大型空分设备、液氮洗装置在煤化工等行业的应用实践

伴随中国煤化工工业的发展，一些煤化工重大技术装备如大型煤气化炉、特大型加氢反应器、大型煤浆泵、大型煤气压缩机等国产化步伐的加快，我国空分装备制造业在积极引进先进的设计软件、加工装备和管理制度的基础上，结合我国国情对空分成套技术进行消化吸收和再创新，自主创新能力不断增强，已站在了国际空分行业的前沿。我国煤化工核心装备向着大型化、高参数化和成套化发展，也对国内大型空分设备的发展提出了新的要求。 杭州杭氧股份有限公司（简称，杭氧）自2002年与浩良河北大荒签订18000m3/h（氧）内压缩空分设备的合同以来，先后承担了兖州鲁化30000m3/h，镇海炼化35000m3/h，咸阳化工43000m3/h（两套），齐鲁石化45000m3/h，灵谷化工50000m3/h，中原大化52000m3/h，大唐国际58000m3/h（三套），神华包头60000m3/h（四套）等70多套大型煤化工空分设备的设计与制造。此外，杭氧的液氮洗装置技术也实现了国产化应用。其新技术的推广应用，为我国的煤化工等行业的品质化发展作出了积极的贡献。同时，杭氧在与空分设备下游领域的合作上积极探索和实践新的模式，最大程度地发挥空分设备提供商在煤化工领域中的作用。 一、大型空分设备和液氮洗装置在化工行业中的应用实践 1.1、渭化28000m3/h空分设备 渭化集团28000m3/h空分装置是为配套20万t/a甲醇项目而建的，氧气压力达到了8.5MPa(G)，由杭氧设计成套。其中空压机和增压机由陕鼓制造，汽轮机由锦化机制造，所有安装由吉化建完成。该装置于2004年开工建设，于2006年5月顺利产出合格氧氮，2006年11月产出合格氩气产品。空分设备采用分子筛吸附预净化，增压透平膨胀机，高效填料精馏及液氧泵内压缩工艺。 该套空分主空压机与增压空压机采用汽轮机一拖二的形式，布置紧凑，占地面积小。分子筛纯化空气系统采用活性氧化铝—分子筛双层床结构，中间用丝网隔开，床层阻力较小，代表了当时国内先进的装置技术水平。因为该装置是为生产甲醇产品而服务的，后续工段只用到0.5MPa的低压氮，所以采用的是空气增压流程。精馏塔上塔操作压力低、操作弹性大，使空分装置的氧提取率进一步提高，精馏塔的氧提取率可达99.5%。 1.2、镇海炼化35000m3/h空分设备 中石化镇海炼化35000m3/h空分装置是镇海炼化100万t/a乙烯工程的主要配套公用工程装置。空分装置主要向该工程65万t/a乙二醇装置提供原料氧气，并向乙烯工程各装置和炼油装置提供高、低压氮气。该套空分装置的主要性能参数见表1。 表135000m3/h空分装置主要性能参数

产品	产量/Nm3/h		纯度（VOL）	压力 /MPa	温度 /℃
	工况A	工况B
中压氧气	35000	31500	O2≥99.8％；Ar＋N2≤0.2％	2.9	～37.5
高压氮气	22000	10000～18000	N2≥99.996%；O2≤10ppm；	4.8	～40
低压氮气	30000	12000～29000	N2≥99.996%；O2≤10ppm；		～40
液氧	0	0～2000	O2≥99.8%；Ar＋N2≤0.2％	进贮罐	-187
液氮	1000	0～1000	N2≥99.996%；O2≤10ppm；	进贮罐	-196
液氩	1200	1060～1180	O2＜1ppm；N2＜2ppm	进贮罐	-196

