优化膨胀机操作，减少单位产品能耗

优化膨胀机操作，减少单位产品能耗

王国兴

中国石化胜利分公司石油化工总厂王国兴

摘要：PLK-4500*2-4.83/0.37型膨胀机是空分装置重要生产设备，主要是为空分装置提供冷量，确保装置连续稳定生产。膨胀机运行的性能直接影响到空分装置的整体效率。本文结合生产实际条件，针对PLK-4500*2-4.83/0.37型膨胀机性能下降的原因进行了初步探讨，并给出具体改进措施。

关键词：KDN-1500空分装置；PLK-4500*2-4.83/0.37型膨胀机；压力；转速；制冷效果前言透平膨胀机是空气分离设备获取冷量所必需的核心部件，是保证整套装置稳定运行的心脏，膨胀机性能的改进对于提高系统运行的可靠性及经济性都有着至关重要的作用。

1性能下降的原因分析空分车间原先设计主要是给总厂顺酐装置和其它装置提供高纯度的氮气，KDN-1500空分装置配套透平膨胀机型号为PLK-4500*2-4.83/0.37，设计机前压力为0.483MPa，膨胀出口压力0.02MPa，处理量为4500m3/h。顺酐停产后，H100-0.97/9.0压缩机停运改由二空压C71M*3压缩机直接供风，在为总厂节约了大量能耗的同时，导致入塔压力偏低，由设计压力0.80MPa成为目前0.65MPa，有时甚至更低，由于外部工艺参数变化，膨胀机运行一直运行在一种低效区。导致长时间氮气产量偏低，更无法提取液氮。液氮储槽因为存在充装压力较低，自然蒸发大，造成生产储存液氮异常困难，给总厂的安全生产带来隐患。

对于空分车间而言，也开始面对两种情况：第一，空分C71M*3型离心式压缩机以及空气精馏系统和储存系统运行效率有所下降，这是生产环节和储存环节的问题。第二、总厂其它装置特别是生产车间装置到了运行后期，故障增多，各种气密试验、置换容器、气封泄漏等造成氮气用量增大，这是使用环节的问题。

由于外部气源压力降低，膨胀机运行的效率下降，致使系统冷量不足，气氮产能仅仅可以维持总厂目前的平稳生产水平，生产和储存液氮已经非常困难，一旦空分装置发生意外停工，将无法保证氮气的及时足量补充，给总厂生产装置的安全运行带来巨大隐患。既要满足安全生产，保证总厂三年一修的计划顺利实施，又要尽可能的不增加能耗费用，通过实施理论分析和现场试验我们认为，膨胀机作为制冷链中生产和补充冷量的关键设备，因此应该成为主要的分析对象。膨胀机的制冷量由3个参数决定，公式如下：Q0=G△hsηs，式中：Q0—膨胀机的制冷量；G—气体的质量流量；△hs—气体的等熵焓降；ηs—膨胀机的等熵效率.通过比较，发现第一胀机的气体流量平均小了400Nm3/h，即质量流量减少了。第二、气体的等熵焓降问题。

