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1、全液体膨胀机对空分流程效率的影响孙全海(南京扬子石化比欧西气体有限责任公司 , 南京市大厂镇 210048)摘要 : 以扬子 BOC 的 38500m3 / h 空分设备为例 , 分析了内压缩流程中的高压液空节流过程的火用损失 ; 分别利用火用分析法和冷量分析法 , 估算了使用全液体膨胀机节省的功率 ; 指出在这套 内压缩流程空分设备中使用全液体膨胀机 , 使制氧单耗下降了 3 %左右 。关键词 : 大型空分设备 ; 全液体膨胀机 ; 高压液空 ; 节流 ; 膨胀 ; 低温火用 ; 冷量 ; 制氧单耗中图分类号 : TB65717文献标识码 : AEffect of an expander w
2、ith overall liquid on eff iciency of an air separation processSun Quan2hai( N anjing BOC2YPC Gases Limited Company , Dachang Town , N anjing 210048 , J iangsu , P1 R1 China )Abstract : Taking 38500m3 h air separation plant operated by BOC2YPC as example , the paper analyzes the exergy losses occurri
3、ng in the throttling course of high pressure liquid air in the process with internal compression. The power saved by using an expander with overall liquid is evaluated , taking exergy analysis approach and refrigeration analysis approach separately. As a result , the unit consumption for oxygen prod
4、uction has lowered down by about 3 % after employing an expander with overall liquid in the air separation plant using internal compression process.Key words : Large2scale air separation plant ; Expander with overall liquid ; High pressure liquid air ; Throttling ;Expander ; Cryogenic exergy ; Refri
5、geration ; Unit consumption for oxygen production9813 K。而下塔底下部的压力约为 51181bar , 如果将 这 股 高 压 液 空 节 流 至 下 塔 压 力 , 则 可 用Operators Toolkit 计算出此节流过程所产生的火用损失(计算过程见表 1) 。表 1 计算的高压液空节流火用损失功率在 400kW 以上 。必须指出 , 在损失的这 400 多 kW 功率中 , 大约有 23 还 是 接 近 于 低 温 液 体 温 度 下 的 “低 温火用”。而要得到这种 “低温火用”, 需要经过气体的压 缩 、换热和气体膨胀等工序
6、, 由于实际过程的每一 道工序中都不可避免地存在着损失 , 所以要得到1kW 的这种 “低温火用 ”, 实际所需消耗的功率要大 于 1kW 。就目前所能达到的技术水平而言 , 得到这 种 “低温 火用 ”, 实际所需消耗的功率要大 于 1kW 。1 高压液空节流过程的火用损失在大型内压缩流程空分设备中 , 有一股出主换 热器冷端的高压液空 , 这股液空需要被送入下塔或 上塔的相应位置参与精馏 。以前 , 通常的做法是将 这股高压液空通过一个节流阀 , 液空被节流到下塔 或上塔压力后再进入塔内 。实际上 , 低温液体节流 过程的火用损失虽然要比气体节流过程的火用损失小 , 但由于这股高压液空的压