本装置采用空气增压、液氧内压缩的流程，即采用空气增压机＋中压液氧泵＋高压液氮泵并通过换热器系统的合理组织，取代了中压氧压机、高压氮压机。因而无高温气氧，火险隐患小。采用液氧贮槽外压后回冷箱复热的流程，此流程具有以下优点：一是将流程泵与后备泵合二为一，减少液氧泵投资；二是避免了乙二醇装置因空分停车而停车，加速主冷的积液和缩短产品调纯时间，三是主冷液位不受负荷的影响而大幅度波动，四是产品液氧在高压下蒸发，使烃类物质积累的可能性大大降低。 镇海炼化35000m3/h空分装置已于2010年8月13日通过性能考核，氧、氮产量、纯度、压力等主要指标均达到了合同规定值。 1.3、齐鲁石化45000m3/h空分设备 齐鲁石化的45000m3/h空分设备的建立旨在满足齐鲁石化新建煤气化项目的需求，将提供大约45000m3/h的氧气和30000m3/h的氮气，用于生产33万t/a的丁醇和辛醇。整套空分项目于2006年7月24日桩基工程开始施工，2008年5月20日冷箱内管道试压完成，整套空分历时近两年的时间建设完成。7月17日空压机组开始试车，2008年10月底完成整套空分试车，产品48h达标测试产量质量达到设计值。 该套空分装置空气预冷系统、分子筛纯化系统、精馏塔系统等由杭氧设计制造，原料空压机和增压机为沈鼓和西门子合作产品；膨胀机和低温液体泵采用进口产品。 表245000m3/h空分设备设计参数

产品	产量/Nm3/h	纯度（VOL）	压力 /MPa（G）	温度 /℃	备注
高压氧气	42000	≥99.6%O2	8.5	37.5	液氧泵内压缩
中压氧气	153	≥99.6%O2	2.85	37.5	气氧节流
中压氧气	3000	≥99.6%O2	1.3	37.5	高压液氧节流汽化
超高压氮气	386	≤5×10-6O2	16.0	15	后备系统汽化
超高压氮气	550	≤5×10-6O2	16.0	15	后备系统汽化
中压氮气	25000	≤5×10-6O2	1.3	40	中压氮压机
低压氮气	5000	≤5×10-6O2	0.405	23	下塔顶部

齐鲁石化45000m3/h空分装置于与2008年12月19日进行了48小时的装置性能测试，产品氧氮气和液氩产量均达到设计要求，产品纯度合格，并且整套装置操控性能良好，安全可靠，达到了国内领先水平。特别是该套空分增加了3只共120m3的高压氧气缓冲罐，工艺氧泵与后备氧泵采用惰转互备的方式，实现了在运行泵故障时，工艺系统备用氧泵在10秒内达到设定压力，空分故障停车时，后备系统氧泵在60秒内加载到工作转速，对整个高压氧气管网的压力和流量的稳定起到了积极的作用，减少了气化炉的跳车机率，确保了空分装置及其下游装置的安全稳定运行，对其他同类装置有很好的借鉴作用。 1.4、九泰能源3套40000m3/h空分设备 久泰能源内蒙古有限公司鄂尔多斯的3套40000m3/h空分设备是为100万t/a甲醇、二甲醚项目配套。该套空分设备采用分子筛吸附净化、空气一段增压、中压膨胀空气进上塔塔、氧内压缩、增效塔流程。 该套空分装置压缩机采用陕鼓产品，汽轮机采用“一拖二”模式，采用杭汽产品。1号、2号空分与2010年11月份开车，3号空分于2011年3月份开车。开车以来空分设备运行稳定，氧、氮指标达到设计要求。 表340000m3/h空分设备设计参数

产品名称	产量(Nm3/h)	纯度(vol)	使用方式	压力MPa(G)	温度（℃）	备注
氧气	40,000	99.6%O2	连续	8.5	～37	液氧泵内压缩
液氧	100	99.6%O2	/	/	/	进贮槽
低压氮气	12,000	≤10ppmO2	连续	0.4	～37	下塔抽压力氮
液氮	500	≤10ppmO2	/	/	/	进贮槽
中压氮气	1,000	≤10ppmO2	间断	2.5	40	氮压机压缩
仪表空气	3,000	压力露点： ≤-50℃	连续	0.8	40	增压机中抽

1.5、灵谷化工50000m3/h空分设备 江苏宜兴灵谷化工有限公司50000m3/h空分设备是大化肥工程——45万t合成氨、80万t尿素的配套装置，下游汽化炉配套华东理工大学的四喷嘴对置式水煤浆汽化炉。于2007年底动工，2008年底施工结束，2009年3月7—15日，空压机组试车，空分设备吹扫裸冷。2009年4月28日—5月7日，空分设备开车调试，并生产出合格的氧、氮产品。2009年6月5日，为配合整套大化肥装置开车再次启动空分设备，产品氧、氮纯度经调试均达到设计指标，产品液氩也顺利调试成功。2011年初通过性能考核。 该套空分设备采用分子筛吸附净化、空气增压、中压增压透平膨胀机制冷、膨胀空气进下塔、氧内压缩流程，采用规整填料上塔、全精馏无氢制氩工艺。50000m3/h空分设备设计参数见表3。 表350000m3/h空分设备设计参数

