德州“KDON-40000/45850”型空分设备介绍

2020-07-27 10:59:20 0

  【中国压缩机网】作者:开封空分集团有限公司  刘景武
 
 
KDON-40000/45850型空分设备是开空集团有限公司为山东德州华鲁恒升化工股份有限公司大型氮肥国产化技术改造项目所提供的重要装置。该装置于2002年9月27日签订供货合同,经过设计、制造、安装,于2004年8月18日整体施工完毕,到8月24日两台膨胀机均单独裸冷结束,于9月19日顺利产出合格的氧气、氮气,10月8日产出合格的液氩,空分开车进展正常,一次试车取得成功,并顺利通过无氨工况的考核(见考核报告)。

该装置是目前国内自行成套,自行设计、制造、安装的压力级别z*高,装置规模z*大的空分装置。同时该套空分装置采用了当今世界上z*先进的工艺流程,是一套典型的化工型单泵内压缩流程装置。

本装置是“八五”、“九五”、“十五”期间国家重大技术装备国产化攻关项目,是国家经贸委“关于大型氮肥装置国产化”z*重要的配套装置。由于是国内第一套“4万”等级的大型内压缩空分装置,其成败直接影响空分行业大型空分设备国产化的进程。

该套空分装置通过考核之后已运行近九个月,工况稳定正常,说明大型空分装置国产化技术已经取得成功。现将本套空分装置的研制情况介绍如下。

第一部分 “4万”空分国产化的历程

随着气体工业的迅速发展,各行各业,特别是冶金、化肥、煤化工等行业对氧、氮、氩产品的需求量稳增,无论是在装置规模上,还是质量、成套性能等多方面的要求都越来越高,这就促进了空分行业在近二十年来取得突飞猛进的发展。从切换板式到分子筛预净化,从风机、电机制动到增压透平膨胀机,从筛板上塔到填料上塔,从有氢制氩到全精馏无氢制氩,从产品外压到产品内压缩流程等等。并逐步形成了现代空分设备的基本特点:①装置大型化;②规整填料塔及无氢制氩技术;③带大量液体的多品种、多工况内压缩流程;④运行周期长,能耗低,安全可靠;⑤变负荷范围广。

二OOO年前,由于多种原因,大型空分装置国产化(特别是内压流程)进程缓慢,长期依靠进口,特别是在煤化工行业。70年代到90年代我国引进的59套大型合成氨装置,配套的空分装置均为进口设备,冶金行业“20000”以上的空分装置也以进口为主,象南京化学工业公司“40000”空分,陕西渭河“40000”,宝钢“60000”、“72000”等数十套空分设备均为进口设备。

为了尽快提高我国大型空分装置设计、制造能力,国内空分设备制造厂家在国家重大技术装备国产化的政策指导下,开空集团与兄弟厂家共同承担了“大型空分装置国产化”的研究与开发工作。特别是开空集团坚持走技术创新之路,促进空分技术发展,并取得了显著成果,为“4万”空分国产化的成功铺平了道路。

一、 精确的工艺计算与先进的流程组织是大型空分装置国产化成功的基础

开空集团深知可靠的工艺流程计算与先进的流程组织是整套装置成功的基础。为了扭转传统依靠查图,查表的手工计算的不准确性及工作效率低的局面,开空集团于1996年在国内空分行业率先购买了美国ASPEN PLUS流程模拟计算软件(国内空分行业第1家购买),并花费大量的人力、物力对运行稳定的近百套国内外大中型空分装置进行研究和数据采集工作,将这些数据反馈到ASPEN PLUS软件中,反复进行模拟计算,对ASPEN PLUS软件的数据库、模型进行筛选、修正、回归处理,通过这样的二次开发工作,使ASPEN PLUS软件成为开空集团工艺流程计算的高性能的工具。现已经过百余套空分设备的运行检验,证明了ASPEN PLUS软件应用于空分流程设计已取得成功。开空集团在工艺 流程计算及组织方面一贯注重向他人学习与自主开发并重,广取众家之长,近年来先后购买了Pro-II、Hysys,等精馏计算软件,经过开发,使之成为开空集团工艺计算的好助手,也使得开空集团在工艺流程组织计算方面一直处于世界先进水平。在“4万m3/h大型空分成套设备研制”课题中,开空集团承担了“4万m3/h大型空分流程设计和成套技术的开发”的子课题的研究与开发工作,为大型空分国产化的先进的流程组织打下了成功的基础。

