内压缩流程空分设备的能耗影响因素研究

蒋 旭，厉彦忠

（1.中空能源设备有限公司，浙江 杭州 310051；2.西安交通大学能动学院，陕西 西安 710049）

0 引言

随着能源化工产业的发展，当前大型煤化工业、大型化肥、大型钢铁冶炼以及集中园区式供气的项目越来越多，相应的配套空分需求也与日俱增。大型及特大型内压缩流程空分设备已成为主流产品，合理组织空分流程，使之达到最优化，降低了总的投资和消耗[1]。

空分设备的原料是空气，主要消耗的是电耗或者能源，能源消耗一般占到生产成本的80%以上，合理组织并设计空分设备会降低生产成本，从而节约能耗。而空分设备所消耗的能源是由不可逆过程引起的，尽管每一个可逆过程中所消耗的能量方式不同，但是都会产生有效能的损失，因而从设计角度，使得装置在理论上已经处于最优化的状态，有效能得到最大程度的利用，这对于用户来说意义很大。

1 内压缩流程能耗影响因素

在能源转化、转移、传递和使用的过程中，可以有效地利用有效能发挥其功效，可无效地损失，也就是通常所说的有效能损失，有效能的损失是不可逆的。空分设备的有效能输入，主要用空压机电耗、原料空气所带入的有效能、水泵消耗的电能、各种泵所消耗的电耗及电加热器消耗的电能。其损失主要存在于传热过程、压缩或膨胀过程、节流过程、精馏过程中。

内压缩空分流程在外压缩流程能够实现的条件下能耗要往往较外压缩空分流程高（外压缩机器效率低时内压较外压能耗低或者持平）。从设计角度，如果将外压缩空分流程的能耗组成简单分为产品外压缩能耗、膨胀制冷能耗、精馏能耗、液体产品液化能耗四部分，内压缩空分流程若不考虑部分产品外压缩部分，仅仅考虑产品内压缩部分，则其能耗组成也可以分为四部分：产品增压复热能耗、膨胀制冷能耗、精馏能耗、液体产品液化能耗，以下详细分析各因素的影响[2]。

1.1 增压复热能耗

内压缩从本质上说属于间接压缩，复热流体对产品进行热值传递，在一定背压下增加其内能。

复热有普通复热和增压复热两种；普通复热为气换热；增压复热为含有相变的热值高流体复热低产品流体。气体介质的压力越高，复热品质越高，冷却品质越低，增压复热采用热值品质较高的介质复热热值品质较低的介质，即压力等级要求要高一档[3]。

1.2 膨胀制冷能耗

膨胀制冷能耗包括热端冷损能耗和装置冷损及制冷产液能耗三部分。

热端温差越大冷量回收越少，损失就大，导致制冷能耗增大，但是热端温差扩大后，最小温差也被扩大，对换热有利，从而可以减小增压复热流体或者增大膨胀空气的中抽量，实现产液量增大。

制冷产液能耗一般有液体产品的量来定。当液体产品的量大时，所需的制冷产液能耗也大，由于低温膨胀机是在低温段抽出，所以一般强化制冷流路在高温段设置低温冷气机组或者高温膨胀机，将冷量传递给热流体，一方面降低换热器高温段不可逆损失，实现降低能耗；另一方面有外加冷源的低温制冷循环，由于进气温度降低而循环的经济性提高，因为其在较高温度下的制冷量通过低温制冷循不被转移到低温下，而同样数量的冷量在低温下的品质更高，即获得同样多的冷量，温度越低消耗的功越多。

对于内压缩流程而言，一般不考虑膨胀机叶轮增大带来的附加投资，因为增强制冷流路，增大热端温差，对换热有利，一般是节省能耗的，同时中抽温度尽可能低，这样有利于高温段换热，实现节省能耗。

1.3 精馏能耗

精馏效率影响的另一可变因素是进出料抽口及量的设定。产品抽口一般是固定的，可变抽口有污氮气抽口，污液氮抽口及进料口，贫液空抽口及进料口，对于氮气循环（下塔抽氮量大）还需要将液氮与液空混合后进入污液氮与液空进料口之间（进料与组分纯度接近），以使得上塔顶部下流液体均衡，对提氩有利。

