22000m3／h空分装置安全排液加温及节能分析

苏礼勇，周 程

（靖远煤业集团刘化化工有限公司，甘肃白银 730900）

0 引 言

我国是能源消费大国，能源消费约占全球能源消费总量的23%，但能源利用效率却仅约33%，比发达国家低约10%，差距明显。国家在“十三五”提出“创新、协调、绿色、开放、共享”的发展理念，以开源、节流、减排为重点，将着力提高能源使用效率列为国家能源发展战略。石化产业所涉及的工业气体主要有压缩空气、氧气、氮气、氩气等，而空分装置是产业链中最大的耗能者，在我国，合成气的生产成本中制氧（氧气）成本占比达30%以上，高出发达国家约30%，我国工业气体领域的节能还有较大的提升空间。

近几年来，靖远煤业甘肃刘化（集团）有限责任公司（简称甘肃刘化）对其园区空分装置从技术优化改造和加强基础管理两个方面开展降本工作。

（1）大力推行操作技术创新和“小改小革”合理化建议活动，研究开发了系列节能新措施，主要成果有22000m3／h空分装置启动操作全过程优化、氩精馏系统临时停车后冷态投氩8h内产品合格的操作实践（冷态投氩指氩精馏系统临时停车后进行冷冻操作、积液调纯、产品合格的历程，用时一般在36h；通过技术探索、优化工艺操作步骤，抓住投氩操作的几个关键点，8h内就能顺利产出产品）、氩产量达标达产工况考核、增压机级间气体冷却器在线酸洗及上水／回水管线改造、水冷塔进水系统优化改造、分子筛纯化器配套蒸汽加热器泄漏分析及处理、200m3液氩贮槽防污染措施落实等。

（2）在基础管理中创新管理思维，全面落实岗位责任制，对关键设备、岗位实行工作票制度，深入推进质量标准化、精细化管理，尤其是在空分装置生产现场、液体产品充装区域、压缩厂房空压岗位等巡检岗位，全面推行节能降耗的劳动竞赛机制和标准化操作（如设定了空分装置启动达标时间跟踪、氩精馏系统启动达标、停车排液加温模式的对标管理，推行机电化仪多工种联合巡检的生产管理机制），解放思想、转变思路，为甘肃刘化渡危求存、转型发展进程中在技术创新、人才培养、规范运作、精细管理等方面打下坚实的基础。

1 22000m3／h空分装置及其排液加温简况

空分装置停车时，甘肃刘化原通常采用带压（空压机在线）排液加温操作，其缺点或不足是，空分装置上下塔不能同时排液，易发生窜压而引发事故；液体流路排放死角多，容易出现汽化及喷溅现象，排液后要适当静置使得主空压机空转而消耗电能，液体喷射器处要有专人看守且不能动火等。近年来，受原料天然气冬季“限工保民”政策的影响，甘肃刘化组织生产负荷季节性调整，其22000m3／h空分装置与7000 m3／h空分装置需进行切换，无法实现单套空分装置的长周期运行。而空分装置在低温工况下运行，反复加温冷冻操作易造成设备、管线、阀门的泄漏，影响其安全性；通过对空分装置排液加温特殊操作过程中风险因素进行辨识等，决定对其排液加温操作模式进行调整。

甘肃刘化22000m3／h空分装置由杭州杭氧股份有限公司设计制造，采用中压膨胀空气进下塔、液氧液氮双泵内压缩、全精馏无氢制氩工艺（其工艺流程见图1）。22000m3／h空分装置自2012年1月8日建成投产以来，在其停车排液加温吹除操作过程中，甘肃刘化生产部门依托已有的空压站（空压站是建厂初期建成投用的，多年来经过不断改造目前只保留原过滤干燥、贮存分配系统，通常作为提供工厂空气、仪表空气的附属装置，经其压缩的湿空气后续经过空冷、过滤干燥系统，满足主生产系统用气需求）、7000m3／h空分装置分子筛纯化系统提供的加温吹扫气源进行22000m3／h空分装置排液加温。

