资源描述
*安装运转*空分设备主换热器热端温差的控制及意义 周 尤 刚。王 承杰(武 汉钢 铁集 团氧气有限责任公 司,湖北省武 汉市青山区 白玉山4 3 0 0 8 3)摘 要:减 小 主换热 器 热 端 温差 是 减 少空 分设 备 冷损,进 而 降低 空分 设 备 运 行 能耗 的 关键 因 素。叙 述 了武钢 氧 气公 司 3 0 0 0 0 m。h空分 设备 和 6 0 0 0 0 m。h空分设 备 主换 热 器热 端 温差 的控 制 方法,分析 了两 种 控 制 方 式 的 优 缺 点,并 阐述 了减 小 热 端 温 差进 而 减 少 热 交 换 不 完 全 冷损 的 意义。关键 词:空分设备;换热 器;热端 温差;热交换 不 完全冷 损 中图分类 号:T Q1 1 6 1 1 文 献标 识码:B Co n t r o l o f t e mp e r a t u r e d i f f e r e n c e a t h o t e n d o f ma i n h e a t e x c h a n g e r o f a i r s e p a r a t i o n p l a n t a n d i t s me a n i n g Z h o u Yo u g a n g,W a n g C h e n g j i e (Ox y g e n C o,Lt d,Wu h a n I r o n a n d S t e e l Gr o u p,Ba i y u s h a n Qi n g s h a n Di s t r i c t,W u h a n 4 3 0 0 8 3。H“b e i P RC h i n a)Abs t r a c t:De c r e a s i n g t h e t e mp e r a t u r e d i f f e r e nc e a t h o t e nd o f ma i n h e a t e x c ha ng e r i s t h e k e y f a c t o r t o d e c r e a s e t h e c o l d l o s s a n d i n t u r n t h e e ne r g y c o ns u mpt i o n o f a i r s e p a r a t i o n p l a n t Th e me t h o ds t o c o n t r o l t he t e mp e r a t u r e di f f e r e n c e a t h o t e n d o f m a i n he a t e x c ha ng e r o f 3 0 00 0 m h a n d 6 00 0 0 m h a i r s e p a r a t i o n pl a n t of Ox yg e n Co Lt d,W uh a n I r o n a n d St e e l Gr o up a r e d e s c r i be d,t he a d v a nt a g e s a nd we a k ne s s e s o f t h e b ot h c on t r o l me t h o d s a r e a n a l y z e d,a n d t h e me a ni ng o f l owe r i n g t h e t e mp e r a t u r e di f f e r e n c e a t h o t e nd f o r d e c r e a s i n g t he c o l d l o s s du e t o i n c o mpl e t e h e a t e x c h a n g e i s e x p l a i ne d Ke y wo r d s:Ai r s e p a r a t i o n p l a nt;He a t e x c h a n g e r;Te m p e r a t ur e di f f e r e n c e a t h o t e nd;Co l d l o s s d u e t o i n c o mpl e t e he a t e xc h a n g e 前 言 空分 设备 主换 热器 热端 温差 是指 正 流加工 空 气 在 进入 主换 热器 时的 温度 与返 流 的污氮 气、产 品氧 气、产品氮 气 出主换热 器时的温度 之差。