石化工业发展及对空分设备的要求

编者按：本文为王廷俊先生在中国通用机械气体分离设备行业协会市场分析研讨会（2004大连）上的发言，此次会议上其他专家的观点对于行业同仁把握国家大石化、大冶金等工程发展动向助益匪浅，各发言稿经整理后将在本刊随后各期陆续刊发，敬请关注。

石化工业是国民经济的支柱产业，是为国民经济各行业提供燃料和重要原材料的行业。在石化生产中，空气分离装置是重要的附属生产装置，空分设备的技术发展将对石化工业发展有重要作用。
一、我国石化工业发展预测
经测算，国民经济每增长1%，对石油产品的需要增长0.8％～1％。2003年我国生产原油1.7亿t，进口9000万t，加工原油2.4亿t，基本满足国内需要。生产乙烯560万t，满足国内需要50%。其中中国石化集团生产原油3816万t，加工原油1.23亿t，生产乙烯414万t。为了保证国民经济持续稳定发展，预计2005年原油加工能力达到2.9亿t；2010年我国原油加工能力将达到3.5亿t，成品油满足国内需求。2005年乙烯生产能力达到900万t，满足国内需求50%；2010年乙烯生产能力将达到1400万t，满足国内乙烯需求的56%。为此石化工业将加快调整步伐，实现大型化、集约化和一体化，提高国际竞争能力。
今后石化生产规模将进一步大型化，单系列炼油装置规模将达到1000万t/a以上，乙烯生产单系列规模将达到80～100万t/a。"十一五"期间，将对镇海、上海、燕山、高桥、金陵、扬子、茂名、广州、齐鲁、福建、大连、兰州等炼油厂进行改造，使之形成具有国际竞争力的千万吨级炼油基地，还要在青岛、海南等地新建一批500～1000万t/a大型炼油厂。发展以乙烯、芳烃和三大合成材料为主线的石油化工，将重点建成若干个百万吨乙烯和百万吨芳烃的生产基地。为此要继续对原有乙烯工厂继续进行改造，抓紧建成扬巴（南京）、赛科（上海）、福建、惠州、天津、镇海等80～100万t/a大型乙烯项目。其中，即将改造的茂名100万t乙烯项目，总投资43亿元，2006年完成。正在建设的中外合资扬子－巴斯夫60万t乙烯项目，总投资214亿元，2004年将全部建成；中外合资上海－BP 90万t乙烯项目，总投资223亿元，2005年全面建成；中外合资惠州80万t乙烯项目，总投资355亿元，2005年全面建成。即将建设的福建800万t炼油和80万t乙烯项目，总投资315亿元，2007年全部建成。镇海和天津80万t乙烯项目也将在"十一五"启动。
二、石化工业发展对石化装备工业提出更高的要求
世界科技进步日新月异，石化领域的科技发展将更加迅速，高技术在石化产业的应用不断深入，每隔3～5年就有新的工艺技术产生，逐步形成自己的核心技术和专有技术。随着石化技术进步的加快，石化装备业也在不断开发新的石化装备技术来满足生产的需要。
目前建设一个石化装置，工程建设投资达到5～10亿元；建设一套千万吨级炼油厂需要投资90亿元；建设一套百万吨级乙烯厂，总投资达到200多亿元。老装置改造和新建装置都对设备提出了更高要求。在石化工程建设中，设备投资占工程建设投资的50%左右，据初步统计今后每年全国石化装备的投入将达到300亿元，"十一五"期间设备投资将达到1500亿元。预计"十一五"期间需要石化专用设备达230万t，投资约475亿元，压缩机的需要量达2000多台，石化行业需要各种工业泵达40 000多台。
国际上石化专用设备（反应器、塔器、换热器）技术发展，根据石化工艺技术发展的要求，对各种石化专用设备进行了反应动力学、流体力学、传质和传热机理、分离和干燥原理研究和设计计算研究，开发了设备的设计软件包和计算机程序，进行设备的结构设计，建立石化专用设备实验基地，通过试验完成设备结构设计，开发了从单机设备到单元设备的设计技术。其中（1）反应设备的发展趋势向着由经验放大走向数学模拟放大，实现大型化、结构简单化、操作自动化、研究方法趋向综合化方向发展。（2）换热设备的性能对石化产品质量、能量利用率以及系统的经济性和可靠性起着重要的作用。