企業(yè)培訓(xùn)_制氧調(diào)度員培訓(xùn)手冊(cè)

一 編制本教材的目的制氧調(diào)度員初步了解制氧的兩種工藝流程及全廠的用氧、氮特點(diǎn),了解制氧設(shè)備的簡(jiǎn)要操作。二 熱力學(xué)基礎(chǔ)理論1 氣體的基本狀態(tài)參數(shù) 1.1 溫度:物質(zhì)的冷熱程度,從分子運(yùn)動(dòng)論觀點(diǎn)看,溫度是物質(zhì)分子熱運(yùn)動(dòng)平均動(dòng)能的度量,溫度越高,分子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能就越大。1.2 溫標(biāo)：衡量物質(zhì)溫度的標(biāo)尺。有攝氏溫標(biāo)、華氏溫標(biāo)、熱力學(xué)溫標(biāo)。絕對(duì)溫標(biāo)規(guī)定水在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的三相點(diǎn)為273.16度。攝氏溫標(biāo)與熱力學(xué)溫標(biāo)的換算公式為t=T-273.161.3 壓力：分子運(yùn)動(dòng)論把氣體的壓力看做是氣體分子撞擊容器內(nèi)壁的宏觀表現(xiàn)。單位面積上的作用力稱為壓強(qiáng)，工程上稱為壓力?？梢杂脴?biāo)準(zhǔn)大氣壓（atm），工程大氣壓（at），mmH2o和mmHg，b/in2等表示，現(xiàn)在一般采用國(guó)際單位Pa表示。 換算：1atm=1.01x105Pa;1mmH2o=9.81Pa;1mmHg=133.32Pa;1bar=105Pa 1.4 理想氣體及其狀態(tài)方程：PV=nrt1.5 氧的性質(zhì)： 氧氣，空氣主要組分之一，比空氣重，標(biāo)準(zhǔn)狀況（0和大氣壓強(qiáng)帕）下密度為1.429克/升。無(wú)色、無(wú)臭、無(wú)味。在水中溶解度很小。壓強(qiáng)為101kPa時(shí)，氧氣在約-183攝氏度時(shí)變?yōu)榈{(lán)色液體，在約-218攝氏度時(shí)變成雪花狀的淡藍(lán)色固體。氧分子具有順磁性。 1.6 氮的性質(zhì)：氮?dú)?，常況下是一種無(wú)色無(wú)味無(wú)臭的氣體，且通常無(wú)毒。氮?dú)庹即髿饪偭康?8.12%（體積分?jǐn)?shù)），是空氣的主要成份。常溫下為氣體，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，冷卻至-195.8時(shí)，變成沒(méi)有顏色的液體，冷卻至-209.86時(shí)，液態(tài)氮變成雪狀的固體。氮?dú)獾幕瘜W(xué)性質(zhì)很穩(wěn)定，常溫下很難跟其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，但在高溫、高能量條件下可與某些物質(zhì)發(fā)生化學(xué)變化，用來(lái)制取對(duì)人類有用的新物質(zhì)。 1.7 氬的性質(zhì)：英文名稱：argon。氬氣是一種無(wú)色、無(wú)味的（稀有）惰性氣體，分子量39.938 ，分子式為Ar，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，其密度為1.784kg/m3，沸點(diǎn)為-185.7。氬氣為惰性氣體對(duì)人體無(wú)直接危害。但是，如果工業(yè)使用后，產(chǎn)生的廢氣則對(duì)人體危害很大，會(huì)造成矽肺、眼部損壞等情況。 氬本身無(wú)毒，但在高濃度時(shí)有窒息作用。當(dāng)空氣中氬氣濃度高于33%時(shí)就有窒息的危險(xiǎn)。 當(dāng)氬氣濃度超過(guò)50%時(shí)，出現(xiàn)嚴(yán)重癥狀，濃度達(dá)到75%以上時(shí)，能在數(shù)分鐘內(nèi)死亡1.8 熱力學(xué)第一定律：熱力系內(nèi)物質(zhì)的能量可以傳遞，其形式可以轉(zhuǎn)換，在轉(zhuǎn)換和傳遞過(guò)程中各種形式能源的總量保持不變。