二、 单元设备的设计、制造技术不断提高是大型空分装置国产化成功的根本

有了精确的计算与先进的流程组织,装置的整体性能还直接受各单元设备技术性能的制约。在单元设备的研究方面,“八五”、“九五”期间我公司相继承担的国家攻关项目有:a.大型空分设备压力容器的研制;b.大型板翅式换热器的研制;c.高效精馏塔研究;d.空分设备用规整填料塔研究;e.全精馏无氢制氩技术研究;f.多股流绕管式换热器等,这些攻关目标均逐一实现,并且得到实际应用的验证。如:我公司先后进行宝钢“30000”空分装置,鞍钢“3万5”空分装置,宁夏“28000”空分装置的设计与制造工作,为“4万”空分单元设备的设计与制造积累了丰富的经验,本套空分装置是德州华鲁恒升大氮肥装置国产化的z*重要的配套装置,“4万m3/h大型空分成套设备研制”是“十五”国家重大技术装备研制项目(由国家经贸委、财政部、中国机械联合会组织),共有8个课题,开空集团承担了其中7个子课题,分别是:

① 4万m3/h大型空分流程设计和成套技术的开发;
② 大型分子筛吸附器研制;
③ 大型高压换热器研制;
④ 大型高压带液透平膨胀机研制;
⑤ 大型规整填料塔研制;
⑥ 空分设备特殊阀门研制;
⑦ 变负荷智能型集散控制系统研制。

从以上这些课题的设置可知单元设备的设计、制造对成套装置的重要性,经过多年的技术攻关,开空集团已对空分装置配套的空冷塔、水冷塔、分子筛吸附器、规整填料塔、筛板塔等主要的单元设备均有独到的见解和成熟的设计、制造经验,特别是在高压绕管换热器、双管板蒸汽加热器等多个单元设备方面为开空集团所特有。

三、 内压缩流程开发的成功是对大型空分装置国产化有力的支持

众所周知,由于内压缩流程相对于外压缩流程具有操作简便、安全可靠、产品类别多样,可以获得较多液体,占地少,投资省等优势,在目前世界上大型空分装置基本上均采用内压缩工艺流程。由于国内空分行业外压流程在相当长的时期内占主导地位,对内压缩工艺流程的研究相对较少,这样使得大型空分装置国产化在一定程度上受到了限制。为此,开空集团率先对内压缩流程进行研究与开发。

a) 94年向客户提供小型的内压缩医用氧设备;
b) 94年底与天津铁厂签订了“15000m3/hO2,产品压力为0.6Mpa的内压缩空分合同;
c) 95年开封空分与美国APCI在开封召开由石化行业及设计院参加的配套大化肥的内压缩空分技术交流研讨会;
d) 96年签约三套产量为300m3/hO2,压力为20.0Mpa出口的小型内压缩流程空分设备,并取得成功;
e) 97年天津铁厂“15000”投入运营,并顺利通过性能考核;
f) 2000~2001年签订湖北鄂钢,青岛钢厂“10000”,3.0Mpa内压缩空分,柳州钢厂“15000”,3.0Mpa内压缩空分;
g) 2002年初湖北鄂钢、青钢相继一次开车成功,顺利通过考核;
h) 2002年3月,宣钢集团签订“15000”,3.0Mpa空分设备;
i) 2004年4月柳州化工股份有限公司双泵内压流程的“28000”空分签约。氧28000m3/h,4.52MPaG;氮11450m3/h,8.2MPa。

