大唐呼伦贝尔28000m_3_h双泵内压缩流程空分设备的研制与开发

2010年 第9期 通用机械

48石GM in Petroleum & Chemical Industry

中国空分设备有限公司设计开发部 （浙江 310011） 周 丽大唐呼伦贝尔28 000m3/h双泵

内压缩流程空分设备的研制与开发

【摘 要】详细介绍了大唐呼伦贝尔化肥有限公司28 000m3/h空分装置主要性能指标、流程组织特点、主要配套部机及设备、氧气管道和仪表选型等。【关键词】双泵内压缩流程 设备配套 规整填料塔 冷箱设计 氧气管道

一、前言

大唐呼伦贝尔化肥有限公司年产18万t合成氨、30万t尿素工程是大唐集团公司的一个

重点项目。该项目需配套一套28 000m3/h的空分设备，由中国空分设备有限公司设计并成

套供货。该装置采用汽轮机驱动空压机和增压机压缩气体、分子筛立式径向流吸附净化、

规整填料塔精馏、产品氧气和氮气双泵内压缩工艺流程。整套装置的设计理念遵循安全可

靠、低耗先进的原则，其中以安全和可靠为核心，并且这个设计原则一直贯穿了整个设计

过程。下面简单介绍一下该套空分装置的配置情况和设计特点。

二、主要性能指标及流程特点

大唐28 000m3/h空分装置的主要产品指标及流程组织见下表和下图。

28 000m3/h空分设备产品参数

产 品产量/(m3/h)纯度出装置压力/MPa(G)/温度/℃备注

氧 气28 00099.6% O26.0/35.5内压缩

氮 气20 000≤10ppm O2 ≤90ppm Ar5.5/35.5内压缩

氮 气8 000≤10ppm O2 ≤90ppm Ar≥0.4/35.5下塔抽取

液 氮500≤10ppm O2 ≤90ppm Ar0.20/－193进贮槽

仪表空气2 000露点≤－45℃≥0.7增压机一级出口中抽

工厂空气3 000露点≤－45℃≥0.45纯化系统后抽出

注：1ppm=10－4%。2010年 第9期 www.tyjx.net49

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大唐呼伦贝尔28 000m3/h空分设备流程简图流程组织特点：

1）上塔、下塔、增效塔采用规整填料塔，大大降低塔的阻

力并且操作弹性达到70%～110%。虽无氩产品，但增加一个带

粗氩冷凝器的增效塔，将氩从氧氮中初步分离出来，提高了装

置氧的提取率，减少了空压机排量，降低了装置的能耗。

2）下塔增加了理论塔板数，比常规填料下塔高，并且选

择合理的液空进口位置，使得下塔顶部精馏的液氮和压力氮中

含氧量和含氩量都非常低，氮中氩含量控制在50ppm（1ppm=

10－4%）以内，完全满足用户的要求，有利于减少合成氨中废

气的排放。

3）产品液氧、液氮采用低温液体泵加压，经高压板式换热

器复热后作为产品送出冷箱。相对于外压缩流程中采用氧压机

和氮压机压缩产品气体，减少了机器的数量，节省了投资，而

且相对于用氧压机来提供6.0MPa(G)氧气，采用压缩液氧的方式

更加安全。

三、配套机组及设备特点

本套空气装置在设计过程中细节上考虑得比较周到，首先

从设备、阀门、仪表的设计及选型上都充分综合考虑了各种因

素，以安全、可靠为前提，不仅考虑到了设备的安全、操作人

员的安全，同时还考虑了开车及停车各种情况下可能存在的风

险。其次整个装置也采取了许多措施减少装置能耗，提高装置

的先进性。安全可靠、低耗先进的原则在28 000m3/h空分设备配

套的机组和系统中处处可以体现。

（1）空压机和增压机 空压机采用单轴4级离心式，增压机

采用多轴4级齿轮式，空压机和增压机均为进口产品，汽轮机采

用双出轴抽凝式汽轮机，采用杭汽产品。三机共用一个润滑油

系统。三机采用ITCC控制，重要逻辑三选二。保证了机器设备

的安全。

（2）空气预冷系统 空冷塔及水冷塔采用填料塔，传质传热效率高、阻力小、操作弹性大。液位计设

计选型时考虑到用户现场环境温度很低，口

径加大并选择可耐低温的变送器，除此外还

设有防冻措施，保证了装置的正常运行。空

冷塔阻力报警及出口压力联锁、空冷塔底部

设的紧急排水阀以及空冷塔的防液泛设计等

都有力地保证了防止纯化系统进水，提高了

装置运行的可靠性。

（3）分子筛纯化系统 分子筛吸附器采

用立式径向流双层床结构。由于分子筛吸附

器采用同心圆双层床结构（活性氧化铝+分子

筛）外层活性氧化铝床层可有效地保护分子

筛，延长分子筛使用寿命，由于同心圆双层

床吸附面积比卧式双层床吸附面积大，空气

流速低，吸附能力更强，故氧化铝与分子筛

的床层厚度比卧式双层床薄，床层阻力比卧

式双层床低，减少了空压机排压，降低了能

耗。吸附器内筒采用悬挂结构，能防止吸附

和再生的温差在内外筒产生热应力，外筒无

需保温，占地面积仅为卧式吸附器的1/4。分

子筛纯化系统采用长周期设计，单个吸附器

吸附时间为200min。吸附器再生采用恒流量

控制方式，提高主塔工况的稳定性。

（4）主换热系统 主换热系统由两只进

口高压板式换热器和四只国产低压板式换热

器组成。6只板式换热器对称布置，热端在冷

箱外集气，热端汇总管的走向与板式冷箱冷

端汇总管走向形成U形配管，可以使各只板式

换热器的流体分布得更均匀。以往空分装置

曾经多次出现由于紧急停车状况下，板式顶

部出口碳钢管冻裂的现象，故本套装置在板

式冷箱顶部引出管道配一段不锈钢管，防止

紧急停车情况下冷箱内低温气体或液体返出

冷箱使冷箱出口管道冻裂。

（5）透平膨胀机系统 膨胀机采用进口

产品，等熵效率高。膨胀机增压端冷却器出

口设置在线水分析仪和液位开关，防止装置

在开车及停车两种状态下游离水进入板式换

热器。

（6）分馏塔系统 分馏塔系统上塔、下

塔、增效塔均采用规整填料塔。下塔采用规氧气6.0MPa(G)氮气5.5MPa(G)氮气0.4MPa(G)

