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您当前的位置: 深冷技术网 → 技术交流 --> 空气过滤常识 --> 帖子:“60000m3h等级内压缩流程空分设备的研制”
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帖子主题:60000m3h等级内压缩流程空分设备的研制
楼主:onetwofree [2011/7/30 17:19:33]
杭州杭氧股份有限公司研制的60000 m3/ h 等级内压缩流程空分设备项目是以大唐国
际多伦3 套58000m3/ h 空分设备为依托工程进行的。文章介绍60000m3/ h 等级内压缩流程空分
设备研制的基本情况、主要技术内容、具体实施过程与技术创新点等内容, 指出该项目的研发成
功, 填补了我国在60000 m3/ h 等级内压缩流程空分设备设计和制造上的空白。
关键词: 大型空分设备; 内压缩流程; 研制; 创新
中图分类号: TB657􀀂7 􀀁 􀀁 􀀁 文献标识码: A
Development of 60000 m3/ h grade inner compression
process air separation plant
Mao Shaorong, Zhu Shuoyuan, Zhou Zhiyong, Lu Jie
(Hangzhou Hangyang Co. , Ltd . , 388 Dongx in Road, H angzhou 310004, Zhej iang , P . R. China)
Abstract: T he 60000 m3/ h grade inner compression process air separation plant developed by Hangzhou
Hangy ang Co. , Ltd. is for the project of three sets of 58000 m3/ h air separat ion plant of Datang Internat ional
Duolun. Here, the basic part iculars, main technical contents, implementat ion process and technical innovat ion
of development of the 60000 m3/ h grade inner compression process air separat ion plant are discussed. It s
successful development fills the gap in China in design and manufacture of 60000 m3/ h grade inner compression
process air separat ion plant .
Keywords: Larg e􀀁sized air separat ion plant ; Inner compression process; Development ; Innovation
1 􀀁 项目概况
随着我国国民经济、科学技术的迅猛发展, 大
型空分设备的需求量越来越大。60000 m
3
/ h 等级
空分设备是为大型煤化工、大型化肥、大型钢铁冶
炼等重要工业装备配套的不可缺少的关键设备。
自20 世纪70 年代以来, 我国先后引进了30
多套大型化肥装置, 配套的大型空分设备均为进口
设备, 而同期新建的大型空分设备也均由国外厂商
成套, 我国大型空分设备市场被国外厂商瓜分殆
尽, 制造利益也基本被国外厂商独享。当时的状况
是: 一方面随着国民经济发展和科学技术的不断进
步, 重大工程项目配套空分设备的容量正不断地增
大, 数量不断地增长; 另一方面, 我国还没有一套
􀀂 以我为主 、自行设计制造的60000 m
3
/ h 等级内
压缩流程空分设备, 仍然在高价引进。实现大型空
分设备国产化并替代进口设备已经显得非常迫切。
杭州杭氧股份有限公司是国内空分行业的龙头
企业, 具有60 年生产空分设备的历史, 是我国大、
中型空分及液化设备研究开发中心和制造基地, 是
国家21 家重大装备国产化基地。杭氧已设计、制
造了4000 多套空分设备, 拥有340 多套大、中型
空分设备的生产业绩, 其中20000 m3/ h 等级空分
! 41 !