正是这些内压流程的成功的业绩,证明开封空分集团掌握了大型空分内压缩流程技术,这为成套大型空分装置国产化提供了有力的保证,所以才使得华鲁恒升化工股份有限公司对开封空分集团成套“4万”空分有充足的信任,并与2002年9月16日与开封空分集团签订合同,这是我国s*套自行设计、制造、成套的4万等级成套装置。

第二部分 4万空分设备简介

“KDON-40000/45850”型空分设备是一套典型的化工型内压缩设备。该设备采用常温分子筛预净化,增压透平膨胀机提供装置所需要的冷量,空气增压膨胀,双塔精馏,液氧泵内压缩流程,同时设有全精馏制氩系统,整套装置的控制、联锁由DCS系统完成,流程遵循z*先进的和z*通用的控制方式,并贯彻以稳定运行为前提的设计模式。现分系统对该套装置进行介绍。

一、 空气过滤系统

采用自洁式空气过滤器,滤纸为进口材料,正常处理气量为20000m3/h,过滤精度>2μm,颗粒为99.99%;>1μm为99%,过滤级别GB/T14295-93中高效等级。
自洁过程由PLC实现自动化控制。

二、 空气压缩系统

本系统由空压机、空气增压压缩机、一拖二汽轮机及公共润滑油站组成。完成的任务是将~200000m3/h的气量压缩到0.525Mpa;同时将部分的空气压缩到7.0Mpa。
空压机、增压机是由沈鼓制造,汽轮机由杭汽制造,空压机与增压机共用一台汽轮机驱动,这样就与中型空分装置中空压机与增压机各自单独驱动不同。在空压机、预冷系统、纯化系统投入之前,增压机已启动,这时要注意增压机流路的安全保护措施。

三、 空气预冷系统

本系统的任务是将空气由~100℃冷却到8~13℃,以满足分子筛吸附器工作的要求,同时对压缩空气进行洗涤,除去对分子筛吸附剂有害的酸性气体,同时设有氨蒸发器提供外界冷源。主要设备有空冷塔、水冷塔、氨蒸发器。

1. 空冷塔、水冷塔
空冷塔、水冷塔均采用散堆填料,在塔的结构设计上充分考虑到防带水措施,主要采取高通量的汽液分布器,旋风分离结构等,确保空分的安全运行。
2. 氨蒸发器
考虑到氨介质的特点及循环水的条件,选用不锈钢管材,并在氨蒸发器的上部留有足够的汽液分离空间,采用浴式工作,保证蒸发器工作的稳定。

四、 纯化系统

纯化系统的目的是净除空气中的水份、二氧化碳及部分碳氢化合物等杂质,主要设备有2台分子筛吸附器、2台蒸汽加热器、1台放空消音器及自动切换阀等。

1.分子筛吸附器
设计按长周期(240分钟)考虑,采用卧式双层床结构,分子筛采用球形结构;
2.蒸汽加热器
采用开封空分集团j*拥有的卧式双管板结构,设计压力2.5Mpa,并考虑活化温度的要求;
3.切换阀门
设置充分考虑加温、冷吹、充泄压对工况的影响。

五、主换热器系统

该系统的任务是充分回收装置的冷量,设置6组中压板式,2台高压绕管换热器。

1.中压板式
开空厂自行设计制造,设计压力4.5Mpa,在膨胀机抽口处将单元换热器分为冷、热两段,正流为低压空气和膨胀空气,返流为低压氮气和污氮气。
2. 高压绕管
分为高压氧与高压空气换热绕管1只,高压空气与污氮换热1只,设计压力9.3Mpa。