1.9 熱力學(xué)第二定律：不可能把熱從低溫物體傳到高溫物體而不產(chǎn)生其他影響；不可能從單一熱源取熱使之完全轉(zhuǎn)換為有用的功而不產(chǎn)生其他影響；不可逆熱力過(guò)程中熵的微增量總是大于零。、1.10 熱力學(xué)第三定律：不可能用有限個(gè)手段和程序使一個(gè)物體冷卻到絕對(duì)溫度零度。熱力學(xué)第三定律是對(duì)熵的論述，一般當(dāng)封閉系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定平衡時(shí)，熵應(yīng)該為最大值，在任何過(guò)程中，熵總是增加，但理想氣體如果是絕熱可逆過(guò)程熵的變化為零，可是理想氣體實(shí)際并不存在，所以現(xiàn)實(shí)物質(zhì)中，即使是絕熱可逆過(guò)程，系統(tǒng)的熵也在增加，不過(guò)增加的少。 在絕對(duì)零度，任何完美晶體的熵為零；稱為熱力學(xué)第三定律。1.11 焓：氣體所具有的總能量即熱力學(xué)能與宏觀動(dòng)能之和。1.12 熵：用來(lái)表示不可逆過(guò)程中前后2個(gè)不等價(jià)狀態(tài)的度量。1.13 熱力性質(zhì)圖：T-S，H-T,H-s，由于熱力學(xué)的參數(shù)互有關(guān)聯(lián)，在一定條件下，當(dāng)其中若干參數(shù)確定后，其他未知參數(shù)也隨之確定，所以出現(xiàn)了熱力性質(zhì)圖供大家查表計(jì)算，其詳細(xì)意義見(jiàn)制氧技術(shù)p44。三 深冷分離法制氧工藝（1） 制氧的流程組織制氧流程主要由制冷系統(tǒng)和精餾系統(tǒng)組成。詳細(xì)可分為十大系統(tǒng)，即空氣壓縮系統(tǒng)、空氣凈化系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、精餾系統(tǒng)、安全防爆系統(tǒng)、氧氣壓縮輸送系統(tǒng)、加溫解凍系統(tǒng)、儀表自控系統(tǒng)及電控系統(tǒng)，重點(diǎn)講述下工藝流程的組織。1.1 概述1.1.1 制氧機(jī)分類制氧機(jī)的分類方法很多，按產(chǎn)品的狀態(tài)分為產(chǎn)氣氧、產(chǎn)液氧、既產(chǎn)氣氧又產(chǎn)液氧的制氧機(jī)；按產(chǎn)品種類分為單高產(chǎn)品、雙高產(chǎn)品（氧和氮）帶氬制氧機(jī)（氧、氮、氬）及全提取（氧、氮、氬及其他稀有氣體）；依照產(chǎn)量分為小型制氧機(jī)（小時(shí)產(chǎn)量小于1000 m3/h）、中型制氧機(jī)（小時(shí)產(chǎn)量100010000m3/h）、大型制氧機(jī)（小時(shí)產(chǎn)量大于10000 m3/h）；按操作壓力分：高壓制氧機(jī)（操作壓力為20Mpa）、中壓制氧機(jī)（操作壓力為15Mpa）、全低壓制氧機(jī)（操作壓力0.50.6Mpa）；按換熱器類型分，可分為板式、管式、管板式制氧機(jī)。 1.1.2 制氧機(jī)的性能指標(biāo)制氧機(jī)除要達(dá)到的產(chǎn)品產(chǎn)量及純度外，還有以下的性能指標(biāo)：1單位電耗，即生產(chǎn)1m3氧氣所耗的電能，以kwh/m3為單位來(lái)表示。這代表制氧機(jī)的能耗大小，是制氧機(jī)重要的能耗指標(biāo)之一。2提取率，即在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下1m3原料空氣所制得的純氧量。一般計(jì)算方法為：% 式中 氧氣產(chǎn)量 加工空氣量 氧氣中的含氧量 空氣中的含氧量這一指標(biāo)反映了空氣分離的完善程度。3 啟動(dòng)時(shí)間。從空壓機(jī)向裝置送氣開(kāi)始直至產(chǎn)品達(dá)到設(shè)計(jì)產(chǎn)量的全過(guò)程所需要的時(shí)間。