深冷空分装置在高海拔沙漠地区应用存在的问题及应对措施_车豪.pdf

车豪，等深冷空分装置在高海拔沙漠地区应用存在的问题及应对措施车豪，张磊（中石化西北油田分公司，新疆 轮台 841600）摘要：针对高海拔沙漠环境中深冷空分装置的应用，基于一新建空分装置的设计及建设过程，通过理论计算定量分析了大气压、昼夜温差、沙尘等因素对深冷空分装置运行的影响，结果显示海拔高度和昼夜温差均会导致工况变化，同时沙尘暴和低温也会影响装置稳定运行，对同类装置在相似条件下的建设提供建议。关键词：空分装置；沙漠；稳定运行中图分类号：TB 65文献标志码：A文章编号：2095-817X（2023）01-0005-0042021 年某公司在塔河油田引入一套日产氮气40104 Nm3/h 的空分装置，此装置采用的工艺是低温精馏法，首先将过滤杂质后的空气经空压机压缩到 0.9 MPa，经过纯化器除去水和二氧化碳后进入板式换热器，在板式换热器降温至接近液化温度后进入精馏塔，在精馏塔内利用氧、氮的沸点差（氧的沸点为-183，氮的沸点为-195.8）完成液空的精馏过程，其中冷量的制取来自膨胀机中气体的膨胀做功 1。深冷工艺因其单位功耗低，产品气体纯度高等优势，目前被大型空分装置普遍采用 2。塔河油田区块地处天山南坡塔里木盆地东北部，气候条件夏季炎热干燥，冬季寒冷少雪，受塔克拉玛干沙漠的影响，夏季干热风盛行，昼夜温差大，平均沙尘暴日数为 0.4 d 左右，是典型的大陆性干旱气候 3。高海拔沙漠环境下应用空分装置的研究较少，本文以环境条件为影响因素，对空分装置在高海拔沙漠地区的设计应用及运行稳定进行了分析研究，并给出了相应的应对措施。1 海拔高度对离心式空气压缩机性能的影响离心式空气压缩机是空分装置的核心设备，空压机的购置成本约占项目总投资成本的 20%30%，合理地选择适合工艺生产需求的空压机型号至关重要，空压机的性能（流量、排气压力等）将直接影响收稿日期：2022-10-24作者简介：车豪（1993），男，工程师，硕士，主要研究方向为空分装置的设计与优化。整个装置的物料平衡。海拔高度主要通过进口自然空气的压强变化而对离心式空压机的性能产生影响，这套空分装置虽然建设在塔里木盆地，但地势平均海拔高度在1 000 m 左右，大气压强通常在 86.1 93 kPa 之间，对于压缩机的性能影响未知，应当进行理论计算分析。分析如下：假设空压机在标准状态下的空气流量为 QN，Nm3/h，实际空气进口状态下的流量为 Q，m3/h；二者对应的质量流量分别为 MN和 M，kg/h；对应的空气密度分别为 N和，（标准状态，0，101.325 kPa，相对湿度 0%）。MN=QNN（标准状态下）（1）M=Q （实际状态下）（2）以标况为基准，根据空气流量 QN=Q，将实际进气状态下的质量流量 M 折算到以标准状态下进气的体积流量有：,QMQQNNNNN=（3）视空气为理想气体，假设温度是一定值，根据理想气体状态方程，单位质量气体的压力和密度的关系为：PPNN=，因此 QQPPQNNNNN=（4）式中 QN 由实际空气进气状态折算标准状态的空气流量，Nm3/h；P 空压机使用地的大气压强，kPa；PN标准进气状态下的大气压力，kPa。5化 工 与 医 药 工 程第44卷第1期2023年2月出版Chemical and Pharmaceutical Engineering 2023，44(1)化工工艺与工程本套空分装置的氮气产量 1 6700 Nm3/h，再生气和水冷塔消耗氮气约 6 580 Nm3/h，根据气体质量守恒大致可以计算出所需空气量约为 30 000 Nm3/h，若空压机采取两用一备的方式，单台空压机至少需要提供 15 000 Nm3/h 的空气量，这是在标准状态（0，101.325 kPa）下的流量，若未考虑因海拔高度导致大气压降低的因素，将标况下排气量为15 000 Nm3/h 的空压机在塔河油田使用，取塔河地区大气压平均值 89.3 kPa，根据式（4）计算得出 QN仅为 13 219 Nm3/h，很显然这是无法满足工艺设计的空气流量需求的。根据以上计算可知，进气工况为标准状态条件下设计的空压机流量，在海拔较高地区会发生空气流量低于设计工况的情况，这是因为进气的实际空气压力低于设计标准状态条件，在压缩机选型时需要注意必须以实际空气进气状态下空压机额定流量折算成标准状态进气下的流量为依据。塔河油田平均大气压 89.3 kPa，以此进气环境条件若要满足15 000 Nm3/h 流 量，则 QN至 少 大 于 17 000 Nm3/h才能满足要求。实际中，塔河油田空分装置采用三台 SM6000 型离心式空气压缩机，进气状态为标准状态时，空气流量 QN为 17 271 Nm3/h，在进气压力88 kPa 时，单台空气流量 QN为 15 000 Nm3/h，最大运行工况下达到 16 200 Nm3/h，能够达到工艺的流量要求。