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空分裝置節(jié)能優(yōu)化控制解決方案

發(fā)布時間:2021-9-13     來源:北京康吉森自動化

工業(yè)氣體被形象地稱為“工業(yè)血液”,空分裝置則是氣體生產(chǎn)的“心臟”。本文給出了康吉森空分裝置節(jié)能優(yōu)化控制解決方案,助力工業(yè)企業(yè)節(jié)能降耗,助推工業(yè)企業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

工藝簡介

空氣分離裝置是利用物理或者化學方法將空氣混合物各組分分開,獲得氧氣、氮氣以及一些稀有氣體的過程。工業(yè)上主要有三種實現(xiàn)空氣分離方法:低溫法、吸附法、膜分離法。目前應用廣泛的是低溫法,它的優(yōu)點是生產(chǎn)量大、產(chǎn)品純度高、電耗低并且可以得到液態(tài)產(chǎn)品,便于存儲和運輸,主要工藝單元包括:凈化系統(tǒng)、壓縮系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、純化系統(tǒng)、膨脹系統(tǒng)、分餾系統(tǒng)。

空氣分離的基本原理就是利用低溫精餾法將空氣冷凝成液體,然后按各組分蒸發(fā)溫度的不同將空氣分離。壓縮空氣除去水分和二氧化碳等雜質后,經(jīng)熱交換系統(tǒng)和增壓膨脹機制冷后進入下塔,在塔板上氣體與液體接觸,由于氣、液之間溫度差的存在,在進行傳熱和傳質交換時,低沸點組分氮吸收熱量開始蒸發(fā),氮組分首先蒸發(fā)出來,溫度較高的氣體冷凝,放出冷凝熱,氣體冷凝時,首先冷凝氧組分。這過程一直進行到氣相和液相的溫度相等為止,也即氣、液處于平衡狀態(tài)。這時,液相由于蒸發(fā),使氮組分減少,同時由于氣相冷凝的氧也進入液相,因此液相的氧濃度增加了,同樣氣相由于冷凝,使氧組分減少,同時由于液相的氮進入氣相,因此氣相的氮濃度增加了。

多次的重復上述過程,氣相的氮濃度就不斷增加,液相的氧濃度也能不斷的增加。這樣經(jīng)過多次的蒸發(fā)與冷凝就能完成整個精餾過程,從而將空氣中的氧和氮分離開來??諝庠谙滤怀醪骄s為氣氮、污液氮和富氧液空,以節(jié)流閥減壓降溫后送至上塔作為上塔的回流液,進一步實現(xiàn)精餾,最終在上塔頂部得到純氮氣,下部得到合格的液氧產(chǎn)品。


在大型空氣分離裝置的生產(chǎn)過程中,根據(jù)工藝流程的要求,有多種不同類型的重大設備,這當中包括了多臺透平機械壓縮機機組,典型的壓縮機一般有:

1、空氣壓縮機/氮氣壓縮機

空氣分離裝置中的大型空壓機多采用離心和軸流兩種結構,其經(jīng)常還會與一臺增壓機連在一根軸系上,由一臺汽輪機驅動,這類空壓機組通常俗稱為一拖二機組。如圖所示:空壓機組的空壓機為軸流壓縮機,增壓機為多軸的離心氮壓縮機。

2、膨脹機

膨脹機是為空分裝置提供冷量的設備,氣體在膨脹機中等熵膨脹而制取冷量,補充系統(tǒng)冷損。

3、氧壓機(汽輪機/電機驅動)/

空分裝置流程主要分外壓縮、內(nèi)壓縮。外壓縮是利用氧氣壓縮機將空分裝置出來的低壓產(chǎn)品氧氣壓縮至用戶所需要的壓力等級,內(nèi)壓縮是采用液氧泵對產(chǎn)品液氧進行壓縮,然后換熱汽化的一種流程形式。