设备38 套, 30000 m
3
/ h 等级空分设备30 套,
40000~ 50000 m3/ h 等级( 60000 m3/ h 等级以下)
空分设备42 套, 从而具备了设计、开发、制造
60000m
3
/ h 等级空分设备的能力。
杭氧60000 m3/ h 等级内压缩流程空分设备研
制的依托项目是大唐国际多伦3 套58000 m3/ h 空
分设备。大唐国际发电股份有限公司( 简称: 大唐
国际) 在内蒙古多伦县投资的大型工业化应用煤制
甲醇生成丙烯的项目, 需要配置3 套60000 m3/ h
等级内压缩流程空分设备。多年来国外企业在这一
等级空分设备市场上一直处于垄断地位, 杭氧设
计、制造大型空分设备的能力从40000 m
3
/ h、
50000 m3/ h 等级向60000 m3/ h 等级的快速成长,
有助于打破国外厂商的垄断局面, 并提高自身在国
际市场的竞争力。
2 􀀁 项目技术内容
2􀀂1􀀁 产品构成
大唐国际多伦58000 m3/ h 空分设备由空气压
缩系统、特大型空气预冷系统、特大型分子筛纯化
系统、增压透平膨胀机制冷系统、精馏塔( 换热和
精馏) 系统、液体产品储存系统、仪控系统和电控
系统8 个系统组成, 其工艺流程如图1 所示。
图1􀀁 大唐国际多伦58000 m3/ h 空分设备工艺流程简图
2􀀂2􀀁 各系统的作用及相互间关系
空气压缩系统在为整个空气分离过程提供能量
的同时, 还为整个工厂提供仪表空气。特大型空气
预冷系统能充分利用从精馏塔出来的污氮气具有不
饱和吸湿性的特点, 降低冷却水的温度, 从而使压
缩后的空气温度降低, 并清除空气中的小尘埃和
酸、碱性气体。特大型分子筛纯化系统清除空气中
的水分、二氧化碳和碳氢化合物等, 保证空分设备
安全稳定运行。增压透平膨胀机制冷系统充分利用
膨胀机外输出功, 将气体增压后再膨胀, 为空分设
备提供冷量。精馏塔系统耦合了冷量回收和空气分
离两大功能, 是整套空分设备的核心。在这里, 空
气被分离成氧气和氮气, 高压液氧泵将从主冷凝器
抽取的液氧直接加压至用户所需压力, 液氧再在高
压换热器汽化后出冷箱, 满足最终的工艺需要。液
体产品储存系统将液氧、液氮产品储存起来, 满足
液体产品储备或销售需要。仪控和电控系统实现空
分设备的自动调节、联锁保护, 保证设备安全、高
效运行。
2􀀂3􀀁 技术特点
2􀀂3􀀂1 􀀁 采用特大型液氧内压缩流程技术
针对用户用氧压力高、氮气产品规格不多、装
! 42 !
置规模大的特点, 开发了空气增压膨胀、双泵内压
缩、下塔抽取压力氮气、增效塔的流程, 即采用空
气增压机+ 液氧( 氮) 泵并通过换热器系统的合理
组织来取代氧( 氮) 压机的流程形式。这一流程不
仅安全可靠, 并且经济合理。采用这种流程后, 空
分设备操作维护方便、投资成本低、占地面积小,
节能效果明显, 特别是增效塔技术的开发可以有效
降低原料空压机的排气量, 节能约4%~ 6%。
2􀀂3􀀂2 􀀁 空分设备具有先进的技术性能指标
空分设备最重要的指标就是运行能耗, 大唐国
际多伦58000 m3/ h 空分设备在采用部分液氮内压
缩、下塔抽取大量压力氮气的工况下, 仍能保证较
高的精馏塔氧提取率。同时各配套机组具有优异的
单机性能指标, 这些指标已经达到了国际先进水平,
从而保证了成套设备具有优良的综合性能指标。
2􀀂3􀀂3 􀀁 采用先进可靠的DCS 控制系统和ITCC 控
制系统
成套空分设备采用DCS 控制系统, 具有控制
器电源、通信总线的冗余结构, 可靠性高, 大唐国
际多伦58000 m3/ h 空分设备各机组流程参数的显
示与主要操作调节功能, 均可在中控室通过计算机
完成。空分设备的压缩机组采用ITCC 控制系统单
独控制, 确保压缩机组安全、可靠地运行。
2􀀂3􀀂4 􀀁 装置规模大
之前国内生产的煤化工型空分设备的最大规模
为50000 m3/ h 等级, 而大唐国际多伦项目配套空
分设备的规模达到了58000 m3/ h。众所周知, 空
分设备达到一定规模后, 随着规模的进一步增大,
其设计难度和制造难度成倍地增加, 对各方面的要