产品	产量 /Nm3/h	纯度（VOL）	压力 /MPa（G）	温度 /℃	备注
氧气	50000	99.6%O2	6.4	～36	内压缩
液氧	400	99.6%O2	进贮罐	—	—
液氮	400	≤5×10-6O2	进贮罐	—	—
氮气1	42000	≤5×10-6O2	0.006	～21	外压缩
氮气2	10000	≤5×10-6O2	0.4	～21	—
液氩	1750	≤2×10-6O2 ≤3×10-6N2	进贮罐	—	—

灵谷化工50000m3/h空分设备投产后运行稳定，各主要指标均满足设计要求。空气预冷系统空冷塔出口空气温度达到15℃，空冷塔出口空气温度与冷冻水温度的温差小于1℃，空冷塔内水和空气的换热效果良好；分子筛纯化系统出口空气中二氧化碳含量小于1×10-6；低压板翅式换热器的热端温差小于2℃，高压板翅式换热器的温差在7℃左右；上塔阻力5.3kPa左右，下塔阻力24.3kPa左右；氧气纯度达到99.9%，氮气中氧含量小于5×10-6，制氩系统运行工况稳定。 1.6、神华包头4套60000m3/h空分设备 神华包头煤制烯烃项目是中国煤炭化工第一个特大型的MTO示范性项目，其产品包括180万t/a甲醇、60万t/a烯烃分离、30万t/a聚丙稀、30万t/a聚乙烯。该项目配套的汽化炉为Texaco炉。本项目总配套240,000Nm3/h(O2)空分装置，由四套六万等级空分设备组成，主要生产氧气、氮气，同时副产液氮、液氧和液氩，由杭州杭氧股份有限公司成套提供。合同于2007年2月8日签订，2008年5月开工建设，2010年5月顺利竣工投产。 该空分采用了空气增压、空气中压膨胀、膨胀空气进下塔、液氧内压缩流程。主冷采用节能型卧式双层浴式结构；上塔落地布置，增加了空分的可靠性，上塔与主冷间增加循环液氧泵； 上塔选用新型的填料结构，下塔采用四溢流筛板塔；不带氩的空分采用增效塔技术，提高了氧气的提取率。该空分的氧气提取率达99.7％ 附图1.带氩空分流程简图 1.7鲁西化工40000m3/h空分设备 鲁西化工40000m3/h空分设备是为鲁西化工30万t/a合成氨配套的空分设备，为下游两台航天炉供气。该套空分于2011年8月份开车成功。该套空分装置压缩机采用沈鼓产品，汽轮机采用“一拖二”模式，采用杭汽产品。

产品名称	用户	产品规格 (含O2)	温度 (℃)	压力 MPa(G)	产量(Nm3/h)
					正常量	最大量
氧气	煤气化	99.80%	34	5.0	40000	42000
中压氮气	氨合成	10ppm	40	4.0	30000	32000
常压氮气1	煤气化	10ppm	34	0.005	13000	15000
常压氮气2	全厂	10ppm	40	0.8	12000+4600	12000+5000
低压氮气	甲醇洗	10ppm	21	0.44	11000	13000
常压氮气3	煤气化	10ppm	34	0.005	11000	13000
液氧		99.80%		0.2	300
液氮		£10PPm		0.44	1500	1800
工厂空气	全厂	露点-40℃	40	0.8	850	1000
仪表空气	全厂	露点-40℃	40	0.8	2800	3200

1.8锦疆化工55000Nm3/h空分设备 锦疆55000m3/h空分设备是为锦江化工年产70万吨尿素项目配套的空分设备，下游汽化炉配套华东理工大学的四喷嘴对置式水煤浆汽化炉。于2008年1月签订供货合同，2010年6月开始安装，2011年11月空压机组试车，空分设备吹扫裸冷。2011年12月空分设备开车调试，并生产出合格的氧、氮产品。采用典型的化工型高压内压缩流程，采用了分子筛净化空气，增压透平膨胀机制冷，规整填料上塔及增效氩塔的工艺流程，负荷调节范围75—105%。 锦疆55000m3/h空分设备的设计工况如下表所示：

