工業(yè)氣體被形象地稱(chēng)為“工業(yè)血液”，空分裝置則是氣體生產(chǎn)的“心臟”。本文給出了康吉森空分裝置節能優(yōu)化控制解決方案，助力工業(yè)企業(yè)節能降耗，助推工業(yè)企業(yè)可持續發(fā)展。

工藝簡(jiǎn)介

空氣分離裝置是利用物理或者化學(xué)方法將空氣混合物各組分分開(kāi)，獲得氧氣、氮氣以及一些稀有氣體的過(guò)程。工業(yè)上主要有三種實(shí)現空氣分離方法：低溫法、吸附法、膜分離法。目前應用廣泛的是低溫法，它的優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)量大、產(chǎn)品純度高、電耗低并且可以得到液態(tài)產(chǎn)品，便于存儲和運輸，主要工藝單元包括：凈化系統、壓縮系統、冷卻系統、純化系統、膨脹系統、分餾系統。

空氣分離的基本原理就是利用低溫精餾法將空氣冷凝成液體，然后按各組分蒸發(fā)溫度的不同將空氣分離。壓縮空氣除去水分和二氧化碳等雜質(zhì)后，經(jīng)熱交換系統和增壓膨脹機制冷后進(jìn)入下塔，在塔板上氣體與液體接觸，由于氣、液之間溫度差的存在，在進(jìn)行傳熱和傳質(zhì)交換時(shí),低沸點(diǎn)組分氮吸收熱量開(kāi)始蒸發(fā)，氮組分首先蒸發(fā)出來(lái)，溫度較高的氣體冷凝，放出冷凝熱，氣體冷凝時(shí)，首先冷凝氧組分。這過(guò)程一直進(jìn)行到氣相和液相的溫度相等為止，也即氣、液處于平衡狀態(tài)。這時(shí)，液相由于蒸發(fā)，使氮組分減少，同時(shí)由于氣相冷凝的氧也進(jìn)入液相，因此液相的氧濃度增加了，同樣氣相由于冷凝，使氧組分減少，同時(shí)由于液相的氮進(jìn)入氣相，因此氣相的氮濃度增加了。

多次的重復上述過(guò)程，氣相的氮濃度就不斷增加,液相的氧濃度也能不斷的增加。這樣經(jīng)過(guò)多次的蒸發(fā)與冷凝就能完成整個(gè)精餾過(guò)程，從而將空氣中的氧和氮分離開(kāi)來(lái)?？諝庠谙滤怀醪骄s為氣氮、污液氮和富氧液空，以節流閥減壓降溫后送至上塔作為上塔的回流液，進(jìn)一步實(shí)現精餾，最終在上塔頂部得到純氮氣，下部得到合格的液氧產(chǎn)品。

在大型空氣分離裝置的生產(chǎn)過(guò)程中，根據工藝流程的要求，有多種不同類(lèi)型的重大設備，這當中包括了多臺透平機械壓縮機機組，典型的壓縮機一般有：

1、空氣壓縮機/氮氣壓縮機

空氣分離裝置中的大型空壓機多采用離心和軸流兩種結構，其經(jīng)常還會(huì )與一臺增壓機連在一根軸系上，由一臺汽輪機驅動(dòng)，這類(lèi)空壓機組通常俗稱(chēng)為一拖二機組。如圖所示：空壓機組的空壓機為軸流壓縮機，增壓機為多軸的離心氮壓縮機。

2、膨脹機

膨脹機是為空分裝置提供冷量的設備，氣體在膨脹機中等熵膨脹而制取冷量，補充系統冷損。

3、氧壓機（汽輪機/電機驅動(dòng)）/泵

空分裝置流程主要分外壓縮、內壓縮。外壓縮是利用氧氣壓縮機將空分裝置出來(lái)的低壓產(chǎn)品氧氣壓縮至用戶(hù)所需要的壓力等級，內壓縮是采用液氧泵對產(chǎn)品液氧進(jìn)行壓縮，然后換熱汽化的一種流程形式。

內壓縮流程的形式應用比較多，它的優(yōu)點(diǎn)是：無(wú)高溫氣氧、火險隱患小，碳氫化合物積聚的可能性大大降低。

空氣壓縮機組的控制

原料空氣壓縮機和增壓空氣壓縮機采用離心式或軸流式壓縮機，由透平蒸汽輪機驅動(dòng)。原料空氣壓縮機的作用是為裝置提供帶壓原料氣，增壓空氣壓縮機的作用是為裝置提供膨脹及液氧氣化的氣源。