列管式、板式、板壳式、板翅式换热器以及各类高效换热器的发展十分迅速，工业发达国家换热器热回收率最高可达96%。随着工业装置的大型化及高效化，换热器也趋于大型化，并向低温差、低压力损失方向发展。（3）塔器技术将向着设备开发的高效化、复合化、塔内件匹配最优化、过程传递行为模型化、工程设计方法科学化等方向发展。（4）离心压缩机容量不断增大，以满足石化生产规模不断扩大的要求；随着新技术的发展，新型气体密封、磁力轴承和无润滑联轴器的出现，不断开发高压压缩机和小流量压缩机产品；进一步研究三元流动理论，不仅应用到叶轮设计，还发展到叶片扩压器静止元件设计中，以期达到最高的机组效率；低噪音化，采用噪音防护以改善操作环境。（5）往复式活塞压缩机发展方向为大容量、高压力、结构紧凑、能耗少、噪声低、效率高、可靠性高、排气净化能力强方向发展；普遍采用撬装无基础、全罩低噪音设计，大大节约安装、基础和调试费用；不断开发变工况条件下运行的新型气阀，气阀寿命大大提高；在产品设计上，应用压缩机热力学、动力学计算软件和压缩机工作过程模拟软件等提高了计算准确度，通过综合模拟模型预测压缩机在实际工况下的性能参数，以提高新产品开发的成功率。（6）石化用泵发展方向主要是大型化、高速化、机电一体化及泵产品成套化；标准化、系列化和通用化；多品种、性能广；寿命长及高可靠性；高效率、小型化；泵用密封、轴承生产大型化和专业化。特别是高温泵、低温和超低温泵、高速泵、精密计量泵、耐腐蚀泵、输送粘稠介质和带固体颗粒介质泵、屏蔽泵技术发展很快，可以满足石化生产的特殊需要。（7）阀门向大型化、高参数化、自动化和成套化方向发展；产品系列不断增加，新产品不断涌现，如紧急切断阀、快速关闭阀、防火阀、水冷阀等，基本参数有很大提高。
生产规模的大型化要求石化设备进一步大型化。设备大型化促使设备设计技术、制造和检验技术、运输技术、现场组装和热处理技术以及新材料有较大的发展。在石化设备大型化方面，单系列1000万t/a以上的常减压蒸馏装置的常压塔直径达到 9000～ 10 000mm，减压塔直径达到 16 000mm。400万t/a重油催化裂化装置沉降器直径达到 8000～ 9000 mm，再生器直径达到 15 600mm。加氢装置的规模一般要达到200～400万t/a以上，其中加氢裂化反应器的外径达到 5000mm以上，壁厚将达到300mm，单台重量将达到1000t以上。煤液化加氢反应器直径达到 5500mm，壁厚达到340mm，单台重量达到2040t。100万t/a乙烯裂解装置中的乙烯裂解炉单台能力将达到10～15万t/a。50万t/a聚乙烯反应器直径达到 8000mm。45万tPTA装置复合钛材氧化反应器直径达到 7600mm。换热器是石化装置中用量最多的石化专用设备，除了常用的大型管壳式换热器外，其他高效换热器如板壳式换热器得到应用，换热面积达15000m2。乙烯装置需要的钣翅式换热器（冷箱）设计温度最低达-190℃，最高压力达到9.6MPa，换热器单元尺寸达到1200mm×1300mm×7500mm。大型石油储罐将达到20万t，圆筒型石油液化气低温储罐将达到30 000～100 000m3，双壁圆筒型大型乙烯低温储罐达到10 000～20 000m3。
石化通用设备向大型化、高精度、长寿命方向发展，更多地按石化生产工艺参数采用专用设计、个性化设计和制造，以使设备在最佳设计工况下运行。400万t/a催化裂化装置富气压缩机功率达到6000kW。300万t/a加氢裂化装置用的往复式新氢压缩机功率达到5000kW，排气压力达到19MPa，活塞力达到80～100t。乙烯裂解装置最关键的裂解气压缩机，流量达到261 030m3/h，功率达到45 000kW。高压聚乙烯超高压往复压缩机排气压力达到350MPa。45万t/aPTA装置工艺空气压缩机功率达到25 000kW。48 000Nm3/h空分装置空气压缩机功率达到21 000kW。

三、空分装备在石化生产中的作用及其要求
