空分工程设计的问题

近几年来，国内外空分技术发展较快，在工艺流程及主体设备以及自动化水平等方面均有了明显的进步，这对从事空分专业的广大技术人员来说，应该是一件好事，只有不断发展新技术，才能使空分行业更加兴旺发达。

    近一段时间来，我院在不同地区，对不同容量不同流程的国内外空分设备承担了工程设计，也参与了一些设备的谈判，接触到一些流程、设备及工程设计中的问题，现就其中的有关问题提出一些看法和意见。

1 空压机系统

    近两年来，供空分用的空压机，出现了一些问题，主要是震动值超标，引起生产不稳定。此后在两个钢厂的国产空压机上出了事故，引起了大家的注意，随之而引来了一股小小的引进热。当然，引进必要的国外先进的空压机无可非议，特别是对最终用户要确保空分设备稳定生产的心情可以理解，但是对国内的空压机如何改进和提高，仍需要重视和解决。在国内空压机发生事故之后，引进的国外空压机也相继发生了一些事故。对上述国内生产及国内引进的空压机发生的事故，曾进行过一些议论，也开过一些会议，但未有明确的意见，更未见到有关制造厂家发表的文字材料。

    关于空压机的震动，目前的情况一般是国外机组比国内机组要小，当然有些国内机组运转也较好。而引起震动的原因是复杂的，在这里先暂将压缩机本身的原因除外，另外也将施工安装的因素暂不作讨论，只就与系统及工程设计的有关问题作一些讨论。

    (1)压缩机基础，这是非常重要的，一定要坚固牢靠，因此要按照制造厂家提供的数据和要求，严格按照有关规范，由有资格有经验的设计单位进行计算与设计。

    (2)压缩机前后管道的设计，国外压缩机厂家的压缩机组在进出口上均设有膨胀器或软连接装置，而且这些装置均随机带来，并且还对进出口管道的设计提出了相关的要求，不要使压缩机外的管道对压缩机产生影响。相比之下，国内生产的空压机，则有些带膨胀器，而有些则不带，对进出管道的设计，也未提出严格的要求，希望今后在工程设计中与制造厂家密切配合，共同解决这些问题。

    (3)防止灰尘、水垢及其他杂物沉集在叶轮上，影响叶轮的动平衡和引起震动。关于灰尘，主要来源于空气，这除现场的环境条件外，还应对空气过滤器的效率有一定要求。例如有的厂家对2μm以上颗粒的过滤效率要求达到99％，但缺乏一个行业统一标准。目前国内氧气站内的空压机前空气过滤器，若空分设备为国内设备，多数用布袋除尘器，其中又分为脉冲喷吹型及外套环反吹型，近来也有滤筒型(自洁式)。而国外空分设备所配套的空气过滤装置则五花八门，但有的经实践后也不好用。国内曾发生过有滤布纤维及滤纸进入空压机的事例。也有灰尘沉集在叶轮的情况。因此选择一个高效、可靠、运转周期长、检修方便且价格适中的空气过滤器是非常重要的，希望有关的设备生产厂家完善和开发出一些新产品。

    关于空压机与空气过滤器之间的管道，一般都采用碳钢管道，在南方潮湿地区，碳钢管有生锈的可能。有的国外公司要求用不锈钢管，这对防止锈蚀是很好的，但价格较贵，是否有此必要?某工程因该管道已施工，后改用钝化的方法，但这么大的管道进行钝化也有一定困难。

    此外，压缩机级间的冷凝水有效排除(特别是3、4级)，也是要引起注意的问题。总之，要防止灰尘等沉集在叶轮上而引起叶轮锈蚀和影响动平衡。引进的国外空压机有的已采用向叶轮定期喷水除垢的装置；有的压缩机厂家在样本上介绍，在压缩机内部采取防腐处理的措施；有的压缩机厂家将3、4级叶轮采用不锈钢材料，这些当然有利于压缩机的安全运转。

2 空分预冷系统

    在目前国内常规的分子筛增压空分流程中，一般均有空冷塔、水冷塔及冷冻机组的配置。采用喷淋式空气冷却塔，有传热效果较好、冷端温差小、能够洗掉氨、硫化氢及部分二氧化碳等优点。采用冷冻机组能使进分子筛系统的空气温度较低。但是这种常规配置在使用中也产生一些问题。

