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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: TB6577 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 esized 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 21 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 22 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。 23 技术特点 231 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%。 232 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。 233 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。 234 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 361 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 31 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999% 左右时, 整套空分设备的氧提取率在961% ~ 997% 之间。 32 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40 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46 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。 33 解决方案 331 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。 332 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, 46 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。 333 75MPa 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。 334 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。 335 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。 336 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。 34 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361 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 41 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。 42 直径46 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。 43 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。 44 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 48m 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、75 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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