环境因素对空分设备运行影响的分析

王 钊，葛伟伟，刘跃康，周黎跃

(酒泉卫星发射中心，甘肃 酒泉 732750)

1 前 言

KDON-400Y/400Y型空分设备投产运行于某制氧车间，通过一系列的空分设备适应性改造工作，确保了该套设备的安全运行，且生产能力得到稳步提高。但是因环境温度升高而降低设备本身的运行可靠性问题仍需做进一步改进，因此，对该套设备的运行节点以及工艺流程进行了分析，并提出具体可行的方案，确保系统的运行稳定性。

2 空分流程简介

制氧生产使用的是空分设备，其中4台空压机在生产中为用3备1，2台膨胀机用1备1，纯化器1组再生切换使用。生产流程为：1台空压机提供原料气体，通过预冷机机组使原料气体降温，经油水分离器后进入纯化器进行干燥净化，去除水分、二氧化碳和碳氢化合物后的洁净空气进入主换热器，经过热交换温度降至-173℃后进入空分塔进行精馏；冷却原料气体的冷量由制冷循环系统提供，制冷循环系统使用的气体为经过纯化器净化后的洁净空气，由2台空压机循环气体，加压后的洁净空气进入增压机增压后进入膨胀端，压力下降，气体对外做功，温度下降，膨胀后的空气温度在-183℃左右进入主换热器用于冷却原料空气，换热后的气体再由空压机压缩提高压力。在循环过程中，损耗的气体用原料气体进行补充。

3 环境因素分析

通过对空分流程的简要介绍，可以对水、电、环境温度以及湿度、工艺流程因素等方面逐一进行分析。

3.1 环境温度和湿度对系统的影响

空分系统生产使用的原料就是普通的空气，在正常情况下，一方面环境空气温度越高单位气体的含湿量就越高，对空分设备的除湿净化系统而言，负荷也就越大；另一方面空气温度越高，空分制冷系统的工作负荷也就越大，对冷却系统而言，环境温度越高，水温越高，对设备的冷却效果就会越差,相对于整体产量有所不同。冬季、夏季的环境温度和湿度对比情况如表1、表2所示。

表1 夏季温、湿度对比数值Table 1 Comparison value of temperature and humidity in summer

表2 冬季温、湿度对比数值Table 2 Comparison value of temperature and humidity in winter

根据温度与湿度对比数值分析，夏季温度、湿度对比数值与冬季温度、湿度对比数值相差较大，夏季大气中水分子明显比冬季水分子多。因同一体积空气中水分子含量比重较大，致使同一体积空气中相对空分需要的气体含量减少。图1为循环气体压力对比值。

图1 循环气体压力对比值Fig.1 Cyclic gas pressure pair ratio

3.1.1对空压机的影响

环境温度对压缩机的运行温度影响较大，一般情况下，环境温度越高，压缩空气的温度也就越高，压缩空气的热量也就越多。以某次开机原料气压缩机为例，同一台原料气压缩机在吸入压力、排气压力、冷却水压力均相同的情况下，在环境温度较高和较低两个环境下运转的参数对比情况如表3所示。

表3 原料气压缩机不同环境下的运转参数Table 3 Operating parameters of gas compressor in different environments 单位：℃

可见环境温度越高，冷却水的进水温度也就越高，压缩机各温度运行参数也越高。根据操作规定，ZW-48/7-Ⅱ型空气压缩机一级排气温度不超过160℃，然而在夏季高温时段，压缩机在一级排气温度159℃长期运转，导致磨损、泄漏、气阀损坏等故障发生率呈上升趋势。

3.1.2对纯化器的影响

空分设备纯化器是采用分子筛吸附空气中的水分、二氧化碳和碳氢化合物等杂质。对相对湿度、温度(<30℃)越低的气体，分子筛的吸附能力越强。根据ZW-48/7-Ⅱ型空气压缩机换热部件目前的性能状况，在高温季节运行时，原料气空压机二级冷却后温度比较高。经油水分离器吹除掉的水分相对较少，而更多的水分就会随压缩气体进入纯化器。空气在不同温度下的水分饱和含量如表4所示。

表4 空气在不同温度下的饱和水分含量Table 4 Saturated moisture content of air at different temperatures

温度越高，空气含水量就越高，纯化器的运行负荷越大，缩短其再生周期降低了对二氧化碳及碳氢化合物等杂质的吸附效率。

3.2 系统流程中的影响因素分析

空分系统主体由空气压缩系统、空气净化系统、制冷系统、热交换系统和精馏系统组成，从系统启动到正常运行输出产品的过程中，各分系统之间的相互关系对空分系统的运行稳定性产生影响，重点对制冷循环系统进行分析。

3.2.1环境温度对膨胀机运行稳定的影响

3.2.1.1膨胀机机前温度与制冷量的关系

当进、出口压力一定时，机前温度越高，焓降越大，也就是单位制冷量越大。但是提高膨胀机的进口温度，在膨胀机结构、导流器开度一定的情况下，因进膨胀机气体的比容增大，而使流量减少，即膨胀量减少，总的制冷量增加还是减少要通过计算确定。公式(1)～(2)表明：膨胀机的进口温度越是高于设计温度，实际制冷量与设计制冷量的比值越大，也就是总的制冷量增加[1]。