	产量 Nm3/h	纯度 %(V)	出界区压力 MPa(G)	出界区温度	备注
氧气	55000	≥99.6%O2	8.7	~31.5℃	连续
氮气I	15000	O2≤5ppm	0.42	~22℃	连续
氮气II	42000		6.0	~40℃	连续
氮气III	1500		0.45	常温	后备系统汽化
液氮	500		进入贮槽		间断
工厂空气	2500		~0.5	常温	连续从分子筛后抽出
仪表空气	3000		≥0.7	常温	连续从分子筛后抽出

1.8液氮洗装置 杭氧是国内液氮洗装置开发最早、运行业绩最多，技术最成熟的厂家。自上世纪末即开始开发研制大型化肥成套设备低温工艺段冷箱。在国家发改委、中国石化协会的关心和支持下，杭氧与中国寰球工程公司联合开发出“十五”国家重大技术装备攻关研制项目—液氮洗冷箱，解决了高压铝制板翅式换热器和氮洗塔的设计制造难题，并在山东华鲁恒升化工股份有限公司30万吨/年合成氨项目中得到成功的应用，这是国内自主设计制造的第一套液氮洗装置。2005年6月，该项目通过国家有关部门的鉴定。鉴定结果表明：该项目液氮洗装置的设计和制造技术具有自主知识产权，达到国际先进技术水平，并具有良好的社会和经济效益。 自2002年以来，杭氧先后为山东华鲁恒升等企业设计制造液氮洗冷箱和液氮洗装置（带分子筛吸附系统）15套，其中四套已成功运行，适用于德士古炉、鲁齐炉、航天炉等多个气化工艺技术。2011年，杭氧依托十余年来在合成氨净化液氮洗装置上的设计制造经验，开发出适用于高低压气化工艺流程的液氮洗净化技术工艺包，该工艺技术已在兖矿新疆年产30万吨合成氨项目上得到应用。 液氮洗装置业绩表

用户	项目名称	最高设计压力Mpa/流道数	典型换热器芯体尺寸 LxWxH（mm）	冷箱尺寸 LxWxH（mm）	备注
山东华鲁恒升股份有限公司	30万吨合成氨液氮洗冷箱	6.5/5	3530×1000×1198	4200×3200×20000	已运行
山东华鲁恒升股份有限公司	30万吨合成氨液氮洗冷箱	6.5/5	3530×1000×1198	4600×3800×22500	已运行
安徽淮南化工有限公司	30万吨合成氨液氮洗冷箱	6.5/5	3530×1000×1198	4600×3800×22500	已运行
延长石油集团公司兴化节能综合利用技术改造项目指挥部	30万吨合成氨液氮洗装置(含工艺包\分子筛系统)	6.5/5	3730×1000×1205	4600×3800×22500	安装中
贵州金赤化工有限责任公司	30万吨合成氨液氮洗冷箱	6.5/5	3730×1000×1205	4600×3800×22500	安装中
陕西陕化化肥股份有限公司	30万吨合成氨液氮洗装置(含工艺包\分子筛系统)	6.5/5	3530×1000×1198	4600×3800×22500	制造中
国电赤峰化工有限公司	30万吨合成氨液氮洗装置(含工艺包\分子筛系统)	3.6/7	1100×1797×6000 1100×1218×3500 1100×1373×1500	6000×4000×24000	安装中
鲁西化工集团股份有限公司	30万吨合成氨液氮洗装置(含工艺包\分子筛系统)	4.0/7	2800×1100×1226	5200×3800×25000	已运行
陕西陕化化肥股份有限公司	30万吨合成氨液氮洗装置(含工艺包\分子筛系统)	6.5/5	3530×1000×1198	4600×3800×22500	制造中
兖矿新疆煤化工有限公司	30万吨合成氨液氮洗装置(含工艺包\分子筛系统)	6.5/5	3530×1000×1195	4600×3800×24000	安装中
山东华鲁恒升股份有限公司	30万吨合成氨液氮洗冷箱（含分子筛吸附系统）	6.5/5	3530×1000×1198	4600×3800×22500	制造中
安徽六国化工股份有限公司	30万吨合成氨液氮洗冷箱	6.7/5	3530×1000×1198	4600×3800×24000	制造中
中盐安徽红四方股份有限公司	30万吨合成氨液氮洗冷箱（含分子筛吸附系统）	7.0/5	3530×1000×1198	4600×3800×24000	制造中
盈德安阳气体有限公司	40万吨合成氨液氮洗冷箱（含分子筛吸附系统）	6.4/5	3900×1000×1760	6200×4000×28000	设计中