一般来 说,预冷 系统带 有 冷 冻 机 的 全 低 压 流程 空 分 设 备,正流 加工 空气 出分 子筛 吸附 器进 主换 热器 时 的温度 基本保持不变。热端温差 的扩大就意味着返流气体 跟正流加工空气复热后出主换热器的温度较低,冷 量 回收 不 充 分,整 套 空 分 设 备 的 复 热 不 足 冷 损 增 加。因此为了维持整套空分设备的冷量平衡,就必 须通 过增 加膨 胀 空气量 的方 式来 增加 冷量,从 而导 致氧 气 提 取 率 下 降、氧气 产 量 减 少、制 氧 单 耗 上 升、空分设备能耗增加、液体产品产量下降。因此,在 满足 空分 设备 安全、稳 定运行 的前提 下,尽可 能地 减小 主换 热器 热端 温差,对 减少 空分 收稿 日期:2 0 1 0 0 3 1 7 作者简介:周尤刚,男,1 9 7 5年生,大专,现为武汉钢铁集 团氧气有 限责任公 司运行五车间空分 乙班班长。4 9 设备的冷损、降低能耗具有现实意义,也是从事空 分设 备运 行操作 人员 的重 点工作 之一。1 主换热器热 端温差 的控制方法 目前,大型 空 分设 备 均 采 用分 子 筛 吸 附净 化、带增 压膨胀 机 的工艺 流程,其 主换热器 为非 切换式 板 翅式换 热器。由于不再 担负 自清 除功能,只起换 热作用,主换热器只是根据污氮气、产品氧气、产 品氮气的热负荷大小,在各 自的大型板翅式换热器 组并 联 布置,与正流 加工 空气、增压 空气进 行换热 而设计 制 造 的。主换 热 器 可 分 为:污 氮 主换热 器、产 品氧 主换热器、产 品氮 主换热 器。由于其 内部通 道减少,为主换热器的制造提供了方便,同时也为 更好地控制其热端温差创造了条件。武汉钢铁集 团氧气有限责任公司(以下简称:武钢氧 气公 司)为 了满足 武钢 的发展 规划 和主体 厂 对 氧、氮、氩气 日益 增长 的需求,于 2 0世 纪 9 0年 代初从林德公司引进 了 2套采用分子筛 吸附净化、增 压膨胀 流程 的 3 0 0 0 0 m0 h空 分设 备,于 2 0 0 4 2 0 0 8年又陆续从林 德公 司引进 了 4套采用分子筛 吸附净化、增压膨胀流程的 6 0 0 0 0 I 1 3 h空分设备。相对 3 0 0 0 0 m 0 h空分设备 而言,6 0 0 0 0 r n 0 h空分 设 备 的工艺 流程 和控制 调节方 式有 了较 大的改进 和 提高,其 中,主换 热器热 端温 差 的控 制方 式和 手段 有 了明显 的改进。1 1 3 0 0 0 0 m0 h空分设 备主换 热器 热端温 差控 制 武钢氧气公司 3 0 0 0 0 m3 h空分设 备主换热器 采用多组并联、紧凑式、高效大型板翅式换热器,进气布置方式为热端在上、冷端在下。其中,产品 氮主换 热器 E 3 1 1 9 A C 3个 单 元 为 1组,产 品 氧 主换 热器 E 3 1 1 8 A C 3个 单 元 为 1组,污 氮 主 换 热器 E 3 1 1 7 A F 6个 单 元 分 为 2组。在 每 一 组 主 换热器正流空气入 口总管上均设置一个远程控制阀 门HCV3 9 1 0、TC V3 9 1 0、TCV3 9 1 1、TCV3 9 1 2。在每一 组主换 热器 增压 空气入 口总 管上均设 置 一个 手动 控 制 阀 门 3 9 6 1、3 9 6 2、3 9 6 3、3 9 6 4,这 些 阀 门 的阀芯均 带有一 定大 小 的孔,因此 只 能起 到 量的 调节 控制作 用,不 能起 到切 断作用。增压 空气 经过 两个水冷却器即普冷水冷却器和激冷水冷却器冷却 后,进入 主换热器。其 流程如 图 1所示。