图1 22000m3／h空分装置工艺流程框图

空分装置在冷箱内低温环境下将空气液化后，再利用氧、氮的沸点不同将它们予以分离，制取氧、氮、氩产品。同步停车排液加温操作是空分装置同步积液调纯启动操作的逆过程，虽然停车费用不可避免，但是不同排液加温操作模式产生的费用却大相径庭，值得摸索与总结。通过分析22000m3／h空分装置主空压机在线与不在线两种操作方法在安全停车过程中的应用模式，经过对装置停车排液、静置、加温吹除等特殊工艺操作环节风险因素的辨识，创新管理思路，培育创新思维，制定措施付诸实践，对标分析实施效果，在空分装置安全停车、节约停车费用等方面取得了明显的成效，具有很强的引领与示范作用。

2 空分装置排液加温的原因及分类

正常情况下，空分装置经过长期运行后，在分馏塔系统的低温容器和管道内可能产生冰、干冰或机械粉末的沉积，精馏塔阻力会逐步增大，因此一般空分装置运转2a后需要对分馏塔系统进行加温解冻以去除这些沉积物。如果在运转过程中发现热交换器阻力和精馏塔阻力增大，导致气体产量和纯度达不到指标要求（此种情况往往与操作维护不当有关），就要提前对分馏塔系统进行加温解冻。

空分装置同步加温吹除大体可分为原始安装吹除及裸冷启动加温吹除、检修及技改后加温吹除、备用机组热启动加温吹除、达到运行周期后加温吹除、设备故障状态加温吹除、系统局部处理加温吹除、低温液体泵加温吹除等几类。加温吹除过程中，须严格控制空分冷箱内单元设备、阀门管线升温速率在30℃／h以内（加温吹除初期的升温速率控制在10℃／h左右），使空分冷箱内高压板式换热器、低压板式换热器、氧氮精馏塔、氩精馏塔、过冷器、膨胀机、液体泵（液氧泵、液氮泵、液氩泵）、液体贮槽单元设备及工艺管线、阀门、绝热材料珠光砂等通过彻底的加温吹除恢复至常温状态；加温结束后，要用干空气保持系统处于正压状态，防止外界不纯物质侵入而形成污染。

3 空分装置排液加温的安全规则

空分装置排液加温之本质安全（涵盖运行本质安全、设备本质安全、人员本质安全、环境本质安全、管理本质安全），是将低温单元设备、低温液体特性、氧氮氩介质的安全特性融入到装置加温吹除实施过程当中，消除风险和危害，预防事故，避免产生严重的后果，如此可以使应急准备工作更有针对性和实效性。

众所周知，氧、氮可以以任意比例混合，构成不同浓度的气体混合物及溶液，若把氧、氮溶液置于一封闭容器内，在溶液上方也会产生其蒸气，即为氧、氮蒸气组成的气态混合物。空分装置排液时，附近的空气中有异常富氧风险、火灾风险，冷箱内有低温冻伤的风险，在加温设备周边有氮气、氩气窒息的风险，对于分子筛等受限空间存在氮气漏入的风险，有加温超压爆炸的风险、加温过程中设备和管线热胀冷缩拉裂的风险，因此须落实排液加温操作中的各项安全措施：人员进入现场均须穿戴好劳保用品，如安全帽、防护鞋、耳塞、工作服、防护面罩、安全眼镜；在使用氮气加温时，防止氮气窒息的危险；加温设备所在的密闭空间，如需进人，必须办理受限空间作业票证、增设通风设备，以防止氮气富集，作业过程中须有专人监护；要防止高空坠落及低温冻伤。

4 空分装置排液加温操作步骤及注意事项

据空分装置操作技术标准，装置开车前（不包括临时停车后的重启）须进行全系统的吹除，其目的是清除装置内可能存在的灰尘以及水分等杂质。热态下的全面加温包括加温和吹除两步，而冷态下的全面加温由停机→排液→静置→冷吹加温→系统吹除等步骤组成。加温完成标准为加温气出口处温度大于0℃且时间大于2h、露点低于-60℃，当各加温气出口温度基本接近进口温度时，全系统加温即告结束。每一只吹除阀均应得到吹除，当所有吹除气体的出口洁净且达到露点要求时，即气体中含水量＜1mg／L时，吹除即告结束。排液加温操作中的注意事项如下。