1、機組的轉速控制

汽輪機作為原動(dòng)機，汽輪機啟動(dòng)階段的轉速控制，根據汽輪機主機廠(chǎng)提供的升速曲線(xiàn)，進(jìn)行升速控制。在機組暖機升速、過(guò)臨界轉速、進(jìn)入工作轉速和降速停機過(guò)程中，要投入壓縮機調速控制。在機組控制系統中預先存儲壓縮機的升速曲線(xiàn)，根據預設的轉速，將轉速目標值轉換為轉速PID的給定值，保證機組穩定工作在額定轉速。

機組轉速控制

壓縮機入口導葉控制

2、壓縮機入口導葉控制

壓縮機的入口流量控制需要通過(guò)調節壓縮機入口導葉開(kāi)度實(shí)現。壓縮機入口流量調節器的輸出，送到入口導葉調速器，控制空壓機的入口導葉開(kāi)度，組成串級調節回路來(lái)穩定空壓機的入口流量。

3、壓縮機防喘振控制

在機組啟動(dòng)和停機過(guò)程中，由于機組流量過(guò)低，如果沒(méi)有防喘振控制，就會(huì )因喘振的發(fā)生對機組造成損壞。

當工況變化時(shí)也需要通過(guò)喘振控制來(lái)使壓縮機遠離喘振區域，避免損壞機組。

4、全自動(dòng)節能優(yōu)化控制

分子篩切換時(shí)會(huì )造成壓力和流量波動(dòng)，造成入口導葉與喘振閥的動(dòng)作，使裝置工況不穩，影響下游產(chǎn)品質(zhì)量。為了解決這個(gè)問(wèn)題，必須實(shí)現性能控制與防喘振控制的優(yōu)化。抑制分子篩切換時(shí)的擾動(dòng)，穩定裝置工況，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

5、機組能效在線(xiàn)性能監測

機組在線(xiàn)性能監測是考核機組能效的度量手段。當工況發(fā)生變化時(shí)，機組的能效指標會(huì )發(fā)生改變。實(shí)時(shí)監視汽輪機、壓縮機功率和效率的變化。使用該方法對機組改造的實(shí)際效果進(jìn)行評估，為進(jìn)一步計算空分裝置的收益提供參考。

機組能效在線(xiàn)性能監測

節能優(yōu)化控制案例

某石化空分裝置系統優(yōu)化，增加分子篩切換時(shí)進(jìn)行精細控制，裝置開(kāi)車(chē)及機組精調完成后，分子篩切換時(shí)空壓機出口壓力波動(dòng)由原來(lái)的超過(guò)150KPa優(yōu)化至不超過(guò)20KPa，整個(gè)裝置運行更穩定，效率更高。

編者按

工業(yè)氣體被形象地稱(chēng)為“工業(yè)血液”，空分裝置則是氣體生產(chǎn)的“心臟”?？辗衷O備是一種高能耗設備，在煤化工行業(yè)中，制氧能耗約占總能耗的10%～15%，甚至更大?？导辗盅b置節能優(yōu)化控制解決方案在滿(mǎn)足原技術(shù)指標的基礎上對系統進(jìn)行優(yōu)化升級，實(shí)現真正意義上的節能降耗，為工業(yè)企業(yè)的持續發(fā)展提供客觀(guān)的支持和幫助。

《康吉森“雙碳”專(zhuān)欄》簡(jiǎn)介

“雙碳”目標下，工業(yè)節能是當前的首要任務(wù)。作為流程工業(yè)安全及關(guān)鍵控制系統的行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)，康吉森自動(dòng)化幫助更多工業(yè)企業(yè)節能增效責無(wú)旁貸。為響應國家政策號召，順應新的發(fā)展趨勢，為工業(yè)企業(yè)節能增效保駕護航，康吉森自動(dòng)化特推出《康吉森“雙碳”專(zhuān)欄》系列報道，借助自身經(jīng)驗積累和技術(shù)優(yōu)勢，向廣大工業(yè)企業(yè)提供節能優(yōu)化控制解決方案。