致蒸发和发散的问题。为了避免相关情况，应防止空气分离和隔离。目前，人们普遍采用深度冷冻来隔离空气的沸点。虽然生产时间长，但能满足安全性和纯度的要求。

4.2吸附变压

吸附变压主要是利用分子筛对气体进行筛分，达到气体分离的目的。由于分子筛的特性，它对氧和氮的吸附能力不同，可以满足操作方向性的要求。在使用该技术的过程中，必须保证分子筛的相容性和吸附因子的储备能力。如果吸附因子过多过重，吸附空间将继续饱和，影响原有的吸附效果。例如，在目前的工艺改进中，为了获得更高的氮分子吸附效率，需要在分子筛中加入一定量的碳。采用吸附变压技术具有初始成本低、操作方便等特点。但炼氧时纯度较低，容量较小，难以大规模应用，操作不合理会造成生产过程中的误差。因此，该技术通常用作替代方案。

4.3膜分离

膜分离技术在使用时将使用渗透膜。可根据渗透性物质的特性选择合适的膜，以满足生产需要。在实际生产过程中，该方法速度快，与多种设备兼容性强；然而，由于生产过程中氧气的纯度相对较低，很难将其应用于高纯度的生产，而高纯度通常用于医疗保健产品。

结论

在选择空分装置的工艺路线和设备时，应该综合考虑空分装置在效率、纯度、安全性等不同方面的需求，以及满足经济性的需要，确定最为合理的工艺流程。技术人员应深入对比不同工艺下的运行方式，保证空分生产能配合其他项目的运转需求和调整负荷的要求，达到最好的生产效果。

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