摘要：随着我国工业化进程的不断推进，冶金、石化及新能源等产业对于空分产品的需求越来越多，规模也越来越大。对于这些行业空分产品需要量大的，一般采用投资设置气站或者自建空分来满足，对空分装置现有预冷系统进行改进，增设冷冻机组，并且增加板式换热器进行辅助换热，在氧气产量不变的条件下，既可增加氮气产量，又可降低空冷塔的进水温度，保证空分设备安全稳定运行。
关键词：预冷系统；冷冻机；能量守恒；制冷量
引言
随着国民经济的不断发展，特别是大型冶金、大型石化、大型煤化工等行业的迅猛发展，使得市场对空分装置的需求越来越多，推动了空分技术的发展进步。在技术更新迅速，产品创新日新月异的今天，空分设备的设计也取得了较大进步，国际化程度越来越高。预冷系统作为原料气体进入纯化系统及冷箱内的常温处理工艺，在空分装置系统之中的地位不言而喻。预冷系统的运行性能对整套空分装置的性能影响重大，在设计当中不容忽视。
1预冷系统设备的组成
预冷系统的设备有空气冷却塔、水冷却塔，常温水泵，低温水泵，冷水机组。空气冷却塔的作用为把出空压机排出的高温气体冷却到～12℃，以减小纯化系统的负荷。其结构为立式圆筒型塔，共有两段，上下段均为填料塔，在空冷塔的塔顶设有分配器，出口端设置有不锈钢丝捕雾器。在空分装置工作时出空压机的空气从下部进入空气冷却塔，水自上部进入，通过槽式水分布器均匀地分布到填料上，顺着填料的空隙流下，空气则逆流与水进行热质交换，经过顶端的不锈钢丝网捕雾器出塔，进入后面的分子筛吸附系统。水冷却塔的作用为用空分冷箱排出的污氮气和纯氮气来冷却循环水系统的供水，冷却后的水由水泵送入空冷塔的上段。其结构为散堆填料塔，在水冷却塔的顶设捕雾器和水分布器，填料一般分两层装入塔内，在两段填料的中间设再分配器，保证让水均匀分布，从而可以提高水冷塔的效率。在水冷却塔工作时被冷却的水自上而下流经填料，与空分出来的大约33．6℃的污氮气和纯氮气进行换热，降低水温，在塔底被冷冻水泵抽走，污氮气从水冷却塔的塔顶排出。冷却水泵、冷冻水泵为给水加压的设备，冷水机组为冷却水的装置。
2空分预冷系统工艺流程及氨冷器运行情况
空分预冷系统主要包括水冷塔、空冷塔、氨冷器、冷却水泵、冷冻水泵、阀门、管线及仪电控制系统等。原料空气经自洁式过滤器除去灰尘和机械杂质后，在离心式空压机中被压缩至0.52MPa（温度100℃），之后进入空冷塔进行冷却。空冷塔冷却水有两路：一路是循环水，直接从空冷塔中部进入分布器，与空气进行初步的质热交换；另一路是冷冻水，循环水经过水冷塔与污氮气进行质热交换，吸收饱和污氮气的汽化潜热降温到16～18℃后，再通过冷冻水泵增压后进入氨冷器，经过液氨的蒸发制冷作用使循环水降温至10～11℃，然后进入空冷塔顶部，对空气进行进一步的冷却。空分装置氨冷器运行期间经常出现诸多问题：在控制阀位一定的状态下冷冻水流量从95t/h逐渐降至80t/h，进出氨冷器循环水温差下降，氨冷器及冷冻水泵负荷加重，最终不能正常运行，造成系统停车，停车后拆检氨冷器发现有乳灰白色、类似结晶体的硬垢堵塞换热管。
3工艺流程改造
3.1设备选型
考虑制氧机组的实际运行情况，在空分装置流程参数确定后，有如下几个参数为定值，很少发生变化：以某企业3万m3/h空分为例，氮气进水冷塔的温度TN，1=25℃；冷冻水流量为QW=29.17kg/s（105t/h），进空冷塔的温度为TW，3=10℃；冷冻机蒸发侧进水温度与出水温度标准工况△TE=TE1-TE2=5℃。其他几个参数则会随着气象条件、季节以及用户需求等发生变化，如氮气的流量QN，冷冻水进水冷塔的温度TW，1，出水冷塔的温度TW，2；冷冻机蒸发侧的制冷水流量为QE。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆常规3万m3/h空分机组，除作为产品氮气、分子筛再生用气，尚有约4万m3/h的氮气进入水冷塔，可通过一定技术手段全部变为纯氮，本例中原进入水冷塔的全部为纯氮，氮气的最大可用流量为QN0=11.11m3/s（4万m3/h）；在夏季氮气出水冷塔的温度为TN，2=33℃；冷冻水进水冷塔的温度为TW，1=33℃。