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摘要：煤化工项目通常需要配套大型空分装置，为气化炉提供高压氧气、氮气等，是煤化工产业链稳定运行的前提。下游配套煤气化装置的气化炉对氧气管网压力稳定的要求高，这对单系列空分装置供氧稳定性提出了更高的要求。在工程建设前期的设计阶段，探讨高压氧气管网压力稳定的设计优化的方向和稳压措施，通过对不同工艺流程和缓冲设备的对比分析，提出针对单系列空分装置氧气管网压力稳定的措施。
关键词：空分装置；氧气管网；稳压措施
0引言
由于煤化工装置具有对氧气的需求量大且生产连续的特点，通常需要配置大型空分装置以及相应的氧气后备系统，以保证氧气的稳定供应。多系列空分装置群中，若一套装置停车，可通过其他装置增加氧气量或调节氧气放空来补充，但单系列空分装置只有通过设置完善的后备系统来补充。对于氧气后备系统来说，由于氧气加压气化需要一定响应时间，如果设计不合理将导致后备系统与空分装置不能有效衔接，造成氧气压力波动，严重时影响下游装置的稳定生产。因此，如何保证单系列空分氧气管网压力的稳定显得尤为重要。
1某大型空分装置简介
某大型煤化工项目拟配套建设一套制氧量(标准态)为50 000 m3/h空分装置，该装置为下游装置提供5.5 MPa高压氧气、0.8 MPa低压氧气、0.8 MPa低压氮气、0.4 MPa低低压氮气及相应的仪表风和工厂风。该装置拟采用常温分子筛吸附净化，空气增压，氧气、氮气产品内压缩流程，规整填料上塔和全精馏制氩工艺流程，空压机组电机驱动。后备系统配置液氧、液氮、液氩储存及装卸设施，设置相应的氧气、氮气加压气化系统。空分装置的产品设计如表1所示。
该大型煤化工配套空分装置当前处于设计阶段，随着设计的深入，对装置的各项工艺和配置情况进行了优化。通过与设计院、空分成套设备专利商交流，调研分析国内大型空分装置的工艺流程选择、运行优化改造等，对本项目氧气系统方案设计进行了分析比选，旨在提升氧气管网压力稳定性，保证下游氧气用户正常生产。
2氧气系统优化
根据项目总图装置布局，氧气管道长约800 m、管径DN250(初步估算)，容积约35 m3，氧气管网实际操作压力按5.5 MPa计，管道阻力降按0.1 MPa计。根据估算，后备系统氧气全量供出时间约120 s[1]。若不设置氧气缓冲系统，氧气系统管网压力从5.5 MPa降至4.5 MPa(保证下游气化炉不停车)时间约25 s，即空分装置停车或氧气中断25 s时，后备系统正在响应中，而气化炉已因氧气压力低而联锁停车。
一个合理可靠的后备系统相当于备用一套空分装置，对空分装置氧气的稳定供应极为重要，尤其是单系列空分。由于后备系统响应时间长，无法保证氧气的有效衔接，因此在设计阶段对氧气系统进行优化设计显得尤为重要。为保证氧气供应的连续稳定，可从总图布置、流程设计和缓冲措施三个方面考虑。
2.1总图布置
通过合理设计，适当增加空分与气化装置的管道距离、合理增大氧气管道管径，以扩大管道的体积容量，增强氧气系统的缓冲能力。
2.2流程设计
对单系列空分装置，为保证氧气供应，可采用“罐后流程”，如图1所示，即空分主冷液氧先全部进入液氧罐，液氧泵(2×50%)设置在后备系统，正常时液氧泵将高压液氧送至空分高压板换复热后送出界区；空分故障或跳车时，液氧切换至水浴式汽化器复热后送出。采用此流程时，后备系统液氧泵与工艺液氧泵共用，且始终运转，后备启动时仅需切换阀门即可。与常规流程相比，罐后流程可节约后备液氧泵惰转时的液体消耗和电能消耗，可实现后备氧气更快切换，提高供氧系统的稳定性和可靠性。
此外，在氧气放空流程上，由于全流量放空阀在小开度下运行，可能出现阀位振荡引起氧气管网压力波动，可采用大放空阀与小放空阀相结合的方式，以实现不同放空流量下氧气管网压力稳定。
2.3缓冲措施
若采用“罐后流程”和氧气管网扩容，仍不足以稳定氧气管网压力，此时可考虑设置氧气缓冲罐、管道缓冲器等设备，增强氧气系统的缓冲能力。调研6家空分工厂，配置氧气缓冲系统的情况如表2所示。
为保证液氧后备系统响应期间氧气管网压力的稳定，在管道缓冲能力不足时，需要增加一套缓冲系统，在氧气管网压力降低时自动补充。由图2可知，从常规设计及现有投产的装置来看，缓冲系统维持合理压力降时间在120 s以上即可。
