摘要：科技的进步和节能概念的不断发展使得空分技术日新月异，其展现的低能耗、自动化等特点不断缩小国内外技术差距，我国的石化工业迎来了广阔的发展。但是，设备中仍然存在一些待解决的问题，空分装置预冷系统发生事故的现象并不少见，极大的限制了工业生产，系统的分析并解决此类问题就显得尤为重要。
关键词：空分装置；预冷系统；优化节能
引言
对空分装置现有预冷系统进行改进，增设冷冻机组，并且增加板式换热器进行辅助换热，在氧气产量不变的条件下，既可增加氮气产量，又可降低空冷塔的进水温度，保证空分设备安全稳定运行。通过对工艺流程及各设备单元的质量、能量平衡分析，讨论了冷冻水温度、氮气流量等参数对工艺流程的影响。 1电能损耗与冷却水关系分析
根据冷水机组特性，在不同负荷下运行的节能情况来看，负荷率越低，制冷量越少，耗电量必然也就越小。根据数据分析负荷在100%～40%之间，随着负荷的下降，每产生1kW冷量的耗电比满负荷时少，而负荷在100%～40%时，随着负荷的下降每产生1kW冷量的耗电均比满负荷大。因此，为了“节能”必须将冷水机组控制在100%～40%之间运行;另外若使用离心机的话，它采用进气口导向器叶片开度的变化来调节制冷量的大小，制冷量过小也会产生喘振现象。在定频运行情况下，冷却水泵开启就会满负荷运行，考虑系统的节能特点，若采用了变流量系统，这种运行方式的冷却水流量、冷水机组容量都可以和各种负荷情况有效配合，能起到节能的目的。空分装置，简单的解释就是将空气作为原料，生产出可供生产厂使用的高纯度氧、氮、氩等产品，这些产品是重要的工业生产原料，安全、稳定运行的空分系统是工业和经济发展的重要能源设备，可以起到促进气体供需平衡、控制生产成本、节约能源消耗等作用。预冷系统是该装置的重要组成部分，作用在于降低进分子筛纯化器的空气温度，来减少空气的含水量，并通过水洗涤除去大部分水溶性有害物质，以保证分子筛纯化器的安全工作。通常被串接在空气压缩系统和分子筛吸附系统间，该系统包括空冷塔、水冷塔、水泵、过滤器、管道阀门等部分，虽流程简单但在操作中也很容易发生事故。如常见的，当冷却水过大，会出现能源浪费，带来高出标准的冷却塔液 位，分子筛带水事故随之出现；反之流量过小，可能会出现冷却效果与工艺要求不符的现象。研究预冷系统的事故原因有助于提升其运行效率和稳定性，促进空分装置稳定发展。
2工艺流程
空气首先经过自洁式空气过滤器除去其中的灰尘和其它颗粒杂质，然后进入DA880－41型离心压缩机，经过4级压缩、3次级间冷却，最终进入空气冷却塔。空气在进入分子筛吸附器前在空气冷却塔中被冷却(8～10℃)，并在水分离器中分离出游离水，尽可能降低空气温度，降低空气中水含量，出分离器的空气进入分子筛吸附器，空气中的二氧化碳、碳氢化合物及残留的水蒸气被吸附。分子筛吸附器有两台，切换使用，一台工作，另一台再生。分子筛的切换周期为240min，定时自动切换。空气经净化后，分为四部分:第一部分直接进入低压主换热器冷却至－173℃后进入下塔;第二部分通过膨胀机增压端压缩、冷却器冷却再进入主换热器被冷却至－110℃，经膨胀机膨胀降温至－165℃进入上塔;第三部分作为自供仪表气;第四部分作为低温运行的膨胀机停运后复热的升温气使用。在下塔空气被初步分离成氮气和富氧液空，在塔顶获得99．995%的氮气，进入主冷与液氧换热冷凝成液氮，部分液氮回下塔作为下塔的回流液。另一部分液氮，经过冷器过冷后节流进入上塔顶部，