    一是分子筛系统进水问题。这已在国内一些单位发生过多次类似的事故，虽多是因操作上不慎造成的，并已在空冷塔的控制和排水装置上作了改进，有的厂家在分子筛结构上也有改进。而国外引进的空分设备，有的采用两段管壳式冷却器代替常规流程中的空气冷却塔，将压缩机末端冷却器和空气冷却塔合二为一，前段用常温水冷却，后段用低温水冷却，它完全杜绝了过量水进入分子筛吸附器的可能性，只是这种换热器结构较复杂，造价也较贵。由于去掉了空冷塔，总体投资差不多，可是不能起空冷塔洗涤空气的作用，但是这种管壳式换热器的优点是传热效果好，降低功耗，节省运转费用。据介绍，30000m³/h空分设备用这种结构的两级管壳式末级冷却器取代直接冷却的空气冷却塔，年运转费用可降低约110万元人民币。

    另一个问题是冷冻机的可靠性。国产的冷冻机大多不太好用，因此在工程中多采用引进或合资产品，这些引进产品中仍有一些不太好用，而给最终用户的稳定生产带来麻烦。由于采用分子筛增压流程，使空分设备的纯氮产量能大量增加，氮氧比可达3：1。在国外空分设备中有利用大量氮气进水冷塔来降低水温，从而取消冷冻机。国内引进的空分设备中已有采用此种流程的设备。

    杭氧已为邯郸钢铁公司设计了此种流程的空分设备，正在建设中。此种流程虽省掉了冷冻机，但进分子筛吸附器的气温要升高，分子筛吸附器要增大，而产品氮氧比只能≤1。但是在某些钢厂，氮气用量有可能随着工艺设备的变化而逐渐增大，有的钢厂曾因氮气供应量不足而想开发利用污氮或增设冷冻机的办法，因此钢厂在采用此种流程的时候，工程设计中最好适当预留冷冻机的位置和可能性，以增加其灵活性。

3 内压缩流程、氧压机安全及主冷防爆

    氧压机的安全，国外一直在关注，特别是高压的透平氧压机，几家著名的公司联合在一起制定了氧透的规程。国内的氧压机，活塞式的曾出过多起事故，而氧透则运行相对稳定。液氧泵内压缩流程，国外早已开发，近来有更加大力推广的趋势。国内过去在化工企业中采用内压缩流程，近年来在太钢与BOC的合资企业中首次在国内钢厂内采用了压力为3MPa的内压缩流程空分设备，开封空分设备厂为涉县钢铁厂提供了氧压为0．6MPa的内压缩空分设备。

    据有关资料介绍，用液氧泵的内压缩流程比用氧压机(氧透、单台)的外压缩流程，一般在能耗上要多5％~7％，而投资上要节约9％~10％，据了解，国外厂家正努力使内压缩流程能耗降下来。但在安全上，一则液氧泵要比氧压机相对安全一些，二则因投资问题，一般氧透只设1台，而液氧泵可配2台，一备一用或两台各50％运转。此外，内压缩流程中液氧的大量流动，给整个空分设备特别是主冷防爆有一定好处，空分设备在采用分子筛吸附流程后，由于分子筛及硅胶除吸附二氧化碳外，还能吸附乙炔及其他碳氢化合物，比之切换式板式流程，增加了安全性，这是有目共睹的。但实际上分子筛并不是万能的，分子筛对乙炔及二氧化碳有较强的吸附能力，而对其他的碳氢化合物则不然，有资料介绍其吸附性能如图1。从图可见，正常情况下甲烷完全不能被吸附，乙烷、乙烯及丙烷只能部分吸附。当分子筛吸附器在短时间故障或工况不稳定时，则更有可能将杂质带进空分设备。