2 沙漠环境气候条件对空分装置稳定运行的影 响2.1 昼夜温差变化对空压机的工况影响塔里木盆地多晴天，太阳辐射能量大，由于沙子比热容相对小，呈现出昼夜温差大的特点。进气空气的状态改变一定对空压机的空气流量产生影响，根据其他学者的研究，当吸入空气的温度升高，进气密度降低，转速不变情况下空气流量减少，效率降低 4。式（5）给出了空压机进气空气状态改变引起空气流量变化的简化计算方法 5。QQ1100NN33aa=+()（5）其中：;.RTR TPPT11273 151 033 273 1503b03a=-+=-+()（6）式中 标准状态空气量与实际空气状态进气空气量的折算系数；QN标准状态下的空气流量，Nm3/h；空压机的压缩比；R气体常数；、T、P、Pb 分别为实际进气状态下空气的相对湿度，%；温度，；大气压力（绝对），Pa；饱和蒸汽压（绝对），Pa；下标有“0”的符号表示进气条件为初始状态下的参数。对于湿空气的气体常数计算方程：/RRxRx1GST=+()（7）式中 RST湿空气气体常数 461.8，J/（kg K）；RG干空气气体常数 287.1，J/（kg K）；x含湿量，g/kg。装置运行地塔河油田极端最高气温 41，极端最低气温-28，夏季最热月平均最低气温为 20，平均最高气温 33，昼夜温差达 13 20，全年平均相对湿度 42%6。由于相对湿度和大气压力单日内变化较小，按昼夜温差为气体状态单一变量进行分析。假定昼夜温差 20 时，气温在 18 38 之间变化，已知参 数 压 缩 比 0=10.2，P=88 kPa，设 计 进 气 温 度33，根据式（7）计算得出 R0=292.78 J/（kg K），R1=293.17 J/（kg K），R2=288.041 J/（kg K）；根据式（6）计算得 1=11.29，2=0.992，0/1=1.066，0/2=0.992。令11033aa=+()代 入 式（5）解 得 1=1.09，2=0.98。根据以上分析可知，在塔河地区昼夜温差20 下，以温度为单一影响因素，空压机的流量在0.98 QN0 QN 1.09 QN0之间变化，昼夜流量差为1 650 Nm3/h，流量波动范围为 11%，对于整个空分装置工艺过程的影响是不可忽视的，必须通过控制手段予以调节，以保证装置的工艺平衡过程稳定。相较于冬夏季节温度的变化，沙漠地区昼夜温差大的特点对空压机的稳定运行影响更大，为了保持流量、排气压力稳定，空压机进口导叶将频繁调整，动作的频率将远高于温差小的地区。2.2 沙尘暴天气的影响及应对措施6化 工 与 医 药 工 程第44卷第1期2023年2月出版Chemical and Pharmaceutical Engineering 2023，44(1)粉尘是沙尘暴天气影响空压机正常运行的主要原因，粒径大于 4 m 的颗粒在高速气流携带下便能对叶轮表面造成磨损，随之破坏动平衡造成振动超标，此外若过滤器阻塞导致吸入量减少到喘振流量以下，则会引起离心式压缩机的喘振。因此在春秋沙尘暴频发的季节，进气空气的除尘效果直接影响空分装置的稳定运行。大型空分装置多采用自洁式空气过滤器，这种过滤装置属于干式过滤器的一种，其优点是过滤面积大、阻力低、精度高，尤其在干旱地区适用 7。目前自洁式过滤器颗粒粒径大于 2 m 的过滤效率可达到 99.95%，初阻力一般在 100 kPa，终阻力小于1 200 kPa，可通过定时控制和压差控制两种模式自动完成反吹。本套装置的空压机单台空气流量为 15 000 Nm3/h，考虑到沙尘暴天气因素，应用了三个方面的措施，第一是在空气过滤器选型配套上增加了富裕量，选配 ZKG-650 型过滤器配 35 只滤筒，处理量约为 39 000 Nm3/h，实际处理量大于进口流量的 2.5 倍；第二是采用干燥氮气作为反吹气源，自洁反吹气压力为 0.48 MPa，根据运行状态反吹气压力最高可提升至 0.7 MPa；第三是根据沙尘暴强度的实际情况，若过滤阻力持续高位（1 200 Pa）运行，通过 PLC控制隔膜电磁阀缩短反吹间隔时间，保证滤筒表面浮尘的清除速率。2.3 冷却塔冬季运行的防冻问题空分装置中循环水通过水冷却塔进行降温，塔河油田地区冬季极端最低温度达-28，必须从设计、运行管理方面考虑水冷却塔防冻问题。水冷却塔通常分为闭式水冷却塔和开式水冷却塔两种主要形式 8。开式水冷却塔运行中只要确保填料上的淋水密度，就不容易发生结冰，但考虑到塔河风沙天气多，若使用开式冷却塔会将沙尘带入循环水系统，造成过滤器堵塞、水泵叶轮腐蚀等问题，综合比较本套空分装置设计采用闭式水冷却塔。