內(nèi)壓縮流程的形式應用比較多,它的優(yōu)點是:無高溫氣氧、火險隱患小,碳氫化合物積聚的可能性大大降低。

空氣壓縮機組的控制

原料空氣壓縮機和增壓空氣壓縮機采用離心式或軸流式壓縮機,由透平蒸汽輪機驅動。原料空氣壓縮機的作用是為裝置提供帶壓原料氣,增壓空氣壓縮機的作用是為裝置提供膨脹及液氧氣化的氣源。

1、機組的轉速控制

汽輪機作為原動機,汽輪機啟動階段的轉速控制,根據(jù)汽輪機主機廠提供的升速曲線,進行升速控制。在機組暖機升速、過臨界轉速、進入工作轉速和降速停機過程中,要投入壓縮機調(diào)速控制。在機組控制系統(tǒng)中預先存儲壓縮機的升速曲線,根據(jù)預設的轉速,將轉速目標值轉換為轉速PID的給定值,保證機組穩(wěn)定工作在額定轉速。


機組轉速控制


壓縮機入口導葉控制

2、壓縮機入口導葉控制

壓縮機的入口流量控制需要通過調(diào)節(jié)壓縮機入口導葉開度實現(xiàn)。壓縮機入口流量調(diào)節(jié)器的輸出,送到入口導葉調(diào)速器,控制空壓機的入口導葉開度,組成串級調(diào)節(jié)回路來穩(wěn)定空壓機的入口流量。

3、壓縮機防喘振控制

在機組啟動和停機過程中,由于機組流量過低,如果沒有防喘振控制,就會因喘振的發(fā)生對機組造成損壞。

當工況變化時也需要通過喘振控制來使壓縮機遠離喘振區(qū)域,避免損壞機組。

4、全自動節(jié)能優(yōu)化控制

分子篩切換時會造成壓力和流量波動,造成入口導葉與喘振閥的動作,使裝置工況不穩(wěn),影響下游產(chǎn)品質量。為了解決這個問題,必須實現(xiàn)性能控制與防喘振控制的優(yōu)化。抑制分子篩切換時的擾動,穩(wěn)定裝置工況,保證產(chǎn)品質量。

5、機組能效在線性能監(jiān)測

機組在線性能監(jiān)測是考核機組能效的度量手段。當工況發(fā)生變化時,機組的能效指標會發(fā)生改變。實時監(jiān)視汽輪機、壓縮機功率和效率的變化。使用該方法對機組改造的實際效果進行評估,為進一步計算空分裝置的收益提供參考。

機組能效在線性能監(jiān)測


節(jié)能優(yōu)化控制案例

某石化空分裝置系統(tǒng)優(yōu)化,增加分子篩切換時進行精細控制,裝置開車及機組精調(diào)完成后,分子篩切換時空壓機出口壓力波動由原來的超過150KPa優(yōu)化至不超過20KPa,整個裝置運行更穩(wěn)定,效率更高。


編者按

工業(yè)氣體被形象地稱為“工業(yè)血液”,空分裝置則是氣體生產(chǎn)的“心臟”??辗衷O備是一種高能耗設備,在煤化工行業(yè)中,制氧能耗約占總能耗的10%15%,甚至更大??导辗盅b置節(jié)能優(yōu)化控制解決方案在滿足原技術指標的基礎上對系統(tǒng)進行優(yōu)化升級,實現(xiàn)真正意義上的節(jié)能降耗,為工業(yè)企業(yè)的持續(xù)發(fā)展提供客觀的支持和幫助。

《康吉森“雙碳”專欄》簡介

“雙碳”目標下,工業(yè)節(jié)能是當前的首要任務。作為流程工業(yè)安全及關鍵控制系統(tǒng)的行業(yè)領軍企業(yè),康吉森自動化幫助更多工業(yè)企業(yè)節(jié)能增效責無旁貸。為響應國家政策號召,順應新的發(fā)展趨勢,為工業(yè)企業(yè)節(jié)能增效保駕護航,康吉森自動化特推出《康吉森“雙碳”專欄》系列報道,借助自身經(jīng)驗積累和技術優(yōu)勢,向廣大工業(yè)企業(yè)提供節(jié)能優(yōu)化控制解決方案。


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