作为上塔回流液。下塔釜液氧含量36%～40%的液体空气，经过冷器降温，节流膨胀进入上塔中部参加精馏。以不同状态的三股流体进入上塔经再分离后，在上塔顶部得到纯度99．999%左右的氮气，经过冷器、主换热器复热后出分馏塔，合格的氮气出分馏塔后，部分经氮气压缩机升压至0．5MPa送用户管网使用，剩余部分去预冷系统的水冷却塔复热，复热后放空。上塔底部的液氧在主冷中被下塔的氮气加热而蒸发，其中8000m3/h、纯度为99．6%的氧气，经主换热器复热后出分馏塔，合格的氧气经过压缩升压至0．5MPa后送至用户使用;为保证主冷安全，另外从主冷引出100m3/h液氧排放至液氧储罐，以稀释主冷碳氢化合物浓度。在上塔上部还有部分氧含量8%左右的污氮抽出，也经主换热器复热引出分馏塔，出分馏塔的污氮气部分送往HXK－41500/5．3型纯化系统再生分子筛，剩余部分去水冷塔复热，复热后放空。
3新预冷系统流程
3.1新预冷系统流程
对于预冷系统流程组织，陈建功在文献中描述了较多的大中型空分装置预冷系统流程，并说明了各流程的应用特点。根据现有预冷系统和生产现状，进行简易改造才是合适的。这
明显增大了凉水塔的动力消耗，降低了冷却水的利用率。参考张贵提出的开放式预冷系统，对预冷系统流程进行重构，新流程与张贵流程不同的是冷却水实质是在冷水机组中完成换热后，冷热水分离分别从空冷塔上部和中部灌入。充分利用冷水机组(虚线框内)的循环冷却水，必要时加大冷水机组进口水流量，以维持空冷塔下部需要的冷却水流量。由于是在旧流程上的改造，现有设备除水泵等小设备外，大设备已经无法变动。因此，工艺设备除泵以外参数都不改变。在CHEMCAD中优化计算表明，在保证物流2温度10℃左右条件和空冷塔在现有填料及其装填方式下，冷却水3、4和循环水用量都有大幅下降。
3.2预冷系统新流程的物料衡算和能量衡算
对重构后的新预冷系统进行物料衡算和能量衡算，其中水冷塔流程仍采纳旧流程，工艺及工艺参数不进行改变。以冷水机组循环水用于空冷塔下塔段冷却水是完全可行的，而且冷却水用量可以大幅减少。而由于低温冷却水和常温冷却水用量的减少，促使泵的规格可以减小，可以分别选择IS125－100－250型水泵(低温冷却水用，电机功率75kW)和IS150－125－400型水泵(常温冷却水用，电机功率为45kW)。
3.3重构的预冷系统操作弹性
在其他条件不变下，仅改变进口热空气流量和温度，在保持出口冷空气温度在8～13℃之间约束下，在CHEMCAD模拟中观察热空气进口流量和进口温度最高限。热空气进口流量可以超出原设计流量约11%，出口温度都不会超出12℃。考虑到水泵有很大负荷余量，冷水机组规格也未改变。当进口空气流量为12642kmol/h(设计负荷的120%)，上塔低温冷却水流量增加到108．1t/h，下塔常温冷却水流量同比增加到230t/h，出口空气温度可降低到11．68℃，低于工艺要求的高限13℃。
4空分装置预冷系统的事故原因分析及对策
4.1流程介绍
本论文中描述的空分装置预冷系统流程简述：来自空气压缩机105℃的湿热空气进入空冷塔的下部，与从常温水泵来的常温水（30℃），在空冷塔的下段通过逆流直接接触进行热质交换，使空气初步冷却；待空气上升到上段，与来自水冷塔底部的并经低温水泵增压的低温水(11℃)作进一步热质交换，最终使空气温度冷却到16℃出空冷塔，去分子筛纯化系统。而水冷塔的低温水则是来自循环水系统30℃的常温水与空气分离设备换热器37000Nm3/h膨胀后的空气以及精馏塔顶污氮气在水冷塔内逆流进行热质交换得到的。此
系统利用水冷塔的污氮气不饱和吸湿性特点，降低进水温度，取消了制冷机设备，节省设备投资及运行费用。