7、力高而流量大 , 在节流过 程中所产生 的 火用损 失 仍 然 是 不 可 忽 视 的 。以 扬 子 BOC 新近从 Linde 引进的 D 套 38500m3 / h 内压缩流 程空分设备为例 (膨胀机制冷系统示意图见图 1) , 出主换热器冷端的高压液空的流量为 56660m3 / h , 压力为 571717bar ( 1bar = 011MPa , 下同) , 温度为收稿日期 : 2003202203作者简介 : 孙全海 (1965 ) , 男 , 1985 年 1 月毕业于南京化工学校无机化工专业 , 1985 年 1 月至 2002 年 4 月在扬子就目前所能达到的技术水平而言 ,
8、 得到这种 “低温火用”的流程效率约为 50 %1 , 这也就 是 说 , 每 得 到 1kW 的这种 “低温火用”, 实际所需消耗的功率在2kW 左右 。损失的另 13 是所谓的 “机械火用 ”, 而压缩 机 得 到 这 种 “机 械 火用 ” 的 效 率 也 大 约 只 有75 % 左 右 。因 此 , 高 压 液 空 节 流 火用 损 失 功 率液空节流后的火用值相比较 , 就能得到使用全液体膨胀机节省 “低温火用”的数值 。利用 Toolkit 的计算结 果见表 2 。表 2 全液体膨胀机节省 “低温火用”的计算417kW ,实际相当于损失压缩机功率 700kW 以上 。表 2 计算的
9、全液体膨胀机节省的 “低温火用”功率是 20118kW , 发 电 机 回 收 电 能 的 功 率 是 80kW。 由于每得到 1kW 的这种 “低温火用”, 压缩机需要消 耗的功率约为 2kW , 这样使用全液体膨胀机节省“低温火用 ”功率 20118kW , 也就相当于节省压缩机功率 40316kW 。如果加上全液体膨胀机发电机所回 收的功率 80kW , 则使用全液体膨胀机所节省的总功率就是 48316kW 。211冷量分析法全液体膨胀机膨胀高压液空后会产生部分冷 量 , 如果没有这台全液体膨胀机 , 那么这些冷量就只能由气体膨胀机来产生 。在气体膨胀机的机前压力和温度不变 、膨胀机后压
10、力不变 、膨胀机等熵效 率也不变的情况下 , 气体膨胀机的制冷量就与膨胀空气量成正比 。由图 1 可以看出 , 空气必须经过空气增压机将压力由 51242bar 提高至 2212bar 后 , 才 能成为膨胀空气 , 而这需要空气增压机消耗电力 。 利用 Toolkit 软件 , 可以先计算出全液体膨胀机产 生的冷量 , 然后再计算出需要增加多少膨胀空气量 (即空气增压机所需增加的空气量) 才能得到这些 冷量 , 最后就可计算出空气增压机需要多消耗的功 率 。计算结果见表 3 。表 3 计算的结果是 : 如果利用增加气体膨胀机 的膨胀空气量的方法 , 来产生全液体膨胀机所生产的这 部 分 冷
11、量 , 则 空 气 增 压 机 的 功 率 必 须 增 加39311kW 。如果再加上全液体膨胀机发电机可以回 收的功率 80kW , 则使用全液体膨胀机节省的总功图 1 膨胀机制冷系统示意图表 1 高压液空节流过程的火用损失计算由于高压液空节流过程中存在着这些损失 , 这就为使用全液体膨胀机来降低内压缩流程空分设备 的制氧单耗提供了可能 。2全液体膨胀机节省功率估算211火用分析法在扬子 BOC 的 D 套 38500m3 h 内压缩流程空分 设备中 , 设置了一台全液体膨胀机 , 高压液空经过这台膨胀机膨胀至接近下塔压力后进入塔内参与精馏 。与高压液空的节流相比 , 高压液空经膨胀机膨 胀
12、后 , 它的温度更低 , 汽化率更小 ( 甚至可达到0) , 因而高 压 液 空 膨 胀 后 的 火用值 ( 主 要 是 “低 温 火用”) 也就更大 。将高压液空膨胀后的火用值与高压18 已知条件高压液空流量 高压液空压力 高压液空温度 节流后压力56660 m3 / h571717 bar9813 K51181 bar计算结果高压液空节流前 ( 后) 比焓 高压液空节流前比火用 高压液空节流后比火用 损失火用功率2191931 kJ / m385714765 kJ / m383019514 kJ / m341714742 kW已知条件膨胀液空流量 膨胀前液空压力 膨胀前液空温度 节流后压力
