提高上塔压力降低空分负荷的试验与探讨

   2024-08-07 91
核心提示:豫光金铅股份公司制氧厂,KDON(Ar)30000/12000/1000型空分设备(以下简称30000m³/h空分设备)是高效节能型空分。采用离心式空

豫光金铅股份公司制氧厂,KDON(Ar)30000/12000/1000型空分设备(以下简称30000m³/h空分设备)是高效节能型空分。采用离心式空气压缩机,常温分子筛净化,增压透平膨胀机,填料型上,下塔,四层主冷,全精馏无氢制氩,外压缩工艺。

1、降负荷现状介绍

  30000m³/h空分设备为多个冶炼系统供气,用气特点是用气点多,用量不稳定,为了减少氧气的放散率降低能耗,需要对空分负荷进行及时调整。尤其是最低负荷调整,一直处在摸索阶段。

1.1   30000m³/h空分设备采用关下塔液氮回流阀降低空分负荷

  试产阶段 30000m³/h空分设备采用常规的关液氮回流阀的方法进行降负荷操作 ,液氮回流阀从100%关到36%,进塔空气流量与空压机排气压力变化不大,当回流阀开度小于36%时,主冷二,三层液位出现快速下降,(二,三,四层主冷设置有液位计,一层主冷没有设置液位计),开始认为是关液氮回流阀操作速度过快,液氮短时间积聚在主冷中,使进入上塔主冷中的液体量短时间不足,破坏动态平衡造成主冷液位下降。随后把关液氮回流阀的速度放的很慢,依然是液氮回流阀低于36%,主冷二,三层液位就会出现下降。反复试验几次都是一样结果。

  分析原因是:下塔顶部的氮气进入主冷,与主冷中的液氧进行换热后冷凝。在主冷中从上到下温差逐渐缩小,冷凝液氮形成的液膜逐渐增厚,到第四层主冷时换热温差最小,形成液氮液膜最厚,这造成30000m³/h空分设备第四层主冷的蒸腾能力最差。这导致关液氮回流阀,液氮在第四层主冷中积聚,空压机排气压力与进塔空气流量变化不大,降负荷效果不明显。同时由于液氮回流阀的关小,液氮在主冷中积聚,导致回流下塔的液氮量减少,造成打入上塔主冷的液体量减少, 而第一,二,三,四层主冷因为全浸,加上空压机排气压力不变,所以主冷热负荷没有改变,主冷液氧蒸发量不变。当进入主冷液体量小于其蒸发量时,第二,三层主冷液位出现快速下降,造成主冷干蒸发,存在极大的安全隐患。所以30000m³/h空分设备不适合采用关下塔液氮回流阀来降低空分负荷。

1.2 30000m³/h空分采用全开液氮回流阀,关空压机进口导叶,降低空压机排气压力来降低空分负荷

30000m³/h空分采用全开下塔液氮回流阀,用关空压机进口导叶降低空压机排气压力的方法来降低空分负荷。整个降负荷过程中不需要太大调节,只需要关空压机进口导叶,使进塔空气流量与产品氧气流量相匹配,短时间就能达到变负荷要求,操作简单,效果明显。特别适用后续用气流量波动大的特点,极大的减少氧气的放散率降低能耗。30000m³/h空分设备一直以来都采用这种方法调节空分负荷。   

存在问题是:当空压机排气压力降低至415KP,空压机排气量降低至132540m³/h时(因为进塔空气量流量计显示误差太大,该空分一直以空压机排气量为参考值)主冷第二,三层液位就会出现快速下降,造成第二,三层主冷干蒸发。

分析原因是:

1)空压机压力下降,造成膨胀机效率下降,使空分冷量减少;

2)空压机排气压力降低,使下塔液体打入上塔的动力下降,使液体进入上塔不畅;

3)关空压机进口导叶后,进塔气量减少,使主冷冷凝液氮量减少,造成打入主冷的液体量减少;