氮气 氧气 污氮 污氮 l J I J I J 求 子筛-q T 1 3 9 3 0-t T 1 3 9 2 0 I-t T|3 9 2 5 I -t T 1 3 9 2 6;嗷附 至弋 一 I T CV 3 9 1 0 I,T C V 3 9 1 1 l 17 c v 3 9,2 I 引。,3 9 6 3 3 9 6 4 l 匝 匝 晒 匝 至 T 3 2:去膨胀机 I 一 a 激 冷 水 冷 却 器 l T I3 1 0 5 I 九三兰三 蜘 图 1 3 0 0 0 0 m。h 空分设备主换热器流程图 对主换热器热端温差的控制,在正常生产过程 中,操作 人员根 据实 际工况,通过 观察产 品氮 主换 热器 E 3 1 1 9 AC中返流产 品氮气出主换 热器 的温 度 TI 3 9 3 0 和 正 流 加 工 空 气 进 主 换 热 器 的 温 度 TI 2 6 1 5两 者 之 间 的 温 差,操 作 远 程 控 制 阀 门 5 0 HC V3 9 1 0,对 进入 主换 热 器 的正 流 空 气 量 进 行 调 整,使其热端温差在兼顾其他方面的情况下尽可能 缩小,从而 得 到 一 个 产 品 氮气 出 E 3 1 l 9 A C的温 度 TI 3 9 3 0最 佳值。以这 个 值 为基 准,将 其 分 别 引 到产 品氧 主换 热 器 E 3 1 l 8 AC入 口空 气 温差 控制 阀的控 制 器 T DI C 3 9 1 0和 污 氮 主 换 热 器 E 3 1 1 7 A C、E 3 1 1 7 D F 入 口 空 气 温 差 控 制 阀 的 控 制 器 T DI C 3 9 1 1、T DI C 3 9 1 2中,再分 别 与产 品氧 出主换 热器 E 3 1 1 8 Ac的温度 TI 3 9 2 0和污氮出主换热器 E3 1 1 7 A C、E 3 1 1 7 D_F 的 温 度 TI 3 9 2 5、TI 3 9 2 6 进 行 比较。在 温 差 控 制 器 T DI C 3 9 1 0、T DI C 3 9 1 1、T DI C 3 9 1 2设 定 值 为“0”的 情 况 下,分 别 对 正 流 空 气 阀 门 T C V3 9 1 0、TC V3 9 1 l、T C V3 9 1 2进 行 控 制,通过 对 进 入 产 品 氧 主 换 热 器 E 3 1 1 8 AC和 污 氮 主 换 热 器 E 3 1 1 7 A C、E 3 1 1 7 D F正 流 空 气 量 的调节,使 产 品氧气 出 主换 热 器 的温 度 TI 3 9 2 0和 污 氮气 出主 换热 器 的温 度 TI 3 9 2 5、TI 3 9 2 6与产 品 氮 气 出主换热 器 的温 度 TI 3 9 3 0一 致,从 而 将 主 换 热器热端温差控制在操作人员认为的最佳范围内。在整 个 控制过 程 中,还 需 根据 实际 工况,在 兼 顾各主换热器正流空气 阀门开度一致和增压空气出 主换 热 器 温 度 TI 3 1 1 2、TI 3 1 1 1、TI 3 1 1 0、TI 3 1 0 9 基本 相 等 的 情 况 下,通 过 手 动 阀 门 3 9 6 1、3 9 6 2、3 9 6 3、3 9 6 4,调节 进各 组 主换 热器 的增 压空气 量。3 0 0 0 0 m h空 分 设 备 主 换 热 器 的 热 端 温 差 控 制方 式 比较 简单、明确,特 别是 采用 温差 控制 器对 产品氧、污氮主换热器热端温差 的控制,使操作人 员通 过温 差控制 器一 眼就可 以直 观看 出该 组换 热器 热端温差的实际情况,以便进一步进行调节。但也 存 在着 许多 不足:采用 温差 进 行控 制,由于 温差 控制范 围小,在实际控制 中基准温度和调节温度均 会 发生 变化,导 致温 度 自动调 节难 以稳 定;增 压 空气出主换热器温度的调节采用手动阀门控制,在 进 行最 大液 氧生 产工 况 与气氧 生产 工况 互相 转换 的 变 工况 过程 中,由于 膨胀 空气 量不 同导 致增 压空 气 出主换 热器 温度发 生 变化,从 而影 响热 端温 差 的控 制,操作 人 员必须 到 现场 对增 压空 气进 主换 热器 的 手 动 阀门开度 不 断进行 调节,给操作 人 员在控 制 操 作上增加 了难度;返流产品氧气、产品氮气 出主 换 热器后 在各 个单 元 上没有 阀门控 制,在实 际运 行 过程 中,会造成各个单元热端温差大,不能充分发 挥各单 元 主换 热 器效 率;增 压 空 气 采用 普 冷 水、激冷 水两 次冷 却,其进 入主 换热 器 的温度 随着 激 冷 水冷 却器 换热 效率 和激 冷水 流量、温 度 的变化 而变 化,影 响 较大,与 正流 空气 温度 相差 较大,给 实 际 判断主换热器热端温差大小带来 了困难。