（1）排液加温前必须做好全面的准备工作及安全防护措施，液体必须排放至排放槽内或由蒸气抽射器引射，不得直接向周边环境排放。排液过程中由于排液的次序，存在液体倒灌的风险，因此每一部位排完液后应立即将排液阀关闭，加温到每一个容器时，要将与容器底部及与容器相连的主管道的低点排放阀打开。

（2）虽然空分装置已进行了排液，但是主冷凝器、下塔、粗氩冷凝器、高压板式换热器氧氮通道、液氧液氮液空两相流管道等还存有一些死角，死角处积存的液体没有排出，因此22000 m3／h空分装置排液后一般需要静置24h，静置的目的是将塔盘、填料间的低温液体尽量从塔底排出、让塔板上的液体全部汽化，若排液不彻底，加温空气进入冷箱后会加速液体汽化，局部压力瞬间升高，液体大量汽化而致超压，造成设备损坏，严重时有发生冷箱物理爆炸的可能；液体排完后需有一个塔器温度自然回升的过程（不能让其温度迅速回升），使材料的应力变化不大，与其他管道的温度同步回升。

（3）加温时，加温气的流向要始终保持从干净的流路到未被加温的流路，主换热器的加温一定要从热端到冷端；应尽量做到各部分温度缓慢且均匀回升，以免由于温差过大形成应力而损坏设备或管道；加温时，所有的测量、分析等检测管线也需加温和吹除；在空分设备冷备排液后进行全面加温时，须注意加温气量要少、速度要慢，切不可一开始就用大气量加温。

（4）单元设备的加温按照相应操作步骤进行，合理进行各阀门的开关，杜绝开太平车，使冷箱内温度均匀回升——严禁出现大的温差而造成应力过大，继而损坏管道及设备；加温过程中加强检查，不得遗漏或留有死角（包括任何一个引压点、分析点），要定期到现场巡检，防止因塔内部件热膨胀造成管道或部件损坏；加温过程中，要定时检测加温气出口的露点和温度，依据高压板式换热器、低压板式换热器、氧氮精馏塔、氩精馏塔、过冷器、膨胀机、液体泵、液体贮槽等单元设备温度测点判断设备的加温效果。

（5）拆卸全部的分析、引压点接头进行吹除工作时，须在这些点的温度已达0℃以上时方可进行。

（6）排液加温操作中，要关注冷箱的情况，特别注意消除冷箱泄漏的风险——泄漏介质如果是液氧或氧气，遇明火、雷电、仪表电源、低压电源等有极大的风险；低温液体泄漏会导致冷箱基础温度下降，基础冻坏、冷箱板冻裂；珠光砂可能会从漏点部位进入管线、精馏塔、主冷及换热器通道内部而造成污染和堵塞；泄漏的液体汽化或启动时吹入热空气，会引起冷箱与冷箱内设备、管道夹层压力急剧上涨而超压，误操作也会导致设备超压；泄漏介质流动夹带珠光砂，会因气流扰动而形成“气锯”，对附近设备管道造成冲刷和“气割”；仪表导压管泄漏，漏量大会造成仪表指示严重失真，危及系统平稳运行；液体漏量大而大量汽化，冷箱内压力会升高，严重时有引起砂爆的可能——液体能在珠光砂内形成“液池”，如果装置停车后引入空气加温重启，液体会快速蒸发，致使冷箱损坏。