4 運(yùn)轉(zhuǎn)周期。這是指制氧機(jī)無(wú)機(jī)器、設(shè)備故障的前提下，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)間，一般以年為單位。5 加溫解凍時(shí)間。制氧機(jī)在啟動(dòng)前或停車后需要加溫解凍所用的時(shí)間。6 單位產(chǎn)量的金屬消耗量。該指標(biāo)能夠比較制氧機(jī)的設(shè)備費(fèi)用的多少，投資的多少。1.1.3 國(guó)產(chǎn)空氣分離設(shè)備的型號(hào)規(guī)定我國(guó)空分設(shè)備的型號(hào)由漢語(yǔ)拼音字母、化學(xué)元素符號(hào)以及阿拉伯?dāng)?shù)字所組成。型號(hào)分首部、中部、尾部三個(gè)部分，中間以短橫“”隔開(kāi)。1.1.4 制氧機(jī)的發(fā)展自從1902年德國(guó)的林德教授發(fā)明了高壓節(jié)流循環(huán)制冷，單級(jí)精餾塔分離空氣制氧至今已經(jīng)歷上百年的歷史。從制氧機(jī)的流程方面，從高壓流程改進(jìn)為中壓流程進(jìn)而出現(xiàn)高、低壓流程，現(xiàn)在中、大型制氧機(jī)全部為全低壓流程。小型制氧機(jī)也向低壓方面發(fā)展，而且對(duì)超低壓流程正進(jìn)行研究探討。表1-1從制氧機(jī)的能耗方面，從單耗大于2kwh/mo降低到0.38kwh/ mo。單機(jī)容量從20m/h發(fā)展至今世界上最大的制氧機(jī)為74000m3/h。制氧機(jī)的產(chǎn)品也不再是單一的氣氧，而是既產(chǎn)氧又產(chǎn)氮以至提取全部的稀有氣體。不但有氣態(tài)產(chǎn)品，還有各種液態(tài)產(chǎn)品，也就是產(chǎn)品多樣化。從控制系統(tǒng)方面，由手動(dòng)控制發(fā)展到計(jì)算機(jī)數(shù)字集散控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)電一體化。1.2 制氧機(jī)的典型流程現(xiàn)在均采用先進(jìn)的分子篩純化器及增壓透平膨脹機(jī)流程。如我車間30000 m3/h制氧機(jī)： 該類型號(hào)為KDON-30000型，空氣經(jīng)透平空壓機(jī)壓縮后，在氮-水預(yù)冷系統(tǒng)的空冷塔中冷卻后進(jìn)入分子篩純化器凈除水分、二氧化碳、乙炔等碳?xì)浠衔?。而后空氣進(jìn)入主換熱器，空氣通道被返流氣體冷卻到對(duì)應(yīng)壓力下的飽和溫度后進(jìn)入下塔參與精餾。從分子篩純化器出來(lái)的加工空氣，抽出一部分進(jìn)入膨脹機(jī)的增壓機(jī)增壓、經(jīng)水冷卻器冷卻后進(jìn)入主換熱器，被返流氣體冷卻后從主換熱器中部抽出進(jìn)入透平膨脹機(jī)。從流程圖可以看出，此流程既沒(méi)有液化器也沒(méi)有吸附器，保冷箱內(nèi)的設(shè)備及管路大為簡(jiǎn)化。主要技術(shù)指標(biāo)：加工空氣量： m3/h 加工空氣壓力：0.52 Mpa產(chǎn)品產(chǎn)量及純度：氧氣產(chǎn)量 30000 m3/h，99.6% O2 氮?dú)猱a(chǎn)量 30000 m3/h,1010-6 O2液氮產(chǎn)量 900 m3/h, 1010-6 O2液氬產(chǎn)量 920 m3/h，99.999%Ar1.3 制氧流程組織1.3.1 流程組織要求首先要根據(jù)設(shè)計(jì)要求而進(jìn)行,盡可能地優(yōu)化組合,以滿足下面要求：1、盡可能降低電耗、投資和運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用，以降低產(chǎn)品成本。2、安全運(yùn)轉(zhuǎn)和便于運(yùn)轉(zhuǎn)維修。3、當(dāng)自然條件和某些使用條件發(fā)生變化時(shí)仍然保證產(chǎn)品的質(zhì)量及產(chǎn)量，即變工況適應(yīng)能力強(qiáng)。