五、 分馏塔氧氮系统

系统主要设置下塔、上塔、主冷等。

1. 上塔、下塔采用规整填料塔,填料为苏尔寿公司产品;
2. 为降低冷箱高度,上塔为分两段,一段坐在主冷上,一段放在基础上,中间用液体泵连接。
3. 主冷考虑减小直径,采用了双层布置。

六、 全精馏制氩系统

系统设置有粗氩塔、精氩塔、循环液氩泵。

1. 粗氩塔、精氩塔采用苏尔寿规整填料;
2. 循环液氩泵采用2台,1用1备;
3. 粗氩塔冷凝器采用液空做冷源,蒸发器采用液空做热源;

七、 膨胀制冷系统

主要任务是提供装置冷量,为中压膨胀机,增压端进口压力为2.7Mpa,增压到4.0Mpa,然后膨胀进下塔。膨胀机设置2台,1用1备,1台进口,另一台为开空自行设计制造。2台均可单独工作,保证工况设计要求。

八、 “4万”空分的特点

本套4万空分是典型的化工型内压缩流程,在基本流路与设备配置方面与通常冶金型内压缩流程相近,但本套装置由于规模大,产品压力高等原因使得在流程组织与设备结构上具有自己的特点。

1、空压机与增压机用汽轮机一拖二

这种结构布置简单,占地面积小,投资省。但也存在的问题是当空压机启动时,增压机也同时启动,而这时预冷纯化系统的空气还没有送到增压机,所以必须考虑空分启动时增压机的气源。国外有些公司是通过分子筛吸附器,这样会使设备形成真空,并且增压机内也会形成真空,对机器的密封要求相对较高。本次“4万空分”是设置外来干燥空气流路,启动时打循环。

2、水冷却流路

a. 由于化肥工厂企业,循环水中氨含量偏高,所以在流程设置及设备选材上要注意。
b. 预冷系统为了防止氨在循环水中的浓缩,冷冻水没有采用内循环的流路;
c. 氨蒸发器、增压机后冷却器等换热管均采用不锈钢材质,而不采用铜,以免腐蚀。

3、高压换热器采用绕管式

由于本套装置高压气体压力级别高,氧产品压力8.5Mpa,空气7.0Mpa,虽然目前国外板式生产厂家认为板式的工作压力可以达到12Mpa,但由于国外高压板式运行业绩较少,运行事故也不少,所以为了长期可靠运行,开空集团决定采用高压绕管换热器,但是由于绕管换热器较板翅式比,体积庞大,吨位重,且换热效率差,所以在投资、能耗方面都要偏大。

4、制冷与换热系统的组织

内压缩流程影响能耗的关键是制冷与换热系统的组织。

a. 大型空分带液装置在制冷方面一个显著的特点是要求膨胀机前温度不能高,否则,制取的高温冷量不能充分回收,所以膨胀机前温度对能耗有很大影响。
b. 对内压缩流程,换热系统较复杂,象本系统正流空气为0.5Mpa、2.7Mpa、4.0Mpa、7.0Mpa四个级别,返流气体有0.015Mpa、0.5MPa、8.5Mpa三个级别,这样就使得传热系统温度梯度较复杂,只有合理的温差分布才是降低能耗的关键,为此在流程组织上特设置一个污氮与高压空气换热器。
c. 理论上讲是多股流混合介质设计在同一换热器里,让各介质传热自动平衡,能耗z*低,但是这样会造成全部换热器均为高压换热器,会造成投资的积聚增加,所以换热器组织还是采用高低压分开的办法,更为经济些。

5、氮分离系统

a) 由于本套装置是化工用气,氮产品要求较高,含氧<10PPm且含氩小于90PPm。采用传统的流路组织会使氧提取率很低,为此在流程组织上要尽量改善上塔上段回流比。
b) 传统上精馏系统只注重上塔理论板分布,而本套4万由于下塔抽口较多,下塔理论板上的分布器对成套装置的性能有很大的影响。
c) 由于下塔抽大量压力氮,为了保证产品的高提取率,下塔采用填料塔,强化精馏。
d) 由于上、下塔设备太高,如果上下布置会造成冷箱太高,部分流体静压流动受到限制,所以将上、下塔平行放置,使整个冷箱高度大大降低,冷箱内管道应力情况得到很大改善,从根本上保证冷箱内的安全。

