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空分装置节能优化控制解决方案

发布时间:2021-9-13     来源:北京康吉森自动化    点击率:133

工业气体被形象地称为“工业血液”,空分装置则是气体生产的“心脏”。本文给出了康吉森空分装置节能优化控制解决方案,助力工业企业节能降耗,助推工业企业可持续发展。

工艺简介

空气分离装置是利用物理或者化学方法将空气混合物各组分分开,获得氧气、氮气以及一些稀有气体的过程。工业上主要有三种实现空气分离方法:低温法、吸附法、膜分离法。目前应用广泛的是低温法,它的优点是生产量大、产品纯度高、电耗低并且可以得到液态产品,便于存储和运输,主要工艺单元包括:净化系统、压缩系统、冷却系统、纯化系统、膨胀系统、分馏系统。

空气分离的基本原理就是利用低温精馏法将空气冷凝成液体,然后按各组分蒸发温度的不同将空气分离。压缩空气除去水分和二氧化碳等杂质后,经热交换系统和增压膨胀机制冷后进入下塔,在塔板上气体与液体接触,由于气、液之间温度差的存在,在进行传热和传质交换时,低沸点组分氮吸收热量开始蒸发,氮组分首先蒸发出来,温度较高的气体冷凝,放出冷凝热,气体冷凝时,首先冷凝氧组分。这过程一直进行到气相和液相的温度相等为止,也即气、液处于平衡状态。这时,液相由于蒸发,使氮组分减少,同时由于气相冷凝的氧也进入液相,因此液相的氧浓度增加了,同样气相由于冷凝,使氧组分减少,同时由于液相的氮进入气相,因此气相的氮浓度增加了。

多次的重复上述过程,气相的氮浓度就不断增加,液相的氧浓度也能不断的增加。这样经过多次的蒸发与冷凝就能完成整个精馏过程,从而将空气中的氧和氮分离开来。空气在下塔被初步精馏为气氮、污液氮和富氧液空,以节流阀减压降温后送至上塔作为上塔的回流液,进一步实现精馏,最终在上塔顶部得到纯氮气,下部得到合格的液氧产品。


在大型空气分离装置的生产过程中,根据工艺流程的要求,有多种不同类型的重大设备,这当中包括了多台透平机械压缩机机组,典型的压缩机一般有:

1、空气压缩机/氮气压缩机

空气分离装置中的大型空压机多采用离心和轴流两种结构,其经常还会与一台增压机连在一根轴系上,由一台汽轮机驱动,这类空压机组通常俗称为一拖二机组。如图所示:空压机组的空压机为轴流压缩机,增压机为多轴的离心氮压缩机。

2、膨胀机

膨胀机是为空分装置提供冷量的设备,气体在膨胀机中等熵膨胀而制取冷量,补充系统冷损。

3、氧压机(汽轮机/电机驱动)/

空分装置流程主要分外压缩、内压缩。外压缩是利用氧气压缩机将空分装置出来的低压产品氧气压缩至用户所需要的压力等级,内压缩是采用液氧泵对产品液氧进行压缩,然后换热汽化的一种流程形式。

内压缩流程的形式应用比较多,它的优点是:无高温气氧、火险隐患小,碳氢化合物积聚的可能性大大降低。

空气压缩机组的控制

原料空气压缩机和增压空气压缩机采用离心式或轴流式压缩机,由透平蒸汽轮机驱动。原料空气压缩机的作用是为装置提供带压原料气,增压空气压缩机的作用是为装置提供膨胀及液氧气化的气源。

1、机组的转速控制

汽轮机作为原动机,汽轮机启动阶段的转速控制,根据汽轮机主机厂提供的升速曲线,进行升速控制。在机组暖机升速、过临界转速、进入工作转速和降速停机过程中,要投入压缩机调速控制。在机组控制系统中预先存储压缩机的升速曲线,根据预设的转速,将转速目标值转换为转速PID的给定值,保证机组稳定工作在额定转速。


机组转速控制


压缩机入口导叶控制

2、压缩机入口导叶控制

压缩机的入口流量控制需要通过调节压缩机入口导叶开度实现。压缩机入口流量调节器的输出,送到入口导叶调速器,控制空压机的入口导叶开度,组成串级调节回路来稳定空压机的入口流量。

3、压缩机防喘振控制

在机组启动和停机过程中,由于机组流量过低,如果没有防喘振控制,就会因喘振的发生对机组造成损坏。

当工况变化时也需要通过喘振控制来使压缩机远离喘振区域,避免损坏机组。

4、全自动节能优化控制

分子筛切换时会造成压力和流量波动,造成入口导叶与喘振阀的动作,使装置工况不稳,影响下游产品质量。为了解决这个问题,必须实现性能控制与防喘振控制的优化。抑制分子筛切换时的扰动,稳定装置工况,保证产品质量。

5、机组能效在线性能监测

机组在线性能监测是考核机组能效的度量手段。当工况发生变化时,机组的能效指标会发生改变。实时监视汽轮机、压缩机功率和效率的变化。使用该方法对机组改造的实际效果进行评估,为进一步计算空分装置的收益提供参考。

机组能效在线性能监测


节能优化控制案例

某石化空分装置系统优化,增加分子筛切换时进行精细控制,装置开车及机组精调完成后,分子筛切换时空压机出口压力波动由原来的超过150KPa优化至不超过20KPa,整个装置运行更稳定,效率更高。


编者按

工业气体被形象地称为“工业血液”,空分装置则是气体生产的“心脏”。空分设备是一种高能耗设备,在煤化工行业中,制氧能耗约占总能耗的10%15%,甚至更大。康吉森空分装置节能优化控制解决方案在满足原技术指标的基础上对系统进行优化升级,实现真正意义上的节能降耗,为工业企业的持续发展提供客观的支持和帮助。

《康吉森“双碳”专栏》简介

“双碳”目标下,工业节能是当前的首要任务。作为流程工业安全及关键控制系统的行业领军企业,康吉森自动化帮助更多工业企业节能增效责无旁贷。为响应国家政策号召,顺应新的发展趋势,为工业企业节能增效保驾护航,康吉森自动化特推出《康吉森“双碳”专栏》系列报道,借助自身经验积累和技术优势,向广大工业企业提供节能优化控制解决方案。


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