1.3.2 制冷系統(tǒng)組織制冷系統(tǒng)包括空壓機(jī)、膨脹機(jī)、節(jié)流閥及主換熱器。此系統(tǒng)的作用產(chǎn)生冷量補(bǔ)償冷損，使加工空氣降溫、液化維持在精餾所需要的低溫，為空氣的精餾創(chuàng)造條件。如上所述，高壓流程是以林德循環(huán)（一次節(jié)流）為基礎(chǔ)的；中壓流程應(yīng)用克勞特循環(huán)（中壓膨脹機(jī)與節(jié)流相結(jié)合）；全低壓流程以卡皮查循環(huán)（低壓透平膨脹機(jī)）為依據(jù)。全低壓流程因?yàn)槟芎牡停\(yùn)轉(zhuǎn)安全可靠等諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛推廣和應(yīng)用。而高、低壓流程和中壓流程復(fù)雜，能耗高已被淘汰。這里重點(diǎn)討論全低壓制冷系統(tǒng)組織問(wèn)題。1、全低壓流程（1）空氣膨脹和氮?dú)馀蛎浫蛪毫鞒汤昧死章?，將膨脹后的空氣送入上塔，或者利用氮?dú)鉃榕蛎浌べ|(zhì)。這兩者都可以利用上塔精餾，從而提高了制氧機(jī)產(chǎn)量。空氣膨脹。空氣膨脹的的流程示意圖從下塔底部抽出部分加工空氣,一部分在切換式換熱器環(huán)流通道復(fù)熱后，再匯合進(jìn)入透平膨脹機(jī)膨脹產(chǎn)生冷量，然后直接送入上塔參加精餾。這部分空氣沒(méi)有經(jīng)過(guò)下塔的預(yù)精餾直接送入上塔。由于從下塔底部抽出部分空氣，冷凝蒸發(fā)器的冷凝量減小，送入上塔的液氮量也減少，而膨脹空氣又直接送入上塔中部作為精餾段的上升氣，因而上塔精餾段的回流比減少，精餾潛力得到利用。這些送入膨脹空氣稱為“入上塔膨脹空氣”，也叫拉赫曼氣。這就是所謂空氣膨脹，目前我國(guó)全低壓裝置流程大部分采用這種方法，例如國(guó)產(chǎn)1000、1500、3200、6000m3/h等制氧機(jī)。氮?dú)馀蛎?。它是從下塔頂部抽出氮?dú)猓徊糠纸?jīng)切換式換熱器環(huán)流通過(guò)復(fù)熱后再匯合進(jìn)入透平膨脹機(jī)，膨脹后的氮?dú)庾鳛楫a(chǎn)品氮?dú)庖?，或者與污氮匯合經(jīng)切換式換熱器回收冷量后放空。由于從下塔引氮?dú)?，冷凝蒸發(fā)器的冷凝量減少，因而送入上塔的液體餾份量減少， 精餾潛力得到利用。氮?dú)馀蛎浽趪?guó)外的大型全低壓空分裝置上已被采用。以上兩種方法都是減少上塔液體餾份，使精餾時(shí)的氣液間的溫差減少，利用了上塔精餾潛力，使全低空分裝置具有更大的合理性，利用上塔精餾潛力后，塔板上氣液之間的溫差變化如圖1-8所示，由圖可見(jiàn)，由于空氣膨脹不但減少上塔回流液，同時(shí)增加了上升蒸氣量，所以氣液間的溫差比氮膨脹更小些。關(guān)于膨脹空氣進(jìn)上塔量的限制無(wú)論是空氣膨脹還是氮膨脹都是利用上塔的精餾潛力，提高氧的提取率，減少不可逆分離功的損失。既然是精餾潛力的利用就有一定的限制。超出極限就會(huì)使分離產(chǎn)品純度降低，能耗增大，氧提取率下降。從理論上來(lái)講，這一極限應(yīng)取決于上精餾塔的最小回流比（液氣比）?？墒?，在最小回流比條件下，欲得到分離產(chǎn)品需無(wú)數(shù)塊塔板，這樣的精餾塔是不存在的。在有限的一定塔板數(shù)的前提下，允許入塔的最大限度膨脹空氣量是由最小工作回流比所決定的。上塔精餾允許入塔的最大膨脹空氣量可以由上塔的物料平衡，能量平衡及物料參數(shù)求出。進(jìn)入上塔的允許膨脹量主要與上、下塔取出的產(chǎn)品純度及上塔液體的過(guò)冷度有關(guān)。產(chǎn)品純度低、允許膨脹量增加。氧、氮產(chǎn)品純度通常是用戶的要求。為了減少不可逆分離功損失，降低能耗，在滿足工藝要求的條件下，不應(yīng)過(guò)分追求產(chǎn)品的高純度，否則，提取率降低，能耗增大。入上塔液體的過(guò)冷度增加，這使上塔的回流比增加，即上塔具有更富余的回流比，精餾潛力更大，也就表現(xiàn)出允許進(jìn)塔的膨脹量增加。