1 2 6 0 0 0 0 m 0 h空分 设备 主换 热器 热端 温差 控制 武钢氧气 公司 6 0 0 0 0 m 3 h空 分设备 主换 热器采 用多组并 联、紧凑 式、高 效 大 型板 翅 式换 热 器,进 气布置方式为热端在上、冷端在下。其 中污氮主换 热器 E 3 1 1 7 A C 3 个 单 元为 1 组,产 品氧 主换 热器 E 3 1 l 8 A 3个 单 元 为 1组,产 品 氮 主 换 热 器 E 3 1 1 9 C 3个单 元 为 1 组,在 每 一 组 主换 热 器正 流空 气 入 口总 管 道 上 均 设 置 一 个 远 程 控 制 阀 门 Hv 3 9 0 l、F V 3 9 0 2、F V 3 9 0 3。在每一组 主换热器增 压空 气 入 口总 管 上 均 设 置 一 个 远 程 控 制 阀 门 T V 3 1 1 1、HI C 3 9 1 2、T V3 1 1 3。另 外,在 每 一 组 的每 一个单元返 流气 出主 换 热器 管 道上 均设 置一 个 手动 阀 门 3 9 1 7 一 C、3 9 1 8 一 C、3 9 1 9 A C,这 些 阀 门 也均带 有一 定大 小 的孔,只能 起 到量 的 调节 控制 作 用,不能起到切断作用。增压空气是先经过一个普 冷水冷却器 E 3 4 2 1 冷却后,再经过一个板翅式换热 器 E 3 4 2 9,与出分子筛 吸附器进增压机 的空气进行 换热,冷却后进 主换热器。其流程 如图 2所示。对 主换 热器 热端 温差 的控 制,在正 常生 产过 程 中,操作 人 员根 据实 际工 况,通过 观察 污氮 主换 热 器 E 3 1 1 7 A C 中 返 流 污 氮 气 出 主 换 热 器 的 温 度 T I 3 9 2 6和正 流加 工 空 气进 主 换 热 器 的温 度 TI 2 6 1 5 两者 之 间 的 温 差,再 操 作 远 程 控 制 阀 门 HV 3 9 0 1,对进主换热器的正流加工空气量进行调整,使其热 端温差 在兼 顾 其他 方 面的情 况 下尽 可能缩 小,从 而 得 到 一个 污氮 气 出 E 3 1 1 7 A C的温度 T I 3 9 2 6的理 想值。以这个值 为基准,将 其分别 引到主换 热器 E 3 1 1 8 A C的产品氧气出 口温度控制器 TI C 3 9 2 0、主换热 器 E 3 1 1 9 A C 的产 品氮 气 出 口温 度 控 制 器 TI C 3 9 3 0中,作为 温度 设定 值;然后 再分 别 由这 两 个温度 控制 器根 据所 测 的实 际温度 与设 定值 的偏 差 大小,对 进 入 主 换 热 器 E 3 1 1 8 A C、E 3 1 1 9 A C 的正流 空 气 流量 控 制器 F I C 3 9 0 2、F I C 3 9 0 3的设 定 值进 行 修 正,通 过 空 气 流 量 控 制 阀 门 F V 3 9 0 2、F V3 9 0 3对进 入 主 换 热器 E 3 1 1 8 A C、E 3 1 1 9 AC 的 正流 空气 量进行 调 节。同时,当工况 发生较 大 变 化,需加 大 调 节 幅度 时,可 通 过 手 动操 作 控 制 器 HI C 3 9 0 2 3、HI C3 9 0 3 3,直接对 FI C 3 9 0 2、F I C 3 9 0 3的设定 值 进行 调节,使 产 品氧 气、产 品氮 气 出主换 热器 的温 度 TI 3 9 2 0、TI 3 9 3 0与 污氮 气 出 主换 热 器的 温度 TI 3 9 2 6一致,控 制在最 佳 范 围 内。