近年来，随着液氮洗设备规模的增大，杭氧开始采用奥氏体不锈钢代替铝镁合金作为氮洗塔的主体材料，解决大规模液氮洗冷箱中大厚度铝镁合金压力容器制造难的问题，降低设备的制造难度，减少材料成本，缩短液氮洗装置的交货周期。该项目采用填料式氮洗塔来代替传统的筛板式氮洗塔，避免筛板塔内件制造难度大的问题，同时达到比筛板塔更好的洗涤效果，其研究成果将达到国内领先水平。 二、新技术、新工艺在空分设备中的推广应用 煤化工的化工工艺所需的氧气纯度高、压力大且使用量大，这也决定了其空分装置的规模及产品规格。不同的汽化炉对应的氧气、氮气产品规格各式各样，因而开发不同的流程技术以适应不同的下游供气特点非常有必要。另外，汽化炉的连续使用时间短，需要空分设备能够适应其开停频繁这一特点。因而开发新流程、研究可靠的冷箱结构、开发节能技术，提高空分设备的可靠性、安全性、节能性是空分行业必须要做的事情。 杭氧通过对引进技术的消化吸收，适时跟踪世界空分前沿技术，自主研发顶尖空分流程和高效单元设备，已系统地掌握了大型和特大型空分设备的流程设计计算技术，单元设备设计、计算及制造技术、大型空分设备的成套集成技术。 2.1流程形式的多样化，针对性地进行优化设计 从已开发的空分设备来看，流程已趋多样化。杭氧一般根据用户的要求进行流程的优化设计。针对用户所需气体产品和液体产品特点和投资情况进行方案比较，为用户建议最佳的流程型式。然后对流程中各点参数进行优化和部机初步设计，保证空分设计性能指标的先进性。 由于煤化工工业中，所需氧气和氮气压力比较高，一般在4.0MPa到10.0MPa之间，因而多采用内压缩流程。用液体泵将来自精馏塔的液体产品提压，再送入换热器汽化、复热后出空分装置。尽管均为内压缩流程，其流程形式多种多样。其宗旨是运行节能、投资省、外配套部机可行。对于不同的氧产品压力等级和不同氮产品及压力，杭氧开发了多种不同流程。 （一）为粉煤和块煤汽化炉配套的氧气压力4.5～5.2MPa（G）的中压氧空分设备：如（1）中原大化5万2空气循环内压缩膨胀进下塔流程；（2）中石化4万8氮气循环内压缩流程；（3）大唐国际5万8空气循环双泵内压缩流程。 （二）为水煤浆汽化炉配套的氧气压力为8.5～9.8MPa（G）的高压氧空分设备：如（1）.浩良河1万8内压缩膨胀空气进上塔流程；（2）.陕西渭化2万8空气循环内压缩膨胀空气进下塔流程；（3）.是乌石化2万氮气循环内压缩流程；（4）.德州4万8空气循环内压缩膨胀空气进下塔流程；（5）.齐鲁石化4万5氧气双规格内压缩膨胀空气进下塔流程。 （三）为下游用户提供氧气，同时外售大量液体产品的空分设备：如（1）德国32000双膨胀流程；（2）盈德安阳60000一段增压内压缩流程。 此外，还有各种在上述流程技术中衍生变形的流程。杭氧设计制造的氧内压缩流程种最高氧气压力为乌石化2万氮气循环内压缩流程，压力达9.8MPa（G）；产品规格最多的是中石化4万8氮气循环内压缩流程，产品规格达10种，仅氮气规格就有5种；高压氧气流量最大的为神华6万内压缩流程，达60000m3/h；压力氮气流量最大的为大唐国际5.8万，压力氮气流量达71000m3/h空分设备。 2.2高效节能单元设备的开发应用 自上世纪九十年代，杭氧开发成功采用规整填料塔和全精馏制氩技术的新一代空分设备以后，精馏塔技术在不断完善和提高之中。针对单机容量越来越大的空分装置，即使采用了规整填料以后，上塔的直径也会超过运输条件规定的尺寸。杭氧开发了高效的新型填料塔，能够有效地缩小塔径，杭氧的所有6万等级空分均采用了这种精馏塔技术，这一技术同样适应8～12万等级的空分设备。目前有些用户要求空分装置能进行半负荷运行，在这种情况下，杭氧开发了规整填料下塔，已在部分2～6万空分中运行使用。从实际应用的规整填料下塔空分来看，其阻力一般在4~5KPa，对4万等级空分设备每小时可节电150~220KW，每年可节约费60~80万元，这样由于下塔从筛板塔改成规整填料塔而增加的成本4~5年就能收回。 