(1)

(2)

这表明膨胀机的高温高焓降作用大于使膨胀量减少的反作用。因此，欲使制冷量增加，在操作中应尽量的发挥膨胀机的高温焓降的作用[2]。但是在启动操作中必须使设备不断降温，膨胀机的进口温度也随之下降，温度无法升高。在实际操作中只能通过调节各道阀门，设法让膨胀机在进口温度较高的情况下运行时间尽可能长一些，即使进口温度下降慢一些，以充分发挥膨胀机高温焓降的作用。

应当注意的是：机前温度提高，膨胀后的温度也会提高，在正常生产时，温度的提高幅度是有限的，在操作时，应在不影响工况的前提下，通过适当提高机前温度来达到增加单位制冷量的目的，要综合考虑主换热器的换热效率和进下塔空气温度，尽可能避免单纯依靠增压机旁通阀来提高机前温度。

3.2.1.2环境湿度导致膨胀机堵塞的因素

冷却原料空气的冷量由制冷循环系统提供，制冷循环系统使用的气体为经过纯化器净化后的洁净空气，由两台空压机作为循环气体空压机，加压后的洁净空气进入增压机增压后，经主换热器预冷温度达-135℃左右，进入膨胀端压力下降，气体对外做功，温度下降，经膨胀后的空气温度在-185℃左右进入主换热器用于冷却原料空气，换热后的气体再由空压机压缩提高压力。在循环过程中，损耗的气体用原料气体进行补充。空分设备制冷工艺流程气路是闭合运行的，首先考虑原料气体固体杂质的影响，压差增大是一个累积的过程，检查更换增压机前及膨胀机前过滤器滤芯，堵塞问题依然发生。堵塞源应为水分和二氧化碳等有害杂质。循环空气主要有3处可能引入水分和二氧化碳等有害杂质的部位：一是循环管路密封不严，大气中的水分进入循环气；二是冷却器微漏；三是分子筛吸附不彻底，造成有害杂质进入主换热器发生堵塞。

3.2.2影响循环空气因素的分析

循环空气气路是闭合运行的，经过启动调整后的循环空气量相对稳定，经两台循环空压机压缩后进入增压机，再经过冷却器冷却后进入膨胀机，空气膨胀对外做功温度下降成为低温气体，在主热交换器热交换后返回空压机完成1次循环。在不考虑原料气体影响的前提下，循环空气主要有3处可能引入水分和二氧化碳等有害杂质的部位，空压机空气过滤器由于循环空气压力调节或其他操作引起的一级吸入压力波动过大可能导致顶盖破裂漏气使未经净化处理的空气带入水分和二氧化碳等杂质，空压机一、二级冷却器和增压机后冷却器属于水冷装置，内部出现裂缝或因锈蚀出现针眼都有可能将水分带入循环空气。引入的水分等杂质冻结在膨胀机前过滤器等较易结霜的部位导致膨胀机不能正常运行。如果进入主热换器，轻则导致换热效果下降、产品产量下降，严重情况下将导致膨胀机无法正常运行、整个精馏系统无法正常运作进而导致产量下降。

4 改进措施

提高膨胀机的机前温度、机前压力和降低机后压力都可以提高膨胀机的单位制冷量，目前在实际操作中使用的2台增压透平膨胀机，应尽可能考虑这3个方面对膨胀机单位制冷量的影响，在保证全系统工况稳定的前提下，使膨胀机能够高效运转，提高整个空分装置的稳定性和生产效率。

1. 系统热负荷的大小对产量有一定的影响，冷却水的水质和环境温度对系统的影响较大，必须严格使用软化水，同时尽可能的提高冷却塔的降温效果，降低冷却水的温度，确保空压机一级吸入环境温度低于15℃。对冷却器芯进行定期检修检测，确保冷却效果。

2. 结合设备使用的实际情况，要充分认识到系统启动加热吹除阶段的关键性作用，切实做到对系统全面有效的加温吹除，尤其是对膨胀机段管路的吹除，利用正反两种吹除方法对重点管路进行吹除。

3. 循环气冷却器后增设露点在线分析采样点，对循环气体露点在线监测；检修检测时应严格按检修检测规范进行，对每个部位检测到位，重点是水冷却器密封性检测。

4. 认识到环境温度对全系统的热负荷影响，膨胀机在发挥了最大制冷功效后，能够提供的冷量一定在纯化器再生周期允许的范围内，尽可能的降低上塔压力，可以保证全系统在相对较低的压力下运行，系统的热负荷降低，冷量的有效利用率提高，与此同时产量也有所提高。

5 结 论

为保证空分设备的稳定运行，对开机生产过程中的季节环境变化、供水供电保障、制冷循环系统的运行情况进行全面分析，发现：一是在保证试验任务完成的前提下尽量避免高温季节生产；二是尽可能的通过对整个系统的调节减少高温环境带来的整套设备负荷的增大；三是环境湿度高时及时排水避免制冷系统堵塞；不同的情况所采取的措施也有较大的差别，但最终的目的是一致的，即尽可能的保证系统的正常运行或最大限度的降低系统非正常运行的时间。