求更高。如58000 m3/ h 内压缩流程空分设备精馏
塔的直径、塔体壁厚都比现有产品大, 单元部机的
设计难度增加, 其成形、焊接、安装等工艺难度也
大大增加。58000 m3/ h 内压缩流程空分设备的空
气预冷系统与分子筛纯化系统的处理空气量达
36􀀂1 万m3/ h, 相当于70000m3/ h 等级空分设备的
配套规模, 因此无论是在设计方面还是制造方面,
都是一个大的飞跃。
3 􀀁 项目研制过程
3􀀂1􀀁 项目基本情况及测试、鉴定情况
为了满足依托项目∀ ∀ ∀ 大唐国际在内蒙古多伦
县投资的大型工业化应用煤制甲醇生成丙烯项目的
设计要求, 杭氧对60000 m
3
/ h 等级空分设备进行
了结构上的针对性设计, 主要研制过程如下:
( 1) 2005 年3 月∀ 2005 年9 月, 可行性研究、
前期技术准备;
( 2) 2005 年9 月∀ 2006 年1 月, 寻找依托项目;
( 3) 2006 年1 月∀ 2006 年4 月, 流程开发与
流程计算技术开发;
( 4) 2006 年4 月∀ 2006 年10 月, 核心单元设
备开发, 运输路线勘测、运输方案制定;
( 5) 2006 年10 月∀ 2006 年11 月, 详细总体
设计, 配管与冷箱设计;
( 6) 2006 年11 月∀ 2007 年4 月, 制造工艺开
发;
( 7) 2007 年4 月∀ 2008 年7 月, 工程实施;
( 8) 2008 年7 月∀ 2009 年9 月, 试运行;
( 9) 2009 年9 月∀ 2009 年12 月, 技术改进;
( 10) 2009 年12 月, 用户性能测试考核。
大唐国际多伦58000 m3/ h 内压缩流程空分设
备于2006 年3 月正式签订供货合同, 2007 年1 月
开始交货, 2007 年4 月开始安装, 2009 年4 月裸
冷, 2009 年7 月26 日开车, 7 月31 日产品氧气、
氮气产量达标。空分设备开车以来, 一直都能良
好、稳定运行, 当氧纯度维持在99􀀂9% 左右时,
整套空分设备的氧提取率在96􀀂1% ~ 99􀀂7% 之间。
3􀀂2􀀁 60000 m3/ h等级内压缩流程空分设备研制的
关键技术与难点
特大型内压缩空分流程技术的准确性是决定空
分设备能否顺利投产、开车的关键性技术, 因此研
制时需在传统流程计算的基础上建立面向特定对象
的流程计算和优化技术。为适应空分设备的大型
化, 需要开发特大直径空冷塔、水冷塔与分子筛吸
附器的设计、制造技术。空分设备心脏∀ ∀ ∀ 精馏塔
的技术也随之更新和改进, 对于上塔需开发特大型
( 直径4􀀂0 m) 高通量、低压降规整填料塔技术,
采用MellpakPlus 型填料; 对于下塔需开发特大型
( 直径4􀀂6 m) 新型四溢流筛板技术; 此外, 塔体
直径和壁厚的增加, 为特大型精馏塔的成形、焊接
和组装增加了难度。高压板翅式换热器是空分设备
中的关键部件, 技术含量高, 大型铝制板翅式换热
器钎接工艺也是需要开发的关键技术。60000 m
3
/ h
等级内压缩流程空分设备由于流程复杂、技术要求
高, 为了使整套设备能低能耗、高效率安全运行,
! 43 !
需要在自动化控制技术深化应用方面做大量的工
作。空分设备的大型化, 也为冷箱内容器的合理布
置与管道的优化设计增加了一定的难度。
3􀀂3􀀁 解决方案
3􀀂3􀀂1 􀀁 60000 m3/ h 等级液氧( 氮) 内压缩空分流
程的设计和计算技术的研制
传统的流程计算采用分块化设计, 缺少面向特
定对象的流程优化技术, 人为干扰因素多, 计算速
度慢, 优化性能差。60000 m3/ h 等级内压缩流程
空分设备项目建立了以加工空气量、空压机排气压
力、膨胀压力、膨胀气中抽温度、膨胀气量、高压
空气量、高压空气的排气压力等关键工艺参数为约
束条件, 以单位产品能耗最低为目标的流程优化数
学模型。
开发空分流程计算物性库, 修正物性参数, 使
之适用于超临界状态下的流程计算; 建立面向特定
对象的流程计算和优化技术。对HYSYS 流程模拟