需要指出，這里計(jì)算的允許最大膨脹量，狀態(tài)應(yīng)是當(dāng)時(shí)壓力下的飽和氣體。由于膨脹機(jī)結(jié)構(gòu)所限制，膨脹后的氣體不允許達(dá)到飽和或出現(xiàn)液體。膨脹后氣體要保持過(guò)熱狀態(tài)。膨脹后氣體溫度與相應(yīng)壓力下飽和溫度之差為膨脹后氣體過(guò)熱度。顯然，過(guò)熱度增加，允許進(jìn)塔的最大膨脹空氣量減少。確切的允許進(jìn)塔的最大膨脹量的數(shù)值要根據(jù)制氧機(jī)的具體流程計(jì)算確定。但是一般來(lái)說(shuō)，空氣進(jìn)上塔的數(shù)量范圍為加工空氣量的20%30%，抽氮膨脹為加工空氣量的15%25%。全低壓切換式換熱器流程的膨脹氣體流路組織由于膨脹空氣既取決于裝置的總冷量平衡又受精餾工況的限制，同時(shí)在進(jìn)入膨脹機(jī)之前又作為板翅式可逆式換熱器的環(huán)流氣體或者蓄冷器的環(huán)流氣，而環(huán)流量又是由切換式換熱器熱平衡所決定的，而且與切換式換熱器的自清除密切相關(guān)。正因?yàn)檫@些復(fù)雜的關(guān)系，從而產(chǎn)生了下面三種具有代表性的情況：裝置的容量較小，單位冷損較大，這時(shí)整個(gè)裝置的冷量平衡所要求的膨脹量比較大， 膨脹量不僅大于切換式換熱器不凍結(jié)性所要求的環(huán)流量，而且也超過(guò)精餾塔所允許的拉赫曼進(jìn)氣量。這時(shí)，膨脹機(jī)的進(jìn)氣量將由兩部分組成，一部分是環(huán)流空氣，另一部分則是由下塔或液化器來(lái)的旁通氣。這時(shí)由于膨脹氣量已經(jīng)超過(guò)精餾塔所允許的最大拉赫曼進(jìn)氣量，所以，必須把部分膨脹空氣旁通入污氮管道，從而使進(jìn)入下塔的加工空氣量減少，制氧機(jī)總的氧提取率將相應(yīng)地降低。屬于這種情況的有600、800、1000m3/h的制氧機(jī)。裝置是中等容量，冷損較大，這時(shí)由裝置冷量平衡所要求的膨脹量大于由蓄冷器（或板翅式切換式換熱器）不凍結(jié)性所決定的環(huán)流量。但是膨脹量是在精餾塔所允許的拉赫曼進(jìn)氣量范圍以內(nèi)，這時(shí)膨脹量仍由環(huán)流和下塔旁通量?jī)刹糠纸M成。由于它是在允許的拉赫曼進(jìn)氣量范圍以內(nèi)，所以膨脹后的空氣可以全部送入上塔。屬于這種情況的有3200、6000、10000 m3/h的制氧機(jī)。裝置容量很大，冷損比較小，由裝置冷量平衡所要求的膨脹量，不僅小于精餾所允許的拉赫曼進(jìn)氣量，而且等于或者小于環(huán)流量，這時(shí)候進(jìn)膨脹機(jī)的膨脹氣體全部通過(guò)環(huán)流，甚至要將部分環(huán)流旁通。把上面所說(shuō)的簡(jiǎn)單歸結(jié)為：小容量裝置：膨脹量大于允許的進(jìn)上塔的空氣量 膨脹量大于環(huán)流量 膨脹后空氣部分旁通中等容量裝置：允許進(jìn)上塔的空氣量大于膨脹量大于環(huán)流量 膨脹后空氣全部進(jìn)上塔 大容量裝置：允許進(jìn)上塔的空氣量大于膨脹量 環(huán)流量大于等于膨脹量 膨脹后的空氣全部進(jìn)上塔，環(huán)流量部分旁通或者生產(chǎn)部分液態(tài)產(chǎn)品，還可以考慮采用氮膨脹 全低壓增壓透平膨脹系統(tǒng)增壓膨脹機(jī)是用增壓機(jī)制動(dòng)，將膨脹工質(zhì)增壓后再進(jìn)入膨脹機(jī)工作輪膨脹作功。因其膨脹前壓力的提高，所以單位制冷量增加。膨脹量減少，進(jìn)入上塔膨脹空氣量減少，有利于提高氧提取率。增壓透平膨脹的實(shí)質(zhì)是將氣體所作的膨脹功回收給膨脹工質(zhì)本身，其系統(tǒng)圖1-92、精餾系統(tǒng)組織精餾系統(tǒng)的組織與制冷系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)的組織有關(guān)。 