工业上常用以下3种方式进行氧气系统缓冲稳压。
(1)增加等压液氧罐
增加与主氧气管网压力相等的液氧罐及相应的气化器，该缓冲罐适用于中低压氧气流程。由于本项目氧气操作压力为5.5 MPa，超过氧气临界压力5.04 MPa，罐内压力无法控制，因此不适用。
(2)增加等压氧气缓冲罐
增加与主氧气管网压力相等的氧气缓冲罐。对于本项目来说，经过初步计算，增加约150 m3、5.5 MPa(与主氧气管网压力相等)氧气缓冲罐[2]，氧气管网压力从5.5 MPa降至4.5 MPa压力降缓冲时间可扩大到130 s。
(3)增加超高压氧气缓冲罐
增加超高压氧气缓冲罐及相应的氧气加压、气化系统。对于本项目来说，增加30 m3、10.0 MPa高压氧气缓冲罐及相应的氧气加压系统，氧气管网压力从5.5 MPa降至4.5 MPa压力降缓冲时间可扩大到140 s。
等压液氧罐制造难度较大(压力超过氧气临界压力5.04 MPa时不适用)，设备投资高，且需一定的响应时间，但此种配置简单可靠，对于氧气操作压力低于临界压力以下的(如氧气需求压力为3.0 MPa的EO/EG等装置)装置可采用此种配置。等压氧气缓冲罐配置较为简单可靠，但由于储存压力与操作压力相等，因此需要更大的容积，占地面积也更大。超高压氧气缓冲罐配置复杂，需要有相应的加压设备、高压储存罐及减压阀等，但通常可以节约占地面积。以上3种缓冲系统优缺点对比如表3所示，具体选择需根据流程计算出的缓冲罐容积，若容积较大则会导致占地面积大、投资高等不利因素，因此需要综合考虑，经计算后方可确定。
3分析与讨论
由于本项目为单系统空分装置，对氧气稳定供应要求较高，需配置相应的后备氧气缓冲系统。结合技术特点和项目实际，经初步计算，等压与超高压缓冲系统设备投资基本相当，但等压氧气缓冲罐更简单可靠，超高压缓冲系统需要增加相应的加压泵、气化器、阀门及仪控系统，结构及控制相对复杂。结合氧气流程设计，选用“罐后流程”+等压氧气缓冲罐，能够最大限度降低氧气管网压力波动，满足项目下游氧气用户的要求。
此外，罐后流程较常规流程可减少一台液氧泵使用，在设备总投资上较常规流程略低，但仪控系统和供电区域划分等也相对复杂，需要配备可靠性较高的阀门和仪表器件；同时在高压液氧流程上需要设计合理的排气线，避免总烃积聚和氧气管网压力波动[3]。对于配套低压氧气系统的装置来说，若低压氧气规模不大，建议使用氧气减压流程，并将减压阀设置在缓冲罐后，可同时保证高低压氧气管网稳定供氧。
需要注意的是，由于氧气是一种强助燃剂，为防止燃爆事故，对氧气系统和氧气缓冲罐需严格选材、制造、表面处理(脱脂)、安装检修等，以确保氧气系统安全[4]。
4结语
为了使单系列空分装置与后备系统联系更加紧密、切换更加快速、降低空分装置停车时氧气管网压力波动，在设计前期需从总图布置、流程选择、缓冲措施等方面考虑，选择符合项目实际的设计方案。本文总结了某项目空分装置设计前期的优化设计经验，将常规空分装置流程优化为“罐后流程”+氧气缓冲的工艺流程。经过优化后，在空分装置停车断氧的极端情况下，后备系统与空分装置也可实现“无缝”衔接，保证空分装置连续稳定地供应氧气，为实现全厂“安稳长满优”创造条件。
参考文献：
[1]李传友,王杰杰.单套大型空分装置后备系统设置的改进[J].化肥工业,2013,41(3):70-71.
[2]刘硕.浅谈空分后备氧气系统的方案研究[J].大氮肥,2017,40(6):377-380.
[3]杨超,施金素.空分装置氧气产品流程波动原因分析与处理[J].低温与特气,2022,40(2):19-23.
[4]刘硕.氧气缓冲罐设计分析[J].石油和化工设备,2022,25(11):88-89.后台-系统设置-扩展变量-手机广告位-内容正文底部 -
本文标签：
单系列大型空分装置氧气管网压力稳定措施探讨论文
人参与 2024-09-26 10:43:10 分类 : 理学 点这评论 作者：团论文网 来源：https://www.tuanlunwen.com/
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