液氮 液氧

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整填料塔是技术上的一大创新。同等级空分装置采用

常规的筛板下塔阻力一般在16～20kPa，而采用填料下

塔，一般阻力可以减少至5kPa。采用填料下塔阻力比筛

板塔大大下降，降低了空压机排压10～15kPa，节约了

装置能耗。填料下塔与筛板塔对比，塔径更小，随着今

后空分等级的扩大，空分装置的塔径也将越来越大，由

于运输方面的限制，塔径无法进一步扩大，那么塔径更

小、能耗更低的填料下塔必将得到更为广泛的应用。采

用全浸式主冷。主冷中抽取大量的液氧，可以保证主冷

液氧中碳氢化合物、氧化亚氮和其他有害物质尽可能不

积聚；同时设置在线分析仪对主冷液氧中的碳氢化合物

和氧化亚氮进行监控，保证装置安全运行。低温液体

泵选用进口产品，液氧泵采用立式5级离心泵，液氮泵

采用立式6级离心泵。液氧泵、液氮泵采用一用一备配

置，采用变频控制。一台泵满负荷运行时，另一台低速

运转，使其处于低温冷备状态，当正在工作的泵发生故

障时，备用泵可立即自动起动，并在10s内升至正常工

作负荷。

（7）冷箱设计 非常有特点。梯子、操作平台及

阀门集中布置在冷箱的正面，排液阀及吹除阀集中布置

在冷箱基础平台上，便于操作。主冷箱与换热器冷箱隔

开，低温液体泵单独设置保冷箱，高压液体节流阀单独

设置隔箱，便于以后的检修和维护。冷箱内主要工艺管

道与工程设计的接口位于板式冷箱顶部，便于工程设计

集中统一布置管廊、支架。为防止主冷箱与板式冷箱连

接处型钢在低温下发生脆性破坏，这部分型钢选用不锈

钢材质。冷箱不仅要承受自身巨大的重量、部分容器设

备重量外，还有珠光砂载荷、风载、雪载。这些载荷

共同作用下，整个冷箱钢结构的受力分析非常复杂。

本套装置在计算机对冷箱进行建模、加载、强度及应

力分析计算后，选择了合理的型钢规格和地脚螺栓尺

寸。除此外，还考虑到了呼伦贝尔最冷月平均气温达到

-40℃以及厂区合氨环境的影响，冷箱主体材质选择用

了Q235—B，油漆选用了耐腐蚀的锌粉底漆。

四、氧气管道材质、流速及阀门的选择

高压氧气在整个装置设计中是安全考虑的重点，

对于高压氧气管道材质、阀门的选择，高压氧气流速的

控制都非常谨慎，严格执行国家相关标准。按照《氧气

及相关气体安全规程》GB16912—2008标准，氧气管道（3.0MPa

气流速的选择上参照了欧洲工业气体协会（EIGA）的

IGC DOC 13/02/E《氧气管道系统》标准及国内氧气标

准，不锈钢管道在冲击场合要求pv<45MPa·m/s，本套

空置氧气输送压力为6.1MPa(A)，不锈钢管道在冲击场

合充许最大流速为7.3m/s，而本套空分装置中氧气管道

的流速选择在5m/s，完全满足标准的要求，氧气流速的

选择安全可靠。由于高压氧气放空时流速较快，所以高

差压的氧气放空阀和氧气输送旁通阀选用阀芯阀座阀体

全MONEL材质，氧气输送阀压差较小，流速满足上述

标准要求，考虑到安全因素，氧气输送阀的阀芯阀座采

用MONEL材质，阀体采用不锈钢。高压氧气输送阀、

高压氧气放空阀、高压氧气送气旁通阀、高压氧气安全

阀全部选用进口产品，这些阀门在工程设计时要求全部

布置在防爆墙内，上述调节阀不带手轮，防止操作人员

误操作引起的安全事故。

五、仪控选型

本套空分装置在仪控系统的配置上也有许多特

点：

1）三机由ITCC控制，其余部分由DCS控制。重要

逻辑三选二，有力地保证了装置了安全可靠性。

2）变送器选用智能变送器，带LED表头，采用

EJA产品。

3）中控室与空分装置距离较远（800m），调节阀

上配套所有电磁阀都选用低功耗、耐低温型。

4）冷箱内温度计选用耐高压的带锥形保护套的焊

接式双支铂热电阻，冷箱内低温电缆采用6芯电缆。

5）冷箱内采用焊接式一体化孔板，减少冷箱内泄

漏点。再生污氮气选用威力巴，减少分子筛再生阻力，

节约装置能耗。

6）考虑厂区合成氨环境，仪表全部禁铜。

六、结语

大唐28 000m3/h空分装置是自主设计并力求精品的

工程。在这套装置中，无论是流程组织还是配套设备都

经过精心考虑，细节决定一切。目前设计工作已全部完成，设备正在制造过程中，部分设备开始陆续发往现场

安装。装置预计将在2010年底投产运行。