自杭氧与西安交大合作，成功开发出双沸腾主冷凝蒸发器以后，提高了主冷凝蒸发器的换热器效果，节约了空分装置的能耗，但随着空分装置的不断扩大和用户对能耗要求的提高，即使采用了双沸腾主冷凝蒸发器也解决不了运输条件的限制，扩大直径受限，而增加主冷高度对总体布置有困难，所以杭氧最近开发出了卧式主冷凝蒸发器和卧式双沸腾主冷凝蒸发器，这样有效地解决了主冷凝蒸发器由于直径过大而不能运输的问题。卧式主冷已在包钢4万，湘钢—梅塞尔4万等外压缩流程的空分设备上成功应用，同时在大唐国际5万8，齐鲁石化4万2，宝钢6万，神华6万等空分设备的设计和制造中得到了应用。与此同时，杭氧开发的多层浴式主冷凝蒸发器也开始在一些空分中实际应用，其运行能耗将更低。 通过自主创新，杭氧已成功地研制完成了各种复杂流道结构的大中型产品及高压板翅式换热器。最大真空炉可钎焊工件最大尺寸：8.0m×1.4m×1.8m。目前，已完成了最大钎焊尺寸为7000×1300×1350mm（长×宽×高），重达12吨的大型铝制板翅式换热器。高压铝制板翅式换热器最高设计压力达8.0MPa。在技术上，（1）引进了国外进口的数控快速成型设备，完成了高密度翅片开发；（2）推广使用了翅片气阻试验台位，从源头上做好翅片零件制造时的气阻控制；（3）建立了新的换热器变风量阻力特性测控系统，通过自动调节变频器频率，达到系统设定测试工况下，进行换热器气阻性能的检测，测试结果再现性好，不再需要人工读数，人工整理数据，提高数据的精确度，可以验证同批次换热器钎焊整体的一致性。目前杭氧已经具备设计制造设计压力10.0MPa高压板翅式换热器的技术、装备和能力，已经开发完成的各种传热翅片达60多种，特别是为了石油化工、天然气液化等设备研制了多种高效率和高强度的翅片，进一步提高杭氧的国际竞争能力。截至到2009年6月底，杭氧已按ASME规范和CE规范制造铝制板翅式换热器数百台出口到美国、德国、意大利、西班牙、伊朗等国家和地区，产品遍布世界各地。从1994年到2010年底已累计完成各种规格真空钎焊铝制板翅式换热器数万台，累计产品钎焊吨位达18000多吨，产量位居世界第一。 2.3可靠的冷箱内部结构推广应用 由于煤化工工业中，汽化炉停开频繁，空分设备也经常跟随汽化炉停开，因而对空分设备冷箱必须要适应这一特征。在部分空分装置上，杭氧采用新型的小应力结构设计，从而优化管道的冷缩补偿设计。自2009年以来，杭氧大力推广冷箱内同步收缩配管技术，新的空分产品均采用这种模式，即大部分从设备接出的管道沿着塔往下走，在塔器上对管道实现固定和导向，达到管道与设备同步收缩，减小甚至消除了相对位移。与此同时，运用冷箱内管道应力分析软件，消除局部应力集中问题。此外，同时推行了《冷箱内仪表管设置标准》，加强了对安装公司加强冷箱内安装的技术交底，加强了管道工程师对冷箱内安装进行现场跟踪服务。 2.4配套的关键运转机械的解决方案 特大型空分设备配套的转动机械主要有原料空气压缩机，增压空气（氮气）循环压缩机，透平膨胀机组，低温液体泵。这些关键转动机械性能好坏直接影响成套空分设备的能耗和运行的可靠性。 原料空气压缩机的作用是为装置提供带压气源，增压循环压缩机的作用是为装置提供膨胀及高压氧（氮）气化气源。目前有三种选择方案，一是进口，这样性能得到保证，效率高，但投资高，目前6万等级及以上空分基本采用这种配置；二是国产，在保证性能的同时，可以大大降低投资成本，4万等级以下的空分设备较多地采用这种模式；最后一个方案是合作生产，即由国外供货商进行性能计算和性能保证，并提供转子等关键零部件，其他的辅机，如机壳、冷却器由国内制造，这样在保证性能的同时，又可降低投资成本，5万等级空分部分采用这种模式。 中压透平膨胀机一般采用以下三种模式，一是进口一台主机，离线备用机芯总成，辅机如冷却器，过滤器等由杭氧配套；二是一台主机进口，一台由杭氧制造，杭钢2万空分和华鲁恒升4万8空分就采用了这种模式；还有就是都采用杭氧制造的中压透平膨胀机，如渭化2万8空分。 