在組織精餾系統(tǒng)時(shí)，為了確保產(chǎn)品的純度可以采取以下幾種措施：圖1-10正確地確定進(jìn)料口、抽口位置。保證正常分離足夠的塔板數(shù)。抽餾份：在下塔抽出液氮餾份，在上塔抽出污氮，這樣一方面使較多的氬隨污氮放空有利于氧、氮分離，另一方面使下塔上部和輔塔中的回流比加大，有利于精餾工況，從而得到高純度的產(chǎn)品。由于所要求產(chǎn)品的產(chǎn)量和純度不同，精餾系統(tǒng)工程的組織可以分為下列幾種情況：只生產(chǎn)單一高純度產(chǎn)品，例如只生產(chǎn)純氧，或者只要求生產(chǎn)純氮。這種情況可以使用普通的雙級(jí)精餾塔，如圖1-10 所示塔板根據(jù)所要求的產(chǎn)品純度決定，塔板數(shù)要比生產(chǎn)兩種高純度產(chǎn)品小，也不需要抽餾份或設(shè)輔塔。生產(chǎn)兩種高純度產(chǎn)品。適用于純氮/純氧不小于1的場(chǎng)合。如3200m3/h空分裝置純氧和純氮的產(chǎn)量都是3200m3/h。氧、氮比為1：1。這時(shí)在上塔的上部要加輔塔，如圖所示5-11。在輔塔底部抽出大量污氮，以使在輔塔頂部提取純氮。為了保證輔塔噴淋液氮的純度在下塔中部抽餾份液氮。要有足夠的塔板數(shù)，使得在下塔頂部的氮?dú)膺_(dá)到99.99%的純度。生產(chǎn)兩種純度產(chǎn)品，僅是純氮/純氧等于0.20.5，也就是要求生產(chǎn)的純氮量比較少的場(chǎng)合，可設(shè)置純氮塔。如圖1-12 。由下塔頂部引出一部分氣氮進(jìn)入底部，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步精餾，在純氮塔頂部得到純度更高的產(chǎn)品氮。而產(chǎn)品純氧則由主塔和純氮塔的冷凝蒸發(fā)器上部引出。這種方式的特點(diǎn)是由于下塔頂部氣氮的純度比較低，所以下塔壓力相對(duì)的可以低，由此能耗可以降低,但是流程組織相對(duì)輔塔流程要復(fù)雜些。對(duì)于生產(chǎn)純氧，也叫工業(yè)氧（氧純度在99.5%），以及生產(chǎn)純度不高工藝氧（氧純度在95%98%）或者兩種產(chǎn)品都生產(chǎn)的精餾組織也和上述一樣，可以和用設(shè)置輔塔，控制塔板數(shù)的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)。1.3.3 防爆系統(tǒng)組織空分裝置爆炸的原因一般有：液空和液氧中乙炔與碳?xì)浠衔锏入s質(zhì)積聚，操作不當(dāng)引起爆炸。在具有分子篩純化器的低壓流程中,因分子篩對(duì)水分、二氧化碳、乙炔及其碳?xì)浠衔锏墓参阶饔?從理論上講,已經(jīng)沒(méi)有必要再設(shè)置液空吸附器及液氧吸附器。為了提高分子篩對(duì)二氧化碳的吸附能力,壓縮空氣進(jìn)入分子篩純化器需要預(yù)冷到815。為確保制氧機(jī)的安全和連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn),個(gè)別流程除設(shè)置兩只純化器以外,還設(shè)有一只或兩只液氧吸附器,而液空吸附器就不設(shè)置了。1.3.4 換熱器系統(tǒng)組織在保證工藝流程需要的前提下,取消作用不大的換熱器,盡可能減少換熱器的數(shù)量,以簡(jiǎn)化流程,減少流體阻力,降低設(shè)備投資。制氧流程中常見(jiàn)的換熱器有7種1、主換熱器其主要作用是使加工空氣與返流氧氣、氮?dú)夂臀鄣獡Q熱，使之冷卻到液化溫度，達(dá)到液化，進(jìn)入精餾塔下塔底作為原料。此種換熱器設(shè)置在中壓小型制氧機(jī)及帶分子篩純化器的全低壓制氧機(jī)中。2、切換式換熱器該類換熱器包括可逆式板翅式換熱器及蓄冷器。它的主要功能是將加工空氣冷卻到接近液化溫度，而后參與精餾。同時(shí)回收返流氣體的冷量，使氧氣、氮?dú)?、污氮等氣流?fù)熱后送出裝置。在換熱的同時(shí)將空氣中的水分、二氧化碳自清除。