空分装置是炼油化工厂的重要附属生产装置，它主要提供石化生产中必不可少的氮气和氧气。氮气作为石化生产的保护气体，用于密封、置换、干燥和安全保护；氧气作为原料气体，直接参与氧化反应过程。
过去单一的500万t炼油厂需要3000Nm3/h空分装置；1000万吨炼油厂需要6000Nm3/h空分装置。过去30万t乙烯厂需要10000Nm3/h以上空分装置。如扬子30万t乙烯工程需要O/N：10 000/18 000Nm3/h；茂名30万t乙烯工程需要O/N：12 000/23 000Nm3/h；齐鲁30万吨乙烯工程需要O/N：19 800/27 000Nm3/h。过去30万t化肥厂，氧气可以作为氧化气体，氮气作为合成氨的原料，要30 000Nm3/h空分装置。如九江30万t大化肥工程需要O/N：21 400/23 540Nm3/h。乌鲁木齐30万吨大化肥工程需要O/N：28 400/37 000Nm3/h。
现在随着石化工艺技术的不断进步，石油化工厂需要大量的氧气和氮气，大型空分装置的需要不断增加。如为了降低化肥生产成本，最近国内不少以石脑油和重油为原料的30万t/a大化肥装置进行改造，其中中国石化集团所属洞庭氮肥厂、安庆化肥厂、湖北化肥厂采用壳牌技术，以煤粉为原料，需要配备48 000Nm3/h空分装置；金陵化肥厂采用德士古技术，以水煤浆为原料，需要配备56 000Nm3/h 空分装置。新建青岛1000万t炼油厂需要配备85 000Nm3/h空分装置，新建福建800万t炼油和80万t乙烯项目需要配备80 000Nm3/h空分装置。
中国石油和中国石化集团所属65个炼油企业和化工企业有200多套空分装置，有力地保证了生产装置的正常生产。可以说，石化企业缺少一套生产装置，还可以保持短时间运行；而空分装置停产，将造成全厂大面积停产。因此今后石化生产对空分装置总的要求是设计参数和工艺技术先进，整套装置运行可靠，技术成熟，流程先进，操作方便，能耗低，安全性好，控制容易，连续运转周期不少于二年时间。
空分装置的生产流程，国际上在20世纪70年代主要采用板翅式换热器切换流程，80年代主要采用带增压透平膨机的常温分子筛净化空气流程。90年代采用了规整填料塔技术、全精馏制氩技术和变负荷智能型DCS集散控制技术。分馏塔上塔和粗氩塔采用规整填料塔，大大降低了塔的阻力，提高了精馏效率，使能耗下降；采用了全精馏制氩技术，取消了加氢除氧成套装置，简化了流程；采用了新型的冷凝蒸发器，大大地提高了传热效果；采用了新型的空冷系统，取消冷冻机组，既降低能耗，又提高了空分设备运行的可靠性；运用引进的美国NREC软件，开发了新型高效三元透平压缩机和透平膨胀机；采用先进的DCS计算机控制技术。
新型空分技术对空分设备的要求越来越高，如高效透平压缩机、高压多级离心低温液体泵、高压板翅式换热器、高效中高压带液透平膨胀机等。空分装置规模也发展到50 000Nm3/h,最高压力达到8.7MPa。今后，内压缩流程由于其安全性和高可靠性等优点将越来越被用户接受，但要解决内压缩流程设计与计算技术和高压换热器的设计制造技术。国内大型空分装置开发起步较晚，流程的优化设计需要进一步提高，产品规格需要进一步开发，特别是成套设备的性能和质量有待进一步提高。空分装置总成套单位要有先进的技术，也要有技术和设备总成的能力，要有对成套设备制造企业控制的能力，还要有良好的技术服务能力。
随着石化工业规模的发展和技术进步，今后建设千万吨级炼油厂和百万吨级乙烯厂对大中型空分设备的需求不断增加。今后新建的大型炼油化工一体化的工厂，虽然6000～10 000Nm3/h中型空分装置仍是需求的主流，但40 000Nm3/h以上大型空分装置会不断增加。预测"十一五"期间石化工业中型空分装置需要40套左右，大型空分装置需要10套左右。为了降低投资成本，石化工业将更加注重立足国内，实现大型空分装置的国产化。目前杭州制氧机厂为中国石化化肥改造承担的两套48 000Nm3/h空分装置，是目前石化工业中最大的空分装置，设计和设备制造大部分实现国产化，它将是石化工业中大型空分装置的示范项目，可以为石化企业今后使用国产大型空分装置增加信心。