带氩装置由于富氧液空与氩气有气液置换（冷凝器相变换热），本质上破坏了上塔精馏（但是氩组分除去后，有利于提高氧组分的纯度，从而量也增加，所以制氩系统对制氧有增效作用），导致液空蒸气进料口以上液气比急剧减小；液氩进料口以下液气比急剧增大。而在精馏过程中液氮洗涤氩气和氧气，液氩洗涤氧气，氩馏分抽口区以上段回流液不足，从而导致氩组分大量放散入污氮当中，从而导致氩提取率大幅下降[4]，如图1所示。

在保证空分设备正常精馏工况的换热温差下，上塔的压力尽可能要低，这样有效能损失最小，同时压力越低，精馏能耗也低。

图1 带氩装置冷凝器相变换热图

1.4 液体产品液化能耗

制冷流路和液化流路，制冷流路同时会机后带液，附带产一股高品质的低压液体产品，这样避免像中高压液体产品节流后出现一定程度的气化那样会有损失，所以一般膨胀机都要求最大程度带液。

2 能耗因素影响分析

以4.8万等级空分设备为例，产品规格如表1所列。所有氧气、氮气、氩气产品执行标准为：氧产品执行JB/T8693-1998，一等品；氮产品执行GB/T8979-1996，一等品；液氩产品执行GB/T10624-1995特等品。

表1 4.8万等级空分设备产品规格

2.1 最佳复热压力区

增压机压力4 MPa以上时，由于压力增大，可能会引起机器跨档（级数增多）而导致投资增加，所以在能耗相差不大的情况下，优先按照机器的合理性及经济性进行选择增压机末级排压；增压机压力在4 MPa以下时，严格按照最佳点选取，如图2所示。

图2 最佳复热压力区

随着压力的增加，能耗先减小后增加，说明存在一个能耗最小的压力点，一般选择一个压力区域进行压力选择，在能耗影响较小的情况下选择较为合适的机组（投资与效率，机器是否跨档，级数增多而导致投资增加等因素）。

流体都在超临界压力以上，增大流量可以复热；临界压力以下有气化段，要求复热流体的气化压力必须高于被复热流体的气化压力。对于超临界状态能耗影响因素不大，而在临界压力以下则影响较大，对于低压内压缩需要单独设置增压机。

2.2 热端温差

热端温差影响装置冷损，但是对低温段的不可逆损失有平衡作用，所以需要合理选取，如表2所列。

表2 热端温差对低温段不可逆损失的平衡

由此可看出随着热端温差的增大，能耗先减小后增加，其中7 K左右出现最小值。同时随着热端温差的增大，冷端温差逐渐减小。

2.3 中抽温度

随着膨胀机中抽温度的降低，膨胀机带机后带液逐渐增多，能耗也降低，当带液体接近10%时，能耗减少非常小。从膨胀机机后不带液体到带10%的液体，能耗相差2%左右，节能显著。当前带大液体量膨胀机国外已有应用，国内一般控制在5%以内。机后带大液体量的中压膨胀机已成影响内压缩流程能耗的一大因素。

2.4 积分温差

不同积分温差如表3所列。

表3 不同积分温差

由此可看出，在满足最小换热温差1 K的前提下，随着换热器积分温差的增大，总能耗在增大，换热器投资在减小。

一般工业应用换热最小温差相变换热要求1 K以上，非相变换热1.5 K以上，以防止出现计算物性误差及金属热阻过大而导致实际所需换热器长度过长而出现换热面积不足现象。

3 结束语

随着当前煤化工的崛起，内压缩空分流程空分装置是当前的主流需求产品，内压缩空分流程较外压缩空分流程形式多变，其换热与制冷较其他流程要复杂的多[5]。而空分装置的流程的组织与选择非常重要，其决定流程能耗及其先进性，最大程度减少不可逆损失，节约能源的消耗，所以研究内压缩流程的综合能耗影响因素，从设计角度，对于装置的运行及节能而言意义重大。

[1]张祉祐.低温技术原理与装置[M].西安：西安交通大学出版社，1985.

[2]蒋旭.化工型空分设备内压缩流程选择[J].深冷技术，2011（7）：10-15.

[3]蒋旭，张淼，白宁莉.冶金型空分设备的流程选择[J].低温与特气，2012（5）：6-10.

[4]黄建斌.工业气体手册[M].北京：化学工业出版社，2003.

[5]蒋旭，丁友胜，厉彦忠，等.钢厂应用空分装置的配套[J].通用机械，2013（11）：40-43.