变负荷对制氩系统工况的影响

姜莉

(河南煤业化工集团中原大化公司，河南濮阳457000)

变负荷对制氩系统工况的影响

姜莉

(河南煤业化工集团中原大化公司，河南濮阳457000)

阐述了提高氩提取率的正确操作方法，在理论上讲述了氩系工况操作时氮塞发生的原因，调整手段及预防措施。

氮塞;氩馏分;粗氩塔;变工况

中原大化公司空分装置于2007年12月1日建成投产，并一次试车成功，整套空分装置采用全低压分子筛纯化、膨胀机带增压机制冷，是无氢精馏制氩流程，设计含氧99.74%产品52 000 Nm3/h，含氮99.96%产品60 600 Nm3/h，含氩99.999%产品1600 Nm3/h，所以在空分装置变负荷操作是一项比较复杂的工况调节，操作不当，极易造成产品纯度、供气压力波动，尤其对带制氩系统的空分设备而言，稍有不慎，就会引起制氩系统工况波动，轻者减产，严重时还会发生氮塞。本文就对部分变负荷调整对制氩系统的影响进行解析。

1 变负荷操作及其对制氩系统的影响

1.1 变负荷操作

空分设备的变负荷操作，主要指加工空气量的变化，包括加负荷操作和减负荷操作两个主要方面。无论向哪个方向调整，在具体实施过程中，都应该缓慢进行，稳中求变，尤其对于现场供气装置，不可操之过急，否则会使工况发生波动，影响产品质量和供气压力。

调整过程中为保持系统工况的相对稳定，负荷的调整是通过若干次加、减量来完成的。究竟每次加减量以多少为宜，要根据装置不同，灵活掌握。一般每次加减量控制在设备加工空气量的0.5%～1%范围内，以主塔物料纯度不发生较大波动为原则。另外，还要注意加量的时间间隔，例如:每5 min加一次。但必须满足在下一次加量前，空分设备已充分消化了上一次加量，从空压机、增压机、膨胀机、主塔液体节流阀、制氩系统到气液态产品取出、输出值已经达到设定值要求，且气氧、液氮、压力氮、低压氮、氩馏分和精氩等主要指标不产生较大波动。

为确保产品纯度不产生较大波动，加量时一般采取从空压机到制氩系统由前向后的顺序，减量时则相反。在调整过程中，可以充分利用DCS系统提供的产品纯度分析趋势记录。由于纯度检测本身滞后比较严重，操作员可以根据变化的趋势，对操作幅度做相应的调整。理想的加、减量操作，各流量趋势图是一条平滑的上升和下降的直线。

1.2 变负荷操作对制氩系统的影响

在变负荷操作过程中，上塔液氮、液空回流量，气氧取出量、气氮取出量和氩馏分抽取量都会发生变化，对制氩系统的影响十分明显。众所周知，氩在上塔分布是有规律的。在上塔提馏段(液空进料口以下)形成一个富氩区，最高氩含量可达到15%。但由于此处氮含量较高，一般将氩馏分抽口设在富氩区偏下一点。在氩馏分氧、氮、氩三元混合物中，设计值一般为:氧90%～91%、氩9%～10%、氮小于0.02%。但是富氩区在上塔的位置不是固定的，当进行变负荷调整时，富氩区在上塔是不断变化的，当进行变负荷操作时，富氩区在上塔是不断变化的，而氩馏分抽口位置是固定不变的，因此，氩馏分抽口的物料组分也在不断发生变化。

以加负荷操作为例，随着进塔空气流量的增加，进入压力塔(下塔)顶部的冷凝蒸发器的氮气流量和压力都会增加，冷凝蒸发器热负荷增大，冷凝液氮量增加;同时，冷凝蒸发器氧侧液氧蒸发量增大，气氧推动富氩区上移，氩馏分抽口处回流比变小，氩馏分氧含量增加，氩含量降低。为维持氩馏分抽口氧含量不变，一种方法是将下塔冷凝的液氮导入上塔，增加回流液氮量，以维持氩馏分抽口回流比不变。这种调节方法会导致液氧、液氮生产比例发生改变，将产生更多的液氧产品。另外一种方法是增加上塔底部气氧取出量，控制富氩区不上移。当然，增加的产品氧量和进塔的空气量应该匹配，否则，富氩区位置将会发生变化。

在对主塔进行负荷调整时，难免会对液空纯度产生影响，由于有一部分液空(约1/2)被引到粗氩冷凝器，液空纯度直接影响粗氩冷凝器的热负荷。当液空氧含量增加时，其饱和温度升高，缩小了粗氩冷凝器的换热温差，热负荷缩小，从而导致粗氩氧含量升高，粗氩取出量减少，降低氩的提取量和纯度。