闭式水冷却塔循环水封闭运行，能够保证循环水的水质不受影响，缺点是若空分装置冬天长时间停机，为防止循环水在盘管中结冰膨胀，导致盘管冻裂，就必须要迅速排空管线中循环水，造成循环水损失浪费。在冬季运行中，需要保证循环水在盘管中的流速流量，以防止结冰；另外，可在闭式水冷却塔循环水进出管线设置旁通管，冷却塔盘管冻裂或停机检修时，循环水通过旁通循环，不影响正常运转。3 结束语高海拔沙漠地区的空分装置，其运行地区环境条件（海拔、气候）是对运行稳定的主要影响因素，本文通过计算定量分析探究了大气压、昼夜温度变化以及沙尘、寒冷天气对空分装置运行的影响，同时给出了相应的应对措施。（1）高海拔地区大气压降低，对空压机选型时必须以实际空气进气状态下空压机额定流量折算成标准状态进气下的流量为依据，否则或出现空气流量低于工艺设计需求的情况。（2）沙漠地区昼夜温差变化大，进气条件对空压机的空气流量影响大，为保持排气压力及流量，空压机 PLC 控制系统会控制进口导叶开度频繁变化，对可调导叶的可靠性及耐久度要求高，是检维修的重 点。（3）沙尘暴天气主要考验干式空气过滤器的处理及自洁能力，通常将沙漠地区空气过滤器的更换周期缩短一半。（4）冬季严寒天气下空分装置开车前、停车后，必须注意水冷却塔的防冻，冻害部位主要在循环水盘管内。在类似环境条件下建设空分装置应对文中所述情况给予充分考虑。参考文献 奚闻隆.空分装置产品及氮气供应流程优化分析 J.炼油与化1 工，2019，30（2）：16-17.任佳叶.空分装置工艺流程选择及安全生产管理 J.化工管2 理，2018，33（18）：73-74.努尔比亚 吐尼牙孜，希热娜依 铁力瓦尔迪，王保鑫.3 19612018 年塔里木盆地气温时空变化特征 J.陕西气象，2021，64（2）：24-31.疏仁扬.空气湿度对空压机排气量计算的影响 J.压缩机技4 术，1975，13（4）：30-32.徐福根，朱挺声，裘井民，等.降低进口温度与湿度增加空压5 机风量的理论与实践 J.江西能源，2005，22（4）：19-22.马志福，谭芳，候勤东.塔克拉玛干沙漠地区温压湿分布规律6 研究 J.中国沙漠，2000，20（3）：58-61.周鑫宝，欧阳明辉.自洁式空气过滤器在特殊天气条件时的应7 用 J.深冷技术，2007，47（6）：34-37.陈文涛，王靖.严寒地区冷却塔防冻设计方案 J.天津化工，8 2015，29（3）：39-42.7车豪，等.深冷空分装置在高海拔沙漠地区应用存在的问题及应对措施Problems and Countermeasures of Cryogenic Air Separation Unit Applied in High Altitude Desert AreaChe Hao,Zhang Lei（Sinopec Northwest Oilfield Company,Luntai,XinJiang 841600,China）Abstract:Aiming at the application of cryogenic air separation unit in high altitude desert environment,based on the design and construction process of a newly built air separation unit,the influences of atmospheric pressure,diurnal temperature difference,sand dust and other factors on the operation of cryogenic air separation unit were quantitatively analyzed through theoretical calculation.The results showed that altitude and diurnal temperature difference would lead to the change of operating conditions,while sandstorm and low temperature would also affect the stable operation of the unit.To provide suggestions for the construction of similar devices under similar condition.Keywords:air separation unit;desert;stable operation8化 工 与 医 药 工 程第44卷第1期2023年2月出版Chemical and Pharmaceutical Engineering 2023，44(1)