4.2预冷系统常见事故分析及解决措施
（1）空冷塔液位波动问题。在空分装置的运行中曾发现空冷塔液位波动问题，出现于空分分子筛切换过程中，波动的产生影响了两股洗涤水量，更大的压力波动存在于空分系统中，对出空冷塔空气进行检测后发现含水量增加。对发生波动的原因进行分析，主要包括：①空冷塔入水口滤网流通不畅，主要是在顶部和中部区域，由堵塞进而引发水量分布差异，一些冷却水虽空气带出，出现液位波动；②空冷塔出现压力波动，压力变化带来的洗涤水量变化，从而出现液泛，导致出空冷塔空气含水量增加；③大量污垢出现于塔盘中，筛板孔眼无法正常流通，空气在筛板流动时速度更高，造成液泛和波动。对于此类事故，需要采取的措施包括：①减少空气量波动，在分子筛切换时，选择手动控制增加稳定性；②控制上下塔水量，既不能影响水量，也不能发生液泛，从而将出现于空冷塔中的空气控制在要求温度以下，通常为16℃以下；③必要时进行手动调整，当空冷塔液位出现明显波动时，需要操作人员控制液位控制阀，减少波动，避免出现空压机联锁跳车，还需及
时排水，以免水进分子筛。这部分需要操作人员具备一定的专业知识，以负责的态度面对设备的检查、清理、维修等工作，并且对事故预兆有一定的敏感性，将其扼杀在萌芽状态。
（2）结垢问题
结垢问题是空冷系统中遇到的最大也是最常见的问题之一。结垢主要分两种：高温垢和低温垢。高温垢主要出现在空冷塔中，特别是空冷塔的下段，在水分与空气的换热过程中水温快速升高，水中原有的Ca(HCO3)及Mg(HCO3)遇热分解为CaCO3和MgCO3，而CaCO3和MgCO3在温度越高的水中溶解度越小，从而形成了污垢。低温垢主要出现在水冷塔中，因为水冷塔是利用氮气的吸湿性迅速蒸发水分使水温快速降低，所以在水冷塔中，特别是氮水接触时，大量的水分蒸发使水中的杂质浓度迅速增高，析出后形成污垢。结垢带来的危害主要体现在增加设备阻力，使设备换热效果变差。但如果不加以重视，最终会导致：①空冷塔的换热效果变差，使空气出口温度过高，加大分子筛吸附器压力；②使水冷塔的阻力增大，塔顶喷水，最后致使污氮、纯氮无法正常排出，只能减少进塔气量，使水冷塔出水温度提高。
5改造后效果
5.1降低了空冷塔出口空气温度
使用生消水后，在溴化锂冷水机组不运行情况下，进空冷塔前冷冻水温度由15℃降至9℃，空冷塔出口温度由16℃降低至10℃，确保了进分子筛吸附器空气的温度在8~13℃，提高了分子筛吸附器的吸附能力，为空分装置的安全稳定运行提供了有力保障。
5.2解决了冷水机组故障时影响空分运行的问题
冷水机组故障时，循环水可迅速切至生消水，空冷塔出口空气温度能及时控制，对分子筛吸附器的影响降至最低，保证了空分装置的稳定运行。
5.3节约循环水黏泥剥离占用停车的时间
因为循环水系统较脏，每年都会对循环水系统进行化学清洗，为了避免清洗过程中循环水起泡造成空冷塔液泛从而导致分子筛进水，必须待空分停车后进行循环水黏泥剥离，至少耽误1天半的时间，上部改用生消水后，可以在不停空分的情况下进行黏泥剥离。
5.4经济效益明显
溴化锂冷水机组不需要常年运行，每年停运至少10个月，节约冷水机组耗用0.6MPa蒸汽1.5t/h、电量7kW·h、循环水374m3/h，节约一年维护费用1万元，因此每年至少可节约76.6万元。改造成生消水后，预冷系统开车时，空气作再生气阀门不需要打开，冷水机组不需要启动，可缩短至少0.5h。
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