平台进行二次开发, 实现了空分流程的整体模块化
优化设计, 减少了人为影响, 提高了计算速度。
3􀀂3􀀂2 􀀁 大型国产化空分精馏塔的研制
单元设备的优劣, 直接影响到成套空分设备的
运行性能。60000 m
3
/ h 等级内压缩流程空分设备
采用了具有专利技术的四溢流筛板下塔, 4􀀂6 m 是
目前国内最大的下塔直径。在塔的具体结构上也作
了特殊的改进, 使上塔留有足够的平衡空间, 有利
于上塔的氧、氮精馏。
采用精馏塔设计小组自主研制的精馏塔设计与
计算软件包进行精馏塔开发设计, 大型精馏塔设计
与计算软件包主要包括水力学计算软件包、钢制基
础架上的塔稳定性校核计算软件包和低温设备用铝
吊耳强度校核软件包等几个部分。同时, 运用计算
机流场分析与ANSYS 应力分析软件对塔内件结构
的合理性、各零部件设计的安全性、理论分析的可
靠性进行验证, 提高设计的安全性和可靠性。
3􀀂3􀀂3􀀁 7􀀂5MPa 以上压力等级大型铝制板翅式换
热器的研制
板翅式换热器是一种被广泛应用的高效、紧凑
式换热器, 多用于大型空分设备中。空分设备的大
型化, 为其配套的换热器总体积也相应增大, 单台
换热单元截面增大, 换热单元数也增多。板翅式换
热器是空分设备中的关键部件, 又是空分设备节能
降耗的关键设备。
翅片成形技术、钎焊工艺技术、多组分有相变
流体的物性和传热计算、多股流传热流道和整台换
热器传热通道的排列技术、两相流体均匀分布结构
技术, 成熟可靠, 可直接提高高压板翅式换热器的
使用效率。
3􀀂3􀀂4 􀀁 液氧内压缩流程计算机自动化控制技术深
化应用的研制
仪控系统作为成套空分设备的一个重要组成部
分, 根据工艺流程的要求, 配置了各种先进仪表及
自动化装置来监控成套空分设备各部机的工艺参
数, 并实现各主要操作阀门、切换阀门的自动控制
或遥控操作以及必要的联锁保护措施。大唐国际多
伦3 套58000 m3/ h 空分设备控制系统( DCS) 采
用了美国Honeyw ell TPS 系统; 压缩机组控制系统
( IT CC) 首次采用TRICONEX 公司的TS3000 系
统; 并且首次采用远程紧急停车系统, 以保证成套
设备长期、稳定安全运行。
3􀀂3􀀂5 􀀁 冷箱内容器的合理布置
采用两排换热器镜像对称布置的结构, 使流体
从两侧汇入主管, 被均匀地分布到各个换热器, 从
而避免了因气流不均而产生偏差, 同时减少了气流
阻力。
上塔和下塔并列布置, 精馏塔冷箱高度大幅降
低, 热胀冷缩对管道的变形量减小, 安全性和可靠
性大大提高, 杜绝冷箱内泄漏。
采用卧式单层主冷凝器, 减小了容器的直径,
使得运输变成可能, 突破了特大型空分设备的运输
瓶颈。同时, 主冷凝器采用浴式结构, 全浸式操
作, 增大主冷的循环倍率, 防止碳氢化合物、氧化
亚氮在主冷的换热表面析出, 提高了产品的安全
性。另外, 采用节距较大的翅片, 使液氧流动更通
畅, 不易堵塞通道。
3􀀂3􀀂6 􀀁 冷箱内管道设计和应力分析
合理控制管道内工质流速, 使整套空分设备工
况稳定, 同时也减少了成套空分设备的阻力, 降低
了制氧能耗。
采用三维工厂设计系统PDMS 软件进行冷箱
内管道设计, 使管道的布置设计工作更直观、准
确, 材料统计更准确, 单线图更规范。
在设计建模完成后, 应用CAESAR #软件对管
道进行柔性分析。对整个管系和管道的支架在计算
机上模拟计算后, 合理地确定承重支吊架、限位支吊架、防振支架的位置和使用场合, 使管架能最充
分地消除管道的一次应力, 同时将二次应力的产生
控制在最小的范围内。
3􀀂4􀀁 生产应用结果
大唐国际多伦58000 m3/ h 空分设备已于2009
年7 月开车成功, 其相关技术参数见表1。
表1􀀁 大唐国际多伦58000 m3/ h空分设备相关技术参数
产品名称
产量/ ( m3/ h) 纯度
设计值实际运行值设计值实际运行值
氧气58000 58537 ∃99􀀂 6%O2 99􀀂 8%O2
氮气( 1) 71000 71326 % 10 & 10- 6O2 1􀀂 5 & 10- 6O2