13、 膨胀后压力 膨胀后温度 发电机回收功率56660 m3 / h571717 bar9813 K51181 bar51729 bar97109 K80 kW计算结果高压液空节流前 ( 后) 比焓 高压液空节流前比火用 高压液空膨胀后比焓 膨胀再节流后比火用节省的 “低温火用”功率2191931 kJ / m383019514 kJ / m321318433 kJ / m384317737 kJ / m320118084 kW率就是 47311kW 。量 , 对主换热器也会产生一些影响 。对主换热器冷段而言 ,因正流空气量减少了 6605m3 / h , 就必须适 当增加高压空气的流量 ; 而对
14、于主换热器热段来说 , 因较高压力 (291952bar) 的空气量增加了 , 高压空气的压力就可以适当降低一些 。这两种因素对 高压空气增压机功率的影响大致会相互抵消 。3 全液体膨胀机对流程效率的影响由以上计算得出 , 内压缩流程空分设备使用全 液体膨胀机时 , 能节省的总功率大约相当于全液体 膨胀机发电机回收功率的 6 倍左右 , 即全液体膨胀 机每 回 收 1kW 的 功 率 , 空 气 增 压 机 能 同 时 减 少5kW 的功率消耗 。对于 扬 子 BOC 的 这 套 38500m3 / h 空 分 设 备 ,表 3空气增压机需要多消耗的功率计算3设 计 工 况 下 的 氧 产 品
15、 总 量 是 39000m / h ( 另 有33500m / h 是 液 氧) , 如果制氧单耗 按 014kWh/ m 计算 , 则使用全液体膨胀机所节省的总功率 (480kW) ,大致相当于这套空分设备制氧总功耗的 :480100 % = 311 %39000 014即使用全液体膨胀机的结果 , 使这套内压缩流程空分设备的制氧单耗下降了约 3 % 。参考文献 :1王 催 春 译 . 空 分 设 备 产 品 火用 分 布J .深 冷 技 术 ,当然 ,量的方法 ,利用增加空气增压机空气量和膨胀空气来补偿全液体膨胀机所产生的这部分冷1997 ,(5) : 1418.19 150m3 / h
16、空分设备转让驻马店市通用机械厂因资金问题急转让 150m3 / h 空分设备 2 套 。1. 苏氧 1994 年产 , 停机一年 , 设备完好齐全 。分馏塔 FON2150600 型 , 空压机为 L51521650 型 , 三级活塞式 , 轴功率 190kW , 电机电源 380V , 透平膨胀机 。2. 江氧 1975 年产 , 现正在生产运行 , 设备完好 。分馏塔 FON2150600 型 , 空压机为 L51521650 型 , 三级活塞式 , 轴功率 190kW , 电机电源 380V , 活塞式膨胀机 。3. 可为用户设备拆装 , 代办廉价运输 , 保证出氧 。联系地址 : 河南
17、省驻马店市通用机械厂 (乐山路北段 119 号)电话 : 0396226135742616215 邮编 : 463000联系人 : 刘五的13938367673已知条件高压液空流量 高压液空压力 高压液空温度 节流后压力 膨胀后液空压力 膨胀后液空温度 发电机回收功率 膨胀前空气温度 膨胀前空气压力 膨胀后空气温度 膨胀后空气压力 增压机进口压力 增压机出口压力 增压机机械效率 增压机等温效率 环境温度56660 m3 / h571717 bar9813 K51181 bar51729 bar97109 K80 kW144132 K291952 bar98152 K51181 bar51242
18、 bar2212 bar98 %75 %300 K计算结果高压液空节流前 ( 后) 比焓 高压液空膨胀后比焓 液体膨胀机单位制冷量 膨胀前空气比焓 膨胀后空气比焓 气体膨胀机单位制冷量 需要增加的膨胀空气量 增压机单位压缩功耗 增压机多消耗功率2191931 kJ / m32131843 kJ / m36108763 kJ / m34741139 kJ / m3421192 kJ / m35212187 kJ / m36605139 m3 / h0105951 kW/ m33931063 kWfile:/D|/新建 Microsoft Word 文档.txtdf机及ov及ojxlkvjlkxcmvkmxclkjlk;jsdfljklem,.xmv/.,mzxlkjvolfdjiojvkldffile:/D|/新建 Microsoft Word 文档.txt2012/8/2 16:09:56