2 变比例操作及其对制氩系统的影响

空分设备的变比例调整，要严格遵守物料平衡原则和能量守恒定律。在膨胀机的效率和膨胀空气量一定的情况下，制冷量(焓降)基本确定下来，设备所能产生的液体总量是一定的。根据物料平衡的原则，所能产生的产品氧是不变的。通过对上塔回流的液氮量和上升的氧气量进行同步的增加和减少，完成液氧和液氮产品的相互转移。以氩馏分氧含量为基准，回流比是不变的，只是回流液氮和上升气氧之间量的变化。当向氧工况转移时，减少产品氧取出量，增加上塔液氮回流量，进入上塔的液氮将上升的气氧冷凝成液氧，液氧回流至低压塔(上塔)底部，作为液氧产品引出;同时，液氮被汽化成气态，以气态氮产品引出塔外，完成冷量的转移。向氮工况转移时与上述步骤相反。

一般称主要生产液氧的工况为液氧工况，主要生产液氮的工况为液氮工况。在液氧工况时，上塔回流的液氮充分，冷量充分，氩馏分在同等氧含量的情况下，氩含量升高，氮含量减少。因此，在液氧工况时，氩的提取率最高。在液氮工况时，由于上塔顶部回流的液氮量较少，上塔精馏段气氧、气氩冷凝不充分，部分氧、氩从污氮通道流失。在液氮工况时，污氮中氧含量可以控制在0.3%～3%之间;而液氧工况时，污氮中氧含量要在3%～6%之间，由于氧、氮的沸点比较接近，液氮工况的污氮中流失的氩更多一些。

氩馏分作为氧、氮、氩三元混合物，在相同的氧含量的情况下，液氧工况时氩馏分中氩含量高，氮含量低;液氮工况时氩馏分中氩含量低，氮含量高。因此，在实际操作中，液氧工况时则要控制高一些，以避免过多的氮进入精氩塔，引起粗氩塔工况波动，甚至发生氮塞。在由液氧工况向液氮工况转移时，制氩系统则要适当减量操作。

3 变工况时氩塔负荷的确定

对于变工况液体空分流程，设计时已给出几种典型的工况操作参数，但不是从最小空气负荷到最大空气负荷的所有操作参数都已给出。在实际操作中通过标准工况的工艺参数，可以估算出非标准工况氩塔操作负荷的运行参数，避免盲目操作。某套空分设备的设计参数:进塔空气量为75 000 m3/h，氩馏分取出量15 800 m3/h，粗氩量560 m3/h，用等比例法可求得当加工空气量为279 000 m3/h时，氩馏分取出量参考值为58 776 m3/h，粗氩量为1 620 m3/h。为实际操作提供可靠参考依据，一般控制氩馏分量为粗氩量的27～29倍。当然，在实际操作中还要根据实际情况有针对性的进行调整。

粗氩塔热负荷，通过粗氩冷凝器液空蒸发量的多少来控制粗氩塔的氩馏分流量。如果粗氩冷凝器热负荷不足，进粗氩塔氩馏分量少，氩产量和氩提取率都会降低。而粗氩塔热负荷过大，进入粗氩塔的氩馏分量增加，导致富氩区上升气量不足，富氩区下移，氩馏分回流比增大，氩馏分中氮含量增加。当氩馏分中氮含量大于0.5%以上，就会对氩塔产生影响，超过精氩塔的排氮能力，就会出现不同程度的氮塞现象。

4 变工况时氮塞的预防和处理

氮塞的发生，除去设计制造缺陷外，多数是由操作不当引起的。一方面是由于主塔氩馏分控制失常;另一方面是由于粗氩塔冷凝器热负荷过大。一般的空分流程对氩馏分的检测都设有氩馏分氧含量在线分析。氧含量一般控制在88%～92%之间。当发生偏差时，通常改变气氧取出量和上塔液氮回流量来调整。而对氩馏分中的氮组分做在线分析的流程并不多见。氩馏分的三元组分，氩馏分中氧含量符合工艺指标，并不能代表氮含量不超标。在实际操作中，有时会发生在氧含量不低的情况下却发生了不同程度的氮塞现象。另外，氩馏分中氧含量的真实情况，为时已晚。因此，同时检测氩馏分中的氮组分非常重要。

有的空分流程没有直接检测氮含量，而设置了一个氩馏分温度检测仪。相比于纯度监测仪。相比于纯度监测，温度监测反应更加及时、直观。在上塔压力控制在45 kPa的情况下，氩馏分温度控制在88.65 K左右，如果氩馏分取出量过大，氮含量升高，氩馏分温度会下降。当氩馏分温度降至87.15 K以下，并且长时间运行，就有氮塞发生的可能，如果调整及时，能避免氮塞的发生。

氮塞一旦发生，应根据氩塔工况波动的程度，适度打开粗氩管线上的排放阀，使聚集在粗氩冷凝器冷凝侧的氮气随粗氩排出塔外;还应加大精氩塔中氮气的排放。调整主塔氩馏分，使其各项工作指标恢复正常。如果发生极严重的氮塞现象，必要时关闭精氩塔，粗氩直接排放。待氩馏分恢复正常，再运行精氩塔。

总之，空分装置对于系统负荷的调整一定要缓慢，太开快了很可能影响产品氧、氮、氩的纯度，氩系统则可能出现严重氮塞而逼迫甩氩系统，我们在操作时要谨记。

TQ051.8，TQ028.2

B

1003－3467(2012)17－0055－02

2012－07－02

姜莉(1982－)，女，本科，助理工程师，从事空分工段主控主操，电话:15083247218。