较高的机前气体的压力和温度，可以增加气体单位焓降值。目前机前压力、温度下降导致了焓降减少。第三，如果等熵效率下降，也会影响膨胀机的工作性能。可以认为，三方面因素综合作用，导致了膨胀机制冷效率的下在定性分析了影响膨胀机制冷效果的因素后，为了寻找关键因素，我们需要对影响膨胀机运行效率的上述参数进行定量分析。1）影响氮气纯度和产量的最重要的参数即是回流比（L/V，即回流液体与上升蒸气之比），回流液增多，通过调整保持回流比不变，便可以提取更多的液氮。相反的情况：回流液减少，若想保证氮气的纯度，必须减少上升蒸气，使得回流比相对稳定。当然，因为上升蒸气减少，气氮产量也就相应的减少了。因此，从上述分析中，我们可以得出这样一个结论：即装置氮气的产出能力与回流液的多少有关，回流液愈多，相同条件，氮气产量也会愈多。而对于空分装置来说，回流液的多少是与膨胀机的制冷量多少密切相关。因此在现有的进塔压力较低的情况下，只有通过对膨胀机进行适当的调整，使其增加制冷量，多产液氮（回流液），这样才能提高装置产能。2）上面提到影响膨胀机的制冷量的因素重点有三个，即膨胀量、等熵效率和等熵焓降：⑴关于膨胀量.由于膨胀机的膨胀介质是富氧空气（O233%N267%），因此密度为ρ＝0.33ρO2＋0.67ρN2＝0.33*1.4289+0.67*1.2506＝1.3094Kg/m3由表一，以前的平均膨胀量为1800Nm3/h，如果增加400Nm3/h的膨胀量，相同条件下，可以增加冷量（离心式膨胀机的等熵效率ηs一般取0.82），通过查阅氧－氮二元系的t-p-h-x-y图，我们可以求得二元气体在膨胀前后的焓值分别为11500kJ/mol和9800KJ/mol代入公式可得：△Q0=G△hsηs=[400*1.3094*（11500-9800）*0.82]/[（0.33*32+0.67*28）]=24901KJ；而N2的冷凝潜热为4815KJ/kmol，所以增加的冷量可以多冷凝N2116m3（注：24901*22.4/4815=116m3）即可以多产液氮116/650＝0.178m3（注：液氮与标准状态下气氮的体积比为1：650）⑵关于膨胀前的压力。在现有的工况下，膨胀机前的压力为0.32Mpa，若通过一空压站开机补风，使得膨胀前压力提高到0.38Mpa，经查表可知，当膨胀前压力提高0.06Mpa，其单位焓降增加120KJ/kmol，即增加制冷量△Q=G△hsηs＝ρV△hs*0.82=（1800*1.3094*120*0.82）/29.32=7727KJ，可多冷凝氮气35.9m3，即可多产液氮35.9/650=0.055m3⑶关于膨胀机的等熵效率问题。通过调整膨胀机的转速、加强保冷、杜绝泄漏等手段，可以适当提高等熵效率，当转速提高到23300rpm时，效率最高，此时ηs＝0.85，效率提高，那么制冷量也可以增加。

Q=G△hsηs＝[0.03*1800*1.3094*（11500-9800）]/29.34=4099KJ；可多冷凝氮气19.07m3，即可多产液氮19.07/650=0.03m33）从上述分析可知，膨胀量的变化对制冷量影响最大，不进行补风和保证分馏塔内工况稳定的前提下，可以通过增加膨胀量的方法来提高制冷量。

2运行中的改进措施1）通过以上分析所得结论，辅助于实际操作中，可以将喷嘴的开度适当调大，同时增大进气调节阀开度，将制动风机开度关小等措施，来增加膨胀量。但是，由于这三者之间是相互关联的，调整一个参数的同时，必然引起其它参数的变化，因此，必须综合考虑这三个参数的内在关系，在不破坏正常工况的前提下，通过整体适当的调整，必然能够取得满意的效果。2）当然，以上措施只是一个在平均水平下的高效点。针对我厂用风不稳的特点（晚上，入塔压力最高达到0.67MPa；白天高峰压力最低0.63MPa），通过适度调整，要求在主冷液位稳定的前提下，保证膨胀量达到2200Nm3/h左右。所以，根据膨胀机的特性和外部情况及时调整也是非常重要的。

3严格控制实施过程根据2011年1—12月份的数据，在大量分析的基础上，从2月份逐步进行了调整，通过不断的经验摸索和分析，目前，膨胀机入口节流调节阀开度由以前的55％调整到60％，喷嘴开度由以前的50％调整为52％，由此膨胀量由以前的2000NM3增加到目前的2200NM3，膨胀前压力由以前的0.32MPa，提高到目前的0.38Mpa，从膨胀机运行3个月情况看来，效率明显提高。因为涉及工艺参数的调整，车间在实施初期进行了严密的准备，加强了对设备的巡检和调整力度，防止出现设备事故。

需要注意的问题：1）由于影响膨胀机制冷量因素相互关联，而且直接影响到精馏系统的工况，因此在调整过程中，切忌顾此失彼，越调越乱。比如不能过度增大膨胀量，因其增加会造成主冷压力下降，主冷液位无法保证。同时也会造成进塔压力降低，空气的冷凝温度下降等不良后果。2）膨胀机转速提高，作为制动端风机喘震点也相应提高，因此，要注意风机端过滤器滤芯的情况，避免因尘土封堵造成喘震。

4结论以上措施实施以后，通过计算，我们认为效果很好。通过3个多月的运行，发现调整后，液氮产量明显增多，现在平均每天多产液氮近900Nm3，降低了单位产品能耗。同比相当于减少运行一台125kwh的压缩机，一年节电109万kwh，按每千瓦时0.51元计算，可节约电费55.8万元（125×24×365×0.51=558，450元）。而更重要的是，液氮产量的增加保证了在空分装置发生故障时炼油装置的用氮和炼油生产装置开停工时的大量用氮，对总厂的安全生产有着重大的现实意义。