  4)空分负荷降低过程中没有同比例降低氩系统负荷,液体分配不合理。

由于后续用气不稳定,为了节能降耗,变负荷比较频繁。不适合频繁对工况进行细致调整 。加上空分负荷降低后,空压机排气压力最低已降至416KP,如果继续降低空压机排气压力,会影响仪表气供气压力与分馏塔进液。这也是困扰30000m³/h不能继续降低空分负荷的主要原因。 

2. 采用提高上塔压力达到继续降低空分负荷

后来单位就降负荷存在问题咨询空分厂家,空分厂家建议采用提高上塔压力,憋高下塔压力的方法达到继续降低空分负荷的目的。

操作原理是:采用提高上塔压力的方法来提高主冷液氧侧温度,从而缩小主冷换热温差,来降低主冷热负荷。主冷热负荷降低后,空压机排气压力就会上涨,这样就有余量继续关空压机导叶降低空压机排气压力,从而达到继续降低空分负荷的目的。

3. 第一次采用提高上塔压力降低空分负荷的试验过程

2022年11月16日,后续用气流量大幅减少,30000m³/h空

分设备在较低负荷下运行。空压机进口导叶控制在39.5%,空压机排气压力419kp,空压机排气量138883m³/h,上塔压力控制在30.3kp,主冷液氧侧温度-182℃,液氮侧温度-181℃,主冷换热温差1℃。

8:24缓慢关小出塔气体阀门提高上塔压力,在提高上塔压力过程中 空压机排气压力也出现缓慢上涨。当上塔压力由30.3KP升高至38.3kp时,空压机排气压力也缓慢由419KP上涨至439KP。主冷液氧侧温度由-182℃缓慢上涨至-181.5℃,下塔液氮温度由-181℃缓慢上涨至-180.5℃,主冷换热温差维持1℃,保持不变。

 缓慢关空压机进口导叶,降低空压机排气压力。当进塔空气流量降低至132171m³/h时,下塔液氮纯度由0.08ppm快速上涨至满量程(大于10ppm),主冷液氮侧温度上涨至-179.8℃,主冷换热温差扩大至1.4℃。8:55主冷液位出现快速下降,氩系统工况出现不稳定。立即停止试验,对工况进行恢复,但仍然对工况造成很大影响。

3.1提高上塔压力,主冷液氧侧温度升高,液氮侧温度也升高的原因分析:

提高上塔压力,主冷液氧侧温度升高,主冷换热温差缩小,冷凝液氮量减少,空气吃不进,造成空压机排气压力升高,空压机排气压力升高造成主冷液氮侧温度升高,使主冷换热温差仍然保持1℃不变。

3.2降低空压机排气压力,下塔液氮侧温度没有降低反而升高的原因分析:

30000m³/h空分设备处于较低负荷运行,冷凝的液氮量较正常工况时少,继续关空压机进口导叶,进塔空气量更少,主冷冷凝的液氮量也更少,而液氮取出量不变,这导致液氮纯度下降,液氮纯度下降造成主冷液氮侧温度升高,主冷换热温差反而扩大。

30000m³/h空分设备第一次采用这种降负荷操作,没有这方面操作经验。此前一直把降负荷的重心放在主冷液位上,忽略负荷降低对液氮纯度的影响,加上操作速度太快,幅度太大,试验以失败告终。但也从这次降负荷操作过程中积累一些经验教训。

4. 第二次提高上塔压力降低空分负荷的试验

2023年8月11日后续用气单位检修一个月,大量氧气放空。30000m³/h空分设备在较低负荷运行,空压机压力控制在420kp,空压机排气量控制在137000m³/h。为了降低能耗,单位决定在不开大空压机进口导叶的条件下,将膨胀量提高至最大,多产液氧,减少氧气的放散率。但空压机排气压力已经很低,如果不开空压机导叶的情况下,增大膨胀量势必会使空压机排气压力更低。综合考虑后决定采用提高上塔压力,憋高下塔压力,为增大膨胀量提供条件。