51 来自分子筛 吸附器空气 去增援机,l 39 18 A-C 3 9 1 7 A-C J l l-T I 3 9 1 8 A-q v 3 9 M?7 v 3 9 o 2 I T V 3 1 1 3 去 膨 胀 机 亘 E 3 4 2 l 来 自增压 氮气!Q 3 9 J 9 A一(:【T1 3 9 1 9 A l 二 二=二 机 空 气 一 图 2 6 0 0 0 0 m。h空分设备主换热器流程图 在 对整个 热端 温差进 行控制 的过程 中,首先要 根据实 际情况 并结合 操作 经验,通过对 产 品氧主换 热器 E 3 1 1 8 A C的增 压空气 远程控 制 阀门 的调整,以确 保 增 压 空 气 出 主 换 热 器 E 3 1 1 8 A C 的 温 度 TI 3 1 1 2处于最佳控制范 围内,再将这个温度值作 为基准 分 别 引人 主 换 热 器 E 3 1 1 7 AC、E 3 1 l 9 A C增 压空气 温度控 制调 节器上 作 为其设 定 值,并 通 过 这 一 设 定 值 控 制 增 压 空 气 进 入 主 换 热 器 E 3 1 1 7 AC、E 3 1 1 9 A C 的 温 度 控 制 阀 门 开 度,从而确保增压空气出各组主换热器的温度一致。同 时,操作人员也需要根据各主换热器返流气体的实 际 温 度 TI 3 9 1 7 A C、TI 3 9 1 8 A C、T1 3 9 1 9 AC 与出分 子 筛 吸 附 器 进 主 换 热 器 的 正 流 空 气 温 度 TI 2 6 1 5的 温 差,通 过 手 动 调 节 阀 门 3 9 l 7 A C、3 9 l 8 A C、3 9 1 9 A C,使主 换 热器 各 单 元热 端 温 差尽可 能缩小,为有 效地 控制空 分设备 主换 热器 热 端温差在最小范围内创造有利的条件。6 0 0 0 0 m h空 分 设 备 主 换 热 器 热 端 温 差 的控 制方法与 3 0 0 0 0 1T 1 0 h空分设备 主换热器热端温差 的控制 方法相 比,前 者 自动控制 技术更 加可靠,控 制手段 也更加 完备,主要 表现在 以下几 方面:将 返 流气 出 口温 度与所需 要达 到 的出 口温 度 的偏 差转 变为进入正流空气流量的设定值,使其 自动控制值 的范围增大,变化反应迅速,有利于 自动控制的稳 定;在 增压 空气 入 口管 道 上 装有 自动 控 制 阀 门,使 增压 空气 出主换热 器温度 趋于 一致并 且稳定,有 5 2 利于在空分设备变工况生产过程 中对主换热器热端 温差的控制;在主换热器各单元返流气出口管道 上均装有手动控制阀,可依据实际情况调整各单元 热端 温差,有 利 于 精 确 调 整 整 个 主 换 热 器 热 端 温 差;采用了换热效率较高的板翅式换热器,利用 从分子筛吸 附器 出来作增压膨胀空气 的空气 为冷 源,冷却 进 主换 热器 的增压 空气,使增 压空 气温度 与加工 空气进 主换 热 器 的温 度 基 本 一致 并 且 稳定,有 利 于主换热 器热 端温差 的有效 控制。1 3 主换热 器热端 温差控 制 需要注 意的 问题(1)操作人员必须认真掌握、应用控制方法和 控制手段,要根据实际工况进行认真分析,及时修 改 控制 范围,以使 主换热器 热端 温差尽 可能 缩小。(2)加强 测量设 备和 自动控 制系统 的维 护,确 保 测量数 据准 确和 自动控制 系统 的可靠 性。(3)要加 强增 压空气 水冷却 器 的维护,确保其 冷却效果达到要求,并严格防止其泄漏,以免造成 主换热 器堵塞。(4)加强 分子 筛吸 附器 的使 用、维护工 作,确 保 吸 附效 果正 常,防止水分 或二 氧化碳 被带 入主换 热 器,影 响其换 热效 果。(5)定期对 主换 热器进 行加 热,提 高其 换热效 率。(6)充分发挥空分设备过冷器的作用,提高返 流 气进 主换热 器 的温度。2 控制空分设备主换热器热 端温 差的意义 空分设备热交换不完全冷损即复热不足冷损是 整套空分设备冷损的主要因素,占空分设备冷损的 5 0 以上;而且空分设备规模越大,热交换不完全 冷损 所 占 比例 越大。