低温液体泵，目前一般都采用进口，性能先进可靠，且这部分增加成本所占的比例很小。 2.5辅助设计软件系统的二次开发和应用 辅助设计软件是设计先进空分设备的有效手段，杭氧在设计的每一个重要环节均引入了辅助设计软件，保证空分设备整体系统的可靠性。如杭氧已完成了对PDMS系统的二次开发，建立了钢材质和铝材质的标准及非标管道元件库，方便地对冷箱内容器和管道进行三维定位，同时对冷箱内低温管道的走向和低温管道设计进行优化设计，对冷箱内管路和容器进行造型，模拟出最佳的三维管路。同时应用美国CAESARII软件对冷箱内的低温管路进行低温管路应力分析，对冷箱内重要管道逐根进行可靠性确认，并在应力集中处实施应力消除措施，保证了实际开车状态下的管道安全。在配管气流分配上，通过对AFTArrow软件进行二次开发，对不同配管形式下的延程阻力进行筛选，将配管进行优化，筛选出管路阻力最低的方案，降低了空分的运行能耗。在管件和容器上，应用PVElite软件进行强度计算，保证设计的非标元件和单元能满足ASME和CE要求。运用美国STAAD/PRO结构分析和设计软件，对冷箱骨架进行地震载荷、风载荷、固定载荷进行针对性建模、计算；同时采用MSC/NASTRAN应力分析软件对冷箱强度进行强度计算方面分析，保证了特大型空分的钢结构稳定性问题。应用Fluent流场分析软件对重要单元设备如精馏塔、分子筛的入口、抽出口以及分布器进行气流均布分析，通过软件的帮助设计出效率更高的单元内部结构。应用Ansys有限元应力分析软件分析空分重要容器及元件在低温、高温及温差应变较大情况下的局部应力，并采用相应的手段消除局部应力，实现单元设备的安全。 2.6先进控制系统的推广应用 自动化控制系统在整套空分设备的安全与节能环节也是重要组成部分。自动控制系统可有效地监控整套空分设备生产过程，确保设备长期稳定可靠运行，操作维护方便。 本安设计：在煤化工工厂，很多区域环境可能有爆炸气体存在，例如氨气、氢气、碳氢化合物等，在设计的过程中，从本质安全角度考虑，在各个环节进行安全、可靠的设计。如变送器、阀门定位器等按本安型设计，铂电阻、电磁阀等仪表接线盒按隔爆设计。并在系统端加隔离栅、安全栅、防雷栅等隔离措施，避免外界环境对系统产生干扰或者烧坏系统现象。 冗余设计、安全认证：在系统设计时，DCS系统我们采用冗余电源、冗余控制器、冗余通讯模块及通讯电缆，避免单点故障引起空分停车。所有联锁回路按ISA标准，采用失电安全的原则进行设计，以保证在失电状态下的安全停机。重要联锁回路采用三选二或二选二，以保证信号的可靠性。压缩机组控制采用独立于DCS系统的专用“机组综合控制系统”（CCS）实现。其所有与控制有关的部件（例如：主处理器、I/O卡件、内部总线、I/O扩展总线）都按三重冗余容错配置，系统电源模块为冗余供电，硬件、软件均通过SIL3、TÜVAK6级安全认证。对于空分及压缩机组的安全联锁由安全联锁系统(SIS)实现（可以与CCS系统共用），采用冗余、容错技术（TMR结构，TUV6级认证）和故障安全设计，使装置生产既安全又可靠。 氧管路高标准设计：高压氧内压缩流程，其高压氧气阀，我们严格控制阀门流速，对于一些流速较高的节流部件我们采用MONEL材料，尤其是高压氧气放空阀的设计，我们采用全MONEL结构，MONEL材料燃点高、导热性好。对于高压氧气孔板，其节流部件处流速非常高，我们在设计时孔板板芯节流件采用INCONEL材质，这样的材料硬度高、导热性好，可以避免高压氧气在孔板处因超流速产生燃烧。杭氧专门制定了《高压氧管路系统选型、设计、控制规范》，提高氧管路系统的可靠性。 自动变负荷（ALC）系统推广应用：杭氧已研发了自动变负荷技术，它是以建立流程数学模型为基础、以先进控制算法为手段来对设备进行自动控制和参数优化的专家控制系统。