8月13日9:30,缓慢将上塔压力由32kp提高至33.5kp,空压机排气压力由420kp上涨至424kp,然后缓慢将膨胀量提高至最大。为了减少增大膨胀量对工况的影响,全开污氮旁通阀。同时对主塔工况与氩工况进行调节,经过3天的试运行,工况稳定。

虽然在不开空压机导叶的条件下,将部分放空的氧气转化成液体,但还是有大量的氧气放空,加上夏季气温高,空压机进口导叶还有54%的开度,还有降负荷的余量。 为了继续降低空分能耗,30000m³/h空分设备计划继续采用提高上塔压力,憋高空压机压力的方法降低空分负荷。 吸取上次试验失败的教训,操作过程一定要慢,幅度一定要小,同时关注液氮纯度变化并及时调整。

4.1 第二次试验过程

8月17日,缓慢将上塔压力由31.6kp升高至32.9kp,空压机排气压力由417kp缓慢上涨至421kp,然后缓慢关空压机进口导叶,空压机排气压力由421kp降低至417kp,空压机排气量由137400m³/h降低至134000m³/h左右。运行一段时间后,下塔液氮纯度出现下降,立即停止降负荷操作,稍关液氮节流阀,调节下塔液氮纯度。并对主塔工况与氩塔工况进行适当调整。经过两天的试运行,工况稳定。

8月19日,将上塔压力由31.5kp升高至33kp,空压机压力由417kp上涨至422kp,主冷液氧侧温度由-182℃上涨至-181.9℃,主冷换热温差缩小至0.9℃。(以往低负荷主冷换热温差最低1℃)缓慢关空压机进口导叶,将空压机排气压力下降至417kp,空压机排气量减少至132500m³/h。以往当空压机排气量减少至这个气量时,主冷液位就会出现下降。为了防止意外发生,立即停止降负荷操作。并对主塔与氩塔工况进行适当调整。经过一段时间的试运行,主冷液位正常,主塔工况与氩塔工况稳定。

8月25日,继续采用这种方法降低空分负荷,空压机排气量降低至131100m³/h,主冷换热温差0.9℃,经过一段时间的试运行,主冷液位正常,主塔工况与氩塔工况稳定。

由于进塔气量的减少,主冷冷凝液氮量减少,液空节流阀开度已降低至5~6%。虽然采用关液氮节流阀能保证下塔液氮纯度,如果继续降低空分负荷,液氮量势必满足不了上塔精馏需要。因为工况已经出现污氮含氧明显上涨,液体产量明显下降。为了防止意外发生,影响后续用气,停止降负荷试验。

4.2试验分析

以往降负荷空气量低于132500m³/h,主冷液位就会出现下降,这次降负荷空气量减少至131100m³/h仍能维持主冷液位不下降 分析原因是:

(1)增大膨胀量,液体量增大;

(2)增大膨胀量,主换冷区上移,进下塔介质含湿量增大,上升蒸汽量减少,主冷蒸发量减少;

(3)为了维持氩塔工况稳定,操作过程中降低了氩系统负荷,使进入氩系统的液体量减少;

(4)主冷的换热温差缩小。

主冷换热温差缩小的原因分析:

(1)操作中膨胀量最大,同时空分负荷较低,这造成氩塔工况极不稳定。为了维持氩塔工况稳定,氩馏分控制较低,氧气纯度控制比以往高,这造成主冷液氧侧温度升高;

(2)以往低负荷工况,上塔压力控制在29~31kp,这次降负荷过程中上塔压力控制在31.5~33kp,上塔压力升高造成主冷液氧侧温度升高。

(3)操作过程中对下塔液氮纯度控制较好,同时下塔压力跟降负荷前一致,这些使主冷液氮侧温度没有升高。

结束语

通过这次降负荷试验,证明采用全开液氮回流阀,关空压机进口导叶降低空压机排气压力,配合提高上塔压力,憋高下塔压力,同时注意液体的合理分配,能让30000m³/h空分设备负荷进一步降低。但采用这种降负荷操作需要通过长时间细致调节,适合长时间低负荷运行。很多空分到夏季会出现空压机排气低的现象,可以尝试这种操作方法来应对。


 
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