5 排液加温节能模式及可节约费用测算

22000m3／h空分装置需要的加温气源由空压机来的空气经空气预冷系统和分子筛吸附器干燥而成，另外由空压站供送或7000m3／h空分装置供应。

过去，22000m3／h空分装置采用空压机在线的带压排液加温、静置3～4h实施气量分步调整的加温吹除操作，以便将空分装置尽早交付检修或技改工作。近年来，通过对空分装置排液加温特殊操作过程中风险因素进行辨识等，排液加温全过程本着节约费用、杜绝开太平车的思想，22000m3／h空分装置多采用空压机离线的静压排液（空分装置停车前将主塔下塔液体、粗氩Ⅱ塔底部液体全部打入主塔上塔）、静置24h后实施最小气量（额定）加温吹除模式，相较于空压机在线模式可节电。

以下对22000m3／h空分装置空压机在线的带压排液加温之消耗进行测算（调整空压机负荷、加温吹除气体流路优化、下塔回流阀不同工况的调整、合理调配加温气量、节约使用公用物料等节能举措取得的效益暂不作统计），以掌握直接费用的发生情况以及排液加温节能模式的费用节约情况。

5.1 节约的电费

5.1.1 空压机系统的电耗

据电机功率的计算公式P＝1.732×U×I×cosϕ，计算得空压机电机功率P1＝1.732×U×I×cosϕ＝1.732×6000×1340×0.924÷1000＝12866.9587kW、油泵电机功率P2＝18.5kW、排烟风机电机功率P3＝1.1kW，则合计空压机在线模式下的排液加温之空压机系统的功率P空＝P1+ P2+ P3＝12866.9587+18.5+1.1＝12886.56kW。

5.1.2 蒸汽加热器系统的电耗

1t蒸汽相当于137kg标煤，1kW·h电相当于0.1229kg标煤。分子筛再生系统再生时蒸汽流量Q1＝3.8t／h、分子筛再生系统备用时蒸汽流量Q2＝2.75t／h，即蒸汽加热器系统的蒸汽消耗Q＝（Q1＋Q2）÷2＝（3.8＋2.75） ÷2＝3.275t／h，折算为蒸汽加热器系统的功率P蒸＝3.275×（137÷0.1229）＝3650.73kW。

5.1.3 空气预冷系统的电耗

空气预冷系统有1台大泵（功率75kW）、1台小泵（功率55kW）、1台冷冻机 （功率71kW），则空气预冷系统的功率P泵＝P大泵+P小泵+P冷冻机＝75+55+71＝201kW。

5.1.4 仪空系统的电耗

仪空系统电源由UPS供送，电器功率P仪空＝1.732×U×I×cosϕ＝1.732×228×6×0.9÷1000＝2.13kW。

合计空分装置采用带压（空压机在线）排液加温模式消耗的功率P合＝P空＋P蒸＋P泵＋P仪空＝12886.56 ＋3650.73 ＋201 ＋2.13 ＝16740.42kW，按空分装置排液加温期间空压机操作负荷70%、排液加温时间36h、电价0.43元／（kW·h）计，则22000m3／h空分装置采用排液加温节能模式（空压机离线）节约的电费F1＝16740.42×70% ×36×0.43÷10000＝18.14万元。

5.2 节约的水费

22000m3／h空分装置采用带压（空压机在线）排液加温模式时，主空压机用水量为1180＋60＝1240m3／h，预冷系统用水量为310＋80＝390m3／h，按排液加温时间36h、循环水价格0.25元／m3计，空分装置采用排液加温节能模式（空压机离线）节约的水费F2＝（1240＋390）×36×0.25÷10000＝1.467万元。

5.3 综合效益

综上，22000m3／h空分装置采用排液加温节能模式（空压机离线），相较于采用带压（空压机在线）排液加温模式，合计可节约停车费用F＝F1＋F2＝18.14＋1.467＝19.607万元。

6 结束语

甘肃刘化在22000m3／h空分装置排液加温过程中应用不同的操作方法，通过采取一系列的安全节能措施，合理控制冷箱内设备的关键部位、阀门及管线盲点排液，加快操作速度，达到了空分装置排液加温安全控制与节能降耗的目的，整个排液加温操作过程符合22000m3／h空分装置操作标准要求、《深度冷冻法生产氧气及相关气体安全技术规程》（GB16912—2016）相关技术要求，可为业内提供一些参考与借鉴。