在设备选型时，考虑氮气全部作为产品输出，没有氮气进入水冷塔，可得：所需冷冻机制冷量E2≈2800kW，板式换热器的换热量与之相同。制冷水流量QE=483t/h；选择循环水泵时，还需考虑~10%的富余系数，总计约530t/h。循环泵的扬程与管网和设备运行状况相关，此处冷冻机10m，板式换热器6m，管网损失6m，另外考虑10%~15%的富余系数，总计H=24m。根据以上参数，可选出合适的冷冻机组、板式换热器以及循环水泵。根据制氧机组的空气预冷系统运行的经济性、可靠性以及现场的位置，可以选择2台额定制冷量为1400kW的冷冻机，COP为5.1，每台制冷机的额定输入功率为275kW。板式换热器额定换热量为2800kW，2台（一用一备）。制冷水泵选择了3台离心循环水泵（两用一备），单台额定流量265t/h，扬程24m，所配电机功率37kW。膨胀水箱采用不锈钢冲压焊接水箱，有效容积为1m3。改造后2台冷冻机可同时使用，也可单台使用。在正常气体工况下（或冬季运行）只开1台冷冻机，满足制氧机组正常气体工况下的要求；需要提取大量氮气（特别是在夏季）时，2台冷冻机同时开启。在夏季时，提取全部4万m3/h的氮气后，进空冷塔的水温可维持在10℃左右，达到了改造目标。
3.2系统补水移至水冷塔，降低局部离子浓度
将循环水系统补水移至水冷塔处，后通过冷冻水泵打入氨冷器，可起到局部稀释循环水的作用，降低局部离子浓度，缓解低温结垢趋势。此方法在出现类似问题的工厂均有过应用，效果还不错。按照循环水补水量200m3/h、补水钙硬度1.5mmol/L来计算，此部分水流量均小于200m3/h，则可近似认为氨冷器进水钙硬度为1.5mmol/L，如此运行将大大缓解其结垢问题。
3.3新增产品氧气去用户流量控制回路
空分装置的自动变负荷调节的关键是以产品氧气需求量来确定生产负荷的变化量，即产品氧气去用户流量控制。目前先进控制系统处理变负荷过程时，以进塔空气量作为被控变量和负荷变化的目标，由控制器对进塔空气流量、产品氧气采出量和膨胀空气量做出相应调整，最后使装置平稳变负荷。因此建议新增产品氧气去用户流量控制回路，以氧气需求量作为新的被控变量，作为变负荷目标，从而减小产品氧气的放散率。
结语
空分装置预冷系统是空气分离成套装置的重要系统，它的主要作用是将来自空分压缩系统的原料空气进行洗涤并冷却至一定温度，载体为散堆填料，冷流体一般是来自凉水塔的冷却水和来自水冷塔经过污氮冷却的冷冻水。对于空分设备预冷系统的设计，同预冷系统的运行操作直接相关，空冷塔一般采用直接接触式塔降低空气温度，改善纯化系统的工作环境，同时洗涤空气中的机械杂质和酸性气体，目前普遍采用高效低阻散堆填料塔，既保证了塔的换热性能，又减少了阻力，降低了空压机出口压力，从而降低了空分装置的能耗。
参考文献：
[1]毛绍融，朱朔元，周智勇.现代空分设备技术与操作原理[M].浙江：杭州出版社，2005.
[2]唐瑞尹，许子林．自动变负荷在空分系统中的应用［Ｊ］．中国科技信息，２０１７，（１２）：８１～８３，１４.
[3]汪俊，等．浅述空分预冷系统注意事项及问题分析［J］．科技视界，2012（22）：120-122．
[4]吴庆，金晓明．空分装置先进控制解决方案［Ｊ］．通用机械，２００８，（４）：７３～７６．
[5]刘中水，李传明，黄震宇 ． 自动变负荷及优化控制在空分设备中的应用［ Ｊ ］ ． 制冷与空调，２０１３，２７（３）：２６６～２７１．
论文作者:周万杰
论文发表刊物:《基层建设》2018年第35期
论文发表时间:2019/1/7
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