氮气( 2) 6500 6555 % 10 & 10- 6O2 1􀀂 2 & 10- 6O2
氮气( 3) 20000 23003 % 10 & 10- 6O2 1􀀂 2 & 10- 6O2
液氮160 300 % 10 & 10- 6O2 ∀
工厂空气30000 30000 常压露点- 40 ∋ ∀
仪表空气11000 11000 常压露点- 40 ∋ ∀
􀀁 􀀁 由表1 可知, 大唐国际多伦58000 m
3
/ h 空分
设备还提供30000m
3
/ h 工厂空气和11000 m
3
/ h 仪
表空气, 原料空压机排气量达36􀀂1 万m
3
/ h, 部分
配套部机已达到70000 m
3
/ h 等级成套空分设备的
配套规模。
4 􀀁 技术创新点
4􀀂1􀀁 高压内压缩流程计算技术及优化技术
高压内压缩流程计算技术及优化技术的开发提
高了特大型空分设备的内压缩流程计算精度, 特别
是对开车后数据的归一化, 为今后特大型空分设备
的内压缩流程计算提供了数据。该技术是建立面向
特定对象的计算和优化技术, 计算和优化速度快,
实现了空分流程的整体模块化优化设计, 减少了人
为影响, 提高了计算速度。
4􀀂2􀀁 直径4􀀂6 m及以上大型规整填料塔的性能及
结构设计技术
上塔采用高通量、低压降、高效的规整填料技
术, 可以使精馏塔的操作弹性更大, 并且降低精馏
过程能耗。同时, 采用新型四溢流筛板下塔, 有利
于降低设计成本, 降低塔高。此项技术将对大型空
分设备高效、稳定、经济运行提供有力的保证, 并
为我国大型空分设备国产化解决了核心技术问题。
4􀀂3􀀁 铝制高压板翅式换热器设计制造技术
翅片成形技术、钎焊工艺技术、多组分有相变流体的物性和传热计算、多股流传热流道和整台换
热器传热通道的排列技术、两相流体均匀分布结构
技术的研制成功, 提高了高压板翅式换热器的使用
效率, 为空分设备的大型化创造了条件。
4􀀂4􀀁 国内最大的有色金属塔体制造技术
由于大唐国际多伦58000 m3/ h 空分设备规模
大, 精馏塔的直径、塔体壁厚都比现有的产品要
大, 其成形、焊接、安装等工艺难度也大大增加。
杭氧通过引进技术和自主创新, 已完全掌握直径为
4􀀂8m 的大型有色金属塔体制造技术。
5 􀀁 结􀀁 论
经过多年研制, 杭氧终于完成了60000 m
3
/ h
等级内压缩流程空分设备流程设计和计算技术开
发、大型精馏塔研制、7􀀂5 MPa 以上压力大型铝制
板翅式换热器研制、液氧内压缩流程自动化控制技
术开发、冷箱内容器的合理布局、管道设计及应力
分析等一系列工作, 并在实际工程项目中取得了圆
满成功, 填补了我国在60000 m3/ h 等级内压缩流
程空分设备上的空白, 鼓舞了我国科技创新的士气
和斗志, 是中国空分行业一次质的飞跃, 充分展示
了我国在特大型空分设备的设计和制造上的实力,
实现了行业为之奋斗多年的夙愿。
通过对60000 m3/ h 等级空分设备国产化关键
技术的研究, 杭氧完全掌握了60000 m
3
/ h 等级空
分设备的设计、成套核心技术, 拥有自己独立的知
识产权。60000 m
3
/ h 等级空分设备国产化及其程
度的不断提高, 可提高国产60000 m3/ h 等级空分
设备在国内市场中的竞争力, 推动我国空分行业上
质量、上水平、上等级, 提高我国重大技术装备的
整体水平。
60000m
3
/ h 等级空分设备国产化, 将促使国
外大公司的大型成套空分设备大幅降价, 使国内用
户受益; 同时, 为降低成本, 国外大公司会通过合
作生产或建立合资企业等方式来降低产品价格, 参
与竞争, 这也为国内提供了就业机会及利税。
总之, 实现60000 m3/ h 等级空分设备国产化,
不仅可以为国家节约大量外汇, 填补国内空分行业
的一大空白, 为企业带来巨大的经济效益, 开拓更
广阔的空分设备国内、国际市场, 还可以极大地提
升我国重大工业装备的设计、制造水平, 使我国空
分装备业的国际竞争力得到较大提升, 并具备国际竞争的能力


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