即起到換熱和自清除雙重作用，使制氧機(jī)的換熱和雜質(zhì)清除凈化有機(jī)地結(jié)合起來(lái)。3、冷凝蒸發(fā)器它是精餾所必需的換熱設(shè)備,是聯(lián)系上、下塔的紐帶。其中上塔的液氧和下塔氣氮換熱，液氧蒸發(fā)后一部分作為產(chǎn)品氣體引出，另一部分為上塔提供上升蒸汽，氣氮冷凝后為上下塔提供回流液。就其結(jié)構(gòu)來(lái)分，可分為板翅式、管式兩種，而管式又分為長(zhǎng)管式、短管式、盤管式。短管式用于中壓小型制氧機(jī)，因其傳熱系數(shù)較低，所以需要取較大的主冷溫差，通常為22.5；長(zhǎng)管式、板式用于中、大型全低壓制氧機(jī)。板式換熱器結(jié)構(gòu)緊湊傳熱系數(shù)高換熱效果比管式的好。在全低壓流程中主冷溫差取的較小，一般取1.61.8。主冷溫差還直接影響精餾塔的壓力，決定了全低壓流程操作壓力。如我公司現(xiàn)運(yùn)行的所有設(shè)備的主冷都是板式冷凝器。4、過(guò)冷器常見(jiàn)有液空過(guò)冷器、液氮過(guò)冷器（純液氮、污液氮）、液氧過(guò)冷器。過(guò)冷器的作用是使下塔來(lái)的液空、純液氮、污液氮和從上塔抽出的氧、氮、污氮?dú)鈸Q熱，使液體過(guò)冷。從而減少節(jié)流汽化率，提高上塔回流比，改善上塔的精餾工況。同時(shí)回收了從上塔出來(lái)的純氮?dú)狻⑽鄣獨(dú)獾睦淞?，因此，高、中、全低壓流程中均采用。尤其是全低壓切換式換熱器流程，由于污氮?dú)獾牟糠掷淞勘贿^(guò)冷器回收了，提高了污氮入切換式換熱器冷端的溫度，縮小了冷端溫差，過(guò)冷器回收的冷量由液空、液氮帶回上塔，也就是減少了加工空氣帶入下塔的冷量，因此，過(guò)冷器客觀上起到了上、下塔冷量分配的作用。就其結(jié)構(gòu)來(lái)講，有板翅式及管式兩種。6、空氣預(yù)冷器空氣預(yù)冷器的作用是保證加工空氣進(jìn)切換式換熱器或分子篩純化器的工藝要求的溫度。7、膨脹前、后換熱器在流程中有的設(shè)置膨脹前換熱器，有的設(shè)置膨脹后的換熱器。膨脹前換熱器可以調(diào)節(jié)膨脹機(jī)前的工質(zhì)狀態(tài)，以滿足膨脹后過(guò)熱度的要求。膨脹后換熱器的作用能夠降低膨脹后氣體的過(guò)熱度又保持膨脹量不變。在膨脹后換熱器中是用污氮?dú)饣蚣兊獨(dú)鈦?lái)冷卻膨脹后氣體，也就是將上塔出來(lái)的氣體冷量回收給上塔，可以提高上塔的回流比，改善精餾工況，提高氧的提取率，減少膨脹空氣送入上塔對(duì)精餾工況的“干擾”。因此，目前全低壓流程大都采用膨脹后換熱器。1.4 流程比較增壓分子篩凈化流程是上個(gè)世紀(jì)80年代末90年代初國(guó)際上普遍推廣的先進(jìn)流程，它具有十分突出的優(yōu)點(diǎn)。為此，在本節(jié)內(nèi)對(duì)全低壓切換式換熱器凍結(jié)流程與增壓分子篩凈化流程進(jìn)行詳細(xì)比較。增壓分子篩凈化具有十大優(yōu)點(diǎn)：1、提高產(chǎn)氣量為了保證切換式換熱器流程的水分及二氧化碳的自清除，不凍結(jié)性要求有足夠的返流污氮量，因而限制了純氮產(chǎn)品的量，通常氧氣量與純氮?dú)猱a(chǎn)量之比為1：1.1。而在增壓分子篩凈化流程中，只需少量污氮?dú)庾鳛榉肿雍Y純化器的再生氣。所以純氮?dú)猱a(chǎn)量與氧氣產(chǎn)量之比高達(dá)2.32.5：1，氮?dú)猱a(chǎn)量增加3035%。對(duì)于氮?dú)猱a(chǎn)量，因?yàn)榉肿雍Y切換周期很長(zhǎng)，精餾塔工況波動(dòng)小，且膨脹空氣量小，進(jìn)入上塔空氣量大為減少，參與一次精餾的加工空氣量增加，氮提取率提高。氮?dú)猱a(chǎn)量可增加63左右，氧氣產(chǎn)量增加約2。2、降低能耗切換時(shí)間比切換式換熱器切換時(shí)間大為延長(zhǎng)，從而大大減少了切換損失 ，通常切換式換熱器流程切換損失為1.54，而增壓分子篩凈化流程的切換損失小于0.5。