从目前情况看，空分装置中的主要设备大部分可以在国内制造，但还有部分设备需要进一步攻关，如大型原料空气离心压缩机、增压离心氮气压缩机、增压透平膨胀机、高压板翅式换热器、高压液氧泵、高压液氮泵、DCS系统等。特别是透平膨胀机、高压液氧泵、高压液氮泵等设备现在还需要进口。这些关键设备不仅在空分装置中应用，而且在其他生产装置中应用也有广泛需求。
原料空气压缩机。原料气空气压缩机不仅在化肥装置中应用，而且在化工装置中应用很多。过去以重油为原料的30万t/a大化肥空分装置的原料空气压缩机流量达到150 000Nm3/h，功率达到15 000kW。现在采用煤粉为原料的大化肥空分装置中的原料空气压缩机流量达到262 700Nm3/h,功率达到23 000kW。在45万t/aPTA装置中的原料空气压缩机，采用离心式压缩机带尾气透平，流量达到162 400Nm3/h，功率为25 000kW。在5万t/a丙烯腈装置中的原料空气压缩机采用离心式压缩机，流量达到55 700Nm3/h，功率达到3035kW。这些大型空气压缩机在设计和制造技术上都有不同的难度，需要根据需要对原料气空气压缩机进一步攻关，特别是提高效率和可靠性。
板翅式换热器（冷箱）。板翅式换热器不仅在空分装置中应用，它也是乙烯生产装置和天然气液化装置中必不可少的关键设备。空分装置中的板翅式换热器最高压力达到8.7MPa。乙烯装置中的板翅式换热器压力目前最高为5.2MPa，天然气液化装置中的板翅式换热器压力达到7.2MPa。一套80万t/a乙烯裂解装置，需要板翅式换热器20台左右，设计压力为4～5MPa，设计温度最低达到-195℃，流道数量最多达到15股流，而且有相变的股流较多。如杭州制氧机厂制造的燕山72万t/a乙烯改造用的冷箱，有4组/13台换热器，全部装在一个冷箱内。扬子65万t/a乙烯改造需要的冷箱，有11组/22台换热器，分装在2个冷箱内。上海70万t/a乙烯改造需要的冷箱，有16台换热器，分散安装。齐鲁70万t/a乙烯改造需要的冷箱，有19台换热器，分装在4个冷箱中。今后茂名80万t/a乙烯改造和新建的福建、镇海、天津等80万t/a乙烯工程都需要大量板翅式换热器，市场需求广阔，预测"十一五"乙烯装置需要的板翅式换热器需求量达到200台左右。
石化工业技术在不断发展，空分装置作为一个重要的生产附属装置的需求也在不断增加，对空气分离技术和设备的要求越来越高，总的是要求是先进、高效、可靠、安全，希望空分设备制造企业不断跟踪世界技术发展提高自己的技术水平，加大技术开发力度，提高成套设计和制造能力，特别是注重产品质量和可靠性，完善售后服务，以满足石化工业发展需要。国内杭州制氧机厂自1978年引进林德公司技术以后，已为用户提供了近250多套大中型空分设备，其中10 000Nm3/h以上空分装置80多套。特别是杭氧厂的乙烯冷箱产品已经占领了石化企业的大部分市场，设备价格是国外的1/2到1/3，产品质量和售后服务得到石化企业的信赖。开封空分设备厂、四川空分设备厂也都可以生产大中型空分设备，各有各的特点和长处，技术水平和制造能力不尽相同，用户对各生产厂的评价各有高低。希望今后在激烈的市场竞争中，不断提高自己的技术水平和产品质量，在成套性、可靠性上下工夫，满足石化企业各种不同的需要。
今后石化工业将扩大对外开放，中外合资项目增多，工程建设大都采用EPC（设计+采购+施工）总承包模式，设备的采购更趋向国际招标竞争方式进行。因此我们的空分设备生产企业要适应国际竞争的特点，自行承包或者同国外合作承包空分装置。今后石化工程建设也有可能学习国外的经验，在一个石化工业区内单独设立一个气体供应公司，不仅建设空分装置供应氧气、氮气、氩气，而且可以建设制氢装置供应氢气和其他石化生产需要的其他气体产品，这样将对石化企业降低投资成本、提高经济效益有重要的意义。