其成果已在南钢2万内压缩空分和3万空分设备上成功应用。采用空分装置自动变负荷系统能快速的实现稳定变负荷运行，大大减少人为干预，减轻操作人员负荷，优化生产。同时经过控制器不断优化计算，将设备运行在最优点上，能降低设备能耗1~2%左右，达到节能减排的目标。操作员所要做的是将最终产品规格输入控制系统，所有调节均可交给系统。由于在一些空分装置用户中，存在着用氧或用氮不均衡的状况，而空分设备生产又是必须连续性运行的，因此就造成了用户用气量减小时，大量的高压氧气和压力氮气被放空，造成能源的巨大浪费。实际上空分设备的运行节能管理比空分设备本体节能更重要。特别是随着空分的超大型化，空分设备的设计能力与供求量之间矛盾的更为突出。同时随着市场竞争日益加剧，企业对成本的控制越来越严，而降低氧气和压力氮气放散率成为了降低空分运行成本的关键。自动变负荷系统能够较好的控制放散率，特别是对于一些缺乏熟练空分操作人员的企业，该技术尤其适用。 三、与化工行业用户新的合作模式 3.1工程项目服务方式一体化 由于受传统的习惯方式影响,目前空分设备用户更多从供货上那里购买设备，而将气体站的建设交给整体化工设计院设计。空分设备相对于化工的大工艺有很多的特殊性，因而如果能实现EPC交钥匙模式，让更熟悉空分设备的专业人员来管理整个项目实施过程，可以帮助用户更好地将空分设备建设管理好，弥补有些单位空分设备专业项目管理人员不足的问题，减少工程中的浪费，缩短工程时间。 目前国内在建和拟建空分项目较多，各用户空分相应人才短缺。杭氧根据市场需求，并结合杭氧拥有大量空分设备技术人员的优势，成立了杭州杭氧化医工程有限公司，实现设备成套管理和项目实施管理的无缝对接。其内容如下图： 其项目管理内容包括项目筹划、设计管理、采购管理、施工管理、进度控制、质量管理。杭氧化医工程有限公司根据不同用户要求有不同的合作模式：（1）交钥匙工程；（2）工程设计+设备成套+设备安装+工程设备；（3）工程设计+设备成套+设备安装（含材料）；（4）工程设计+设备成套+设备安装（不含材料）。目前其业绩情况包括杭氧气体投资建设（BOT)，11套；完全EPC项目，7套；E+P+C但不含主材和机组等进口设备的采购项目，2套；含工程设计和设备供货项目，1套。 3.2采用合资或独资模式进行气投业务 目前越来越多的用户开始考虑购买氧气、氮气替代自己上空分设备。早在2003年，杭氧即开始气体投资业务。2010年5月，“杭氧股份”实现IPO整体上市，股票代码深圳002430。是国内空分行业第一个上市公司。之后，杭氧气体业务快速发展。到目前为止，制氧总量为超过60万Nm3/h，。 杭氧的气投业务可以体现以下优势：（1）技术优势。杭氧有大量的空分设备设计、制造、调试、服务人员，对空分设备的每个环节都很熟悉，此外，杭氧拥有大量的空分设备客户，分布广，因而是空分设备各种信息的集散地。（2）投资成本优势：杭氧是空分设备的制造商，因而整体投资成本可以具有一定的优势；此外，杭氧的融资渠道畅通，财务成本较低。（3）设备维护支持能力优势：杭氧本身有很多备件公司和强大的技术支持团队，专职的调试团队员工达50人。此外，杭氧投运了远程监控系统，可将全国各个气体公司运行实时传至气体中心和杭氧售后服务部，很多运行问题可以在总部即时发现，即时诊断，即时通知，即时决策。气体中心根据现场运行情况，制定维护和保养计划。杭氧已开建杭氧备件库，集中管理备件，实现备件需求最优化原则。 四、结束语 我国在大型化工型空分设备设计、制造和成套上己经取得了一定的成绩，特别是成套能力的进步非常明显。从目前应用的各项技术来看，静设备部分已能完全实现国产化，且性能可靠。而动设备部分5万等级及以下大型机组可实现国产化，从实际使用情况来看，4～5万等级的空压机技术日趋成熟，而大流量离心液体泵目前还只能依赖进口。化工行业的技术日新月异，开发适应现代大型化工的新工艺、新技术，寻求空分设备行业发展的新思路，空分行业才能更好地发展。