6、全精馏制氩系统

由于本系统大量抽取压力氮,上塔精馏工况较差,影响了氩的富集,为了改善上塔上段精馏工况,采用液空做精氩塔冷源,可以提高氩提取率~2%,同时也避免了液氮做冷源有可能带来的氩固化问题。

7、管道选材

由于本装置冷箱较高,冷箱内管道受变形引起应力较大,在管道选择上注意以下:

a) 对高压管道,优先选用强度较高的不锈钢管;
b) 对直径较小的液体管道,特别是应力较大的管道,采用不锈钢管。

8、预冷系统的变工况

对大化肥项目,一般氮气用量都很大,预冷系统需设置外来冷源,本系统设置液氨蒸发器。由于化肥装置在启动阶段没有液氨提供,所以在预冷系统、纯化系统及空压机、增压机的参数选择上均要充分考虑无氨工况的影响。

第三部分 4万空分设备初步试车报告

开封空分集团有限公司为山东华鲁恒升化工有限公司大化肥项目提供一套4万空分设备。在国家经济发展委员会的重大装置国产化政策的支持下,本套空分设备做为中国第一套4万等级大型空分设备国产化的立项项目,也是目前国内自主设计、生产、投入运行的z*大的一套化工型内压缩大型空分设备。

本套空分采用目前世界上z*先进的工艺流程、分子筛吸附器、液体内压缩、全精馏无氢制氩(j*设计高效率填料塔)、独特的安全防爆技术,基于神经网络和矩阵模型的先进控制系统,使本套空分设备具有低能耗、操作平稳、简单等许多优点。

一、 试车时间及过程

在开封空分集团有限公司、华鲁恒升化工股份有限公司、安装及监理等诸多单位的共同努力下,于2004年8月18日整体施工完毕并于同日开车裸冷,于8月24日裸冷工作取得圆满成功,塔内温度平均-100℃,z*底处降低到-140℃,完全达到预期效果,2004年9月14日重新启动空压机,于9月19日顺利出合格的氧、氮,10月8日出合格的液氩。空分开车过程进展正常,一次试车就取得成功。

二、 设计指标

本套空分设备属于高压力、液体内压缩、化工型空分工艺,氧气输出压力85bar(G),由液体泵加压完成。

本套设计的技术指标如下:

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三、 目前运行的技术参数

目前由于工厂液氨系统未建成,预冷系统中氨蒸发器不能投用,进纯化系统的空气温度高于设计值6℃,为保持纯化系统对CO2、H2O的净化指标,同时后续气体炉仍未投用,故空分设备处于低负荷运行状况,暂时的运行参数如下:

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四万空分一次开车成功,为华鲁恒升大氮肥装置的开车奠定了坚实的基础,树立了良好的榜样。同时本套空分开车成功标志着四万大型空分设备国产化项目取得了圆满成功,也再一次证实开封空分集团的技术水平走在国内同行的z*前沿,引领着中国空分水平的发展方向,也使中国大型空分设备走向世界奠定了坚实的基础,具备了与sj*l空分厂家在大型空分项目进行同场竞技的能力。

虽然工况运行时间不长,各工况参数已趋同于设计值,各系统运转稳定,冷箱无结霜、跑冷现象、内部无泄漏情况。但也发现中抽污氮的阻力偏大,影响了分子筛的再生气量等问题有待下一步的解决。

以上这些成绩的取得,离不开各单位的同心协力,在此对诸多参与单位、专家和施工工程人员、开车调试人员等表示诚挚的感谢。

来源:网络

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