近几年来，国内外几套大中型空分设备(包括国产及国外制造的)发生了爆炸，其中有切换板式流程的，也有分子筛流程的，这从一定角度上说明分子筛流程的空分设备也不是完全保险的。从这些事故所发表的有关材料及文章来看，这些事故的发生均与碳氢化合物有关，而防治的办法，有的资料^[2]要加强监测和增加液氧吸附过滤器(有的空分设备在采用分子筛流程后将其取消了)；有的资料^[1]则明确提出空气中含有的、没有被分子筛吸附器吸附的所有碳氢化合物，都积聚在低压塔的底部。根据物理平衡，这些碳氢化合物不能随气氧产品清除，而只能以液相状态处理。这也就是说，以液氧产品的形态排放液氧的方法，或者通过内部增压流量，通过从冷凝器以液态排放液氧总量来控制，降低低压塔积液槽内碳氢化合物的含量。

    现在许多流程及设备中已规定排放一定数量的液体，有资料提出要提高排放比例到不低于空气量的0．2％^[1]。因此可以看出，采用内压缩流程是有利于空分设备的安全，有利于主冷的防爆。有的资料^[3]提出，在较高的液氧压力下，随着液氧沸腾温度的升高，烃的挥发度及溶解度也随之提高，因此，烃累积的可能性是降低的。当氧的沸腾压力在0．3MPa以上时，就可以排除烃累积到危险浓度的可能性。

    当然是否采用内压缩流程需要综合各方面的因素来决定，可喜的是有关单位及设备制造厂家已经在开发这种流程。此外，关于主冷的防爆机理，过去曾有过很多的文章和资料论述，最近发生的几起事故，在发生爆炸的机理上，一些公司和专家有一些不同的看法，这也是正常的事。但是对大量排放液氧的空分设备(内压缩流程)都认为是安全的；有的资料^[3]指出，已经在使用约50套内压缩流程的空分设备，迄今还没有发生过任何意外事故。

4 空分工程管道设计

    空分管道的热膨胀及冷收缩，在空分设备管道设计及工程管道设计中都应给予重视。冷箱中一些冷管道因冷收缩造成断裂而漏液或跑冷的事例，不但过去发生过，在最近一些工程中也有发生，这些事不完全是设计的事，与施工质量有密切的关系。近年来在设备内冷管道设计中已有很大改进，但是工艺流程的改进(例如无氢制氩及内压缩等)，有的使冷箱加高，有的使冷箱内管道压力提高，有的使液体管道增多，这些均使管道的设计更加复杂。

    在工程设计中，由于采用分子筛吸附器，热管道增加，特别是有的设备使用电蓄热器；另外有的设备利用空压机的余热加热再生用污氮，因此要注意处理好热管道的膨胀。在某些工程中曾发生过因热膨胀处理不好而引起管道损坏的事例。此外，由于液化器及液体贮罐的增多，液体管道的设计也逐渐增加，除管道的保温问题外，液体管道的冷收缩也很重要。我们最近在某国外公司的管道设计中使用了应力计算及三维管道设计等软件，得到较好的效果。

    氧气管道的安全，一直是大家关心的重要问题，国内过去曾发生过几次较大的重大事故，为此各方面都很注意，采取了各种措施和作出了一些规定，保证了使用的安全。有关氧气管道的规程，已有《氧气站设计规范》(GB50030—91)；《氧气及相关气体安全技术规程》(GBl6912—1977)；《空气分离设备用氧气管道技术条件》 (JB5902—92)三个主要文件，本文无意在此对这三个文件规定的内容及其关系作评述，实际上该三个文件中的一些主要规定，例如流速及管材选用上有许多相同之处，当然也有一些区别。但是在阻火管的材质选用及设置的地点上；在氧气过滤器的材质选用及设置地点上；在铜阀的选用地点上等，则差异较大。在氧气管道上无疑安全是第一的，但也存在一个经济性及在设计和工程中可实施性的问题，实际上在一些不同工程应用中也存在差别，因此希望有关部门能组织有关方面的专家和同行们，通过会议或其他型式交流和沟通一些看法，如能取得一些共识则更好，将有利于整个空分行业的发展。

    以上是就一些问题谈了个人的一些看法，因限于篇幅，有些问题不可能展开深入讨论，因而可能有片面性，再者限于水平，有不当之处，希望批评指正。