热交换 不 完全 冷损 是 由返流 低温 气体 在 出主换 热器热端时不能复热到正流空气进主换热器的温度 引起 的。因此返 流气 体 与正 流空 气换 热时,其 主换 热器热端温差越大说明复热越不足,未被利用的冷 量越多,热交换不完全冷损就越大,热端温差每扩 大 1 ,热交换 不 完全 冷损 将 增 大 1 3 1 k J m0,空 分设备的总冷损增加 1 0 以上。因此热交 换不完 全冷损 与热端 温差 成正 比。尽 可 能地 将 空 分设 备 主 换 热器 热 端 温 差 减小,是减少空分设备热交换不完全冷损、增加空分设备 液体产品、降低空分设备能耗的一个关键措施,也 是反映一名空分设备操作人员的技术素质和责任心 的一 个主 要环 节,具有 十分 重要 的经 济意 义 和深远 意义。以武 钢 氧 气公 司 1 套 6 0 0 0 0 r r l h空分 设 备 为 例进 行 计 算。在 标 准 工 况 下:加 工 空 气 量 为 3 0 0 0 0 0 I T I h,现将 主换 热 器热 端温 差 在原 有基 础上再减小 0 5,根据复热不足冷损经验计算公 式:Q=V CAt 进行计算,其 中 C(热交换不完全 冷损)=1 3 1 k J (m0 ),A t=0 5,则 每 小 时可 减少 冷损:Q:3 0 0 0 0 01 3 10 5=1 9 6 5 0 0 k J。以每 度 电 0 5元 计 算,一 年 可 节 约 电 费:1 9 6 5 0 03 6 0 02 43 5 00 5=2 2 9 2 5 0元。3 结束语 控制空分设备冷损是降低空分设备能耗、提高 空 分设 备经 济效 益 的重要 措施,而控制好 主换热 器 热端温差是减少空分设备冷损的关键。今后将结合 实际,不断优化操作控制方式,努力将空分设备主 换热 器 热端 温差 控制 在最 小范 围 内,尽 可能地 提高 空分设备 的经济效益。参考文献:1 汤学忠,顾福民 新编制 氧工问答 M 北京:冶金 工、出 版 社,2 0 0 4 美 国空气化工产 品公 司启用全新的清洁能源燃烧 实验室 2 0 1 0年 7月 2 9日,美 国空 气化 工产 品公 司 在位 于美 国宾夕法尼亚州 的总 部启用 了一个 全新 的清洁 能源燃烧 实 验室。这是一个现代化 的大 型实验 室,能提 升美 国空气 化 工产品公司作为世界 级燃烧 技术提供 商 的市场 地位。这 个 先进的实验室将用于 测试,以证明美 国空气 化工 产品公 司 的工业气体和应用技术 如何 帮助客户 提高 能源效 率并减 少 污染物排放。该实验室 目前可使美 国空气 化工产 品公 司具有 展示 和 优化各 种燃 料和气化 的能 力,这些燃 料 包括煤、焦油、生 物质、从轻质燃料 油到重 质燃料 油的各 种液 态 油、生物质 液态油和其他替 代燃料,以及各 种气态 燃料。该实 验室 的 另一大主要 用途 是测 试各 种煤 在 富氧燃 烧 模式 下 的效 率,展示美 国空气化 工产 品公 司在发 电厂 中二氧化 碳 回收方 面 的能力。实验室将 向客户 展示使 用美 国空 气化 工产 品公 司 各种燃烧技术可获得 的效 率、生产能力和环境效益。该实验室是设计 用于对公 司所服 务 的传统 和新型应 用 市场进行富氧燃烧 和先进 燃烧器 燃烧 的试 验。目前 富 氧燃 烧 已广泛应 用于 包括 玻璃、金属 和 冶炼 在 内的 多个 行业,与空气燃烧相 比,它具有诸 多优点,比如更 高的生产效率、更低的排放。富氧燃烧 亦对快 速增长 的可再 生燃料 气化 和 直接燃 烧应用方面起 到关 键作用。这 些可 再生 燃料,如 市 政固体废物和生物质等,可用来发 电和高温生产工艺。美国空气化工产品公 司在新 兴富 氧燃烧 的二氧 化碳 回 收技术 领域 是获得广 泛认 可的领导者。其 富氧 燃烧技 术及 独特 的压缩 和纯 化系统 可 以提 供一体 化的 解决方 案,能够 使煤发 电更 加经济,并使 生成 的二氧化碳 达到碳 捕集 与封 存或激产采油所要 求 的纯度。富 氧燃烧技 术可 应用 于新建 的超临界发 电厂,亦 可为 现有燃煤 或燃油 发 电厂提供 改造 解决方案。本 刊 5 3
展开阅读全文