又由于增壓膨脹，膨脹量減少，膨脹空氣進(jìn)氣量減少，氧氣提取率上升，產(chǎn)品產(chǎn)量增加，單位能耗降低。增壓分子篩流程比切換式換熱流程的能耗降低0.52。3、運(yùn)轉(zhuǎn)周期延長(zhǎng) 切換式換熱器流程，出切換式換熱器加工空氣中的二氧化碳含量為1210-6,運(yùn)轉(zhuǎn)周期為一年。而分子篩凈化器增壓流程，幾乎能夠完全清除二氧化碳，即使臨近純化器切換時(shí)，空氣中二氧化碳含量小于110-6, 因而運(yùn)轉(zhuǎn)周期可達(dá)兩年以上。4、提高設(shè)備安全性由于分子篩對(duì)乙炔及碳?xì)浠衔镉袠O強(qiáng)的吸附能力，可以有效地避免主冷凝蒸發(fā)器的“微爆”故障發(fā)生。對(duì)于板翅式換熱器在切換式流程中一直處于交變載荷之中，易于疲勞破壞，同時(shí)換熱器的熱段易于進(jìn)水凍裂，還會(huì)加速對(duì)鋁制換熱器的腐蝕，因而板翅式切換式換熱器的使用壽命短。而增壓分子篩凈化流程的主換熱器不切換，板翅式換熱器處于衡壓工作狀態(tài)，其壽命可延長(zhǎng)一倍之多。5、冷箱內(nèi)設(shè)備簡(jiǎn)化分子篩流程可以取消保冷箱中的液空吸附器、液氧吸附器、液化器、切換系統(tǒng)、自動(dòng)閥箱等設(shè)備，減少了許多低溫閥和常溫閥。同時(shí)減少了約40%的保冷箱內(nèi)管道、儀表及儀控設(shè)施，縮小了保冷箱的體積，降低了保冷材料的消耗，減少了跑冷損失，占地面積也大為減少。6、縮短安裝時(shí)間正因?yàn)槔湎鋬?nèi)設(shè)備減少,流程簡(jiǎn)化,所以安裝難度降低。雖然分子篩凈化流程增加了分子篩凈化系統(tǒng)和冷凍機(jī)組,但這些常溫設(shè)備易于安裝。經(jīng)過(guò)對(duì)比得知，安裝周期可縮短46個(gè)月，并節(jié)省了安裝費(fèi)用。7、簡(jiǎn)化操作、維修增壓分子篩流程啟動(dòng)操作，沒(méi)有建立自清除工況的約束，一次冷卻直至出氧，啟動(dòng)操作簡(jiǎn)化而且縮短了啟動(dòng)時(shí)間，減少了各種消耗。在正常操作中，剔除了液氧、液空吸附器的倒換操作，既減少了操作的麻煩又確保了精餾塔的工況穩(wěn)定，有利于提高氧、氮、氬等產(chǎn)品產(chǎn)量。由于冷箱內(nèi)易發(fā)生故障，需要維修的設(shè)備、閥門、儀表大大減少，因此維修簡(jiǎn)便。8、取消加溫解凍系統(tǒng)通過(guò)分子篩純化器后的空氣露點(diǎn)不大于-70，空氣溫度大于10，這樣的空氣是相當(dāng)干燥和干凈的空氣，完全可以作為解凍氣體使用，因而不需要專門設(shè)置加溫解凍系統(tǒng)來(lái)提供裝置加溫解凍操作所需要的氣體。這樣既減少了設(shè)備，也簡(jiǎn)化了操作。9、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化增壓分子篩凈化流程，啟動(dòng)操作簡(jiǎn)化，設(shè)備溫度變化連續(xù)，給自動(dòng)控制提供了方便。在短期或較長(zhǎng)時(shí)間停車后，在冷態(tài)下再啟動(dòng)，也不必顧及乙炔的積聚威脅，也可以采用自動(dòng)控制操作。此外，能夠用自動(dòng)控制迅速地進(jìn)行負(fù)荷調(diào)節(jié)，因?yàn)椴挥每紤]像可逆式換熱器那樣的溫度要求，受自清除工況的約束。10、設(shè)備費(fèi)用降低冷箱內(nèi)設(shè)備減少，主換熱器傳熱面積縮小了1/3，閥門、管路等也相應(yīng)減少，使分子篩凈化流程的設(shè)備費(fèi)用比切換式換熱器流程的設(shè)備費(fèi)用降低2%3%，相應(yīng)的設(shè)計(jì)費(fèi)、安裝費(fèi)都下降，因而總工程費(fèi)用下降。（2） 制冷：空氣的液化為使空氣液化，需要獲得低溫，工業(yè)上常用兩種方法，即空氣通過(guò)節(jié)流閥或膨脹機(jī)的膨脹制冷獲得低溫，甚至液化。這兩種方法是以氣體的膨脹為基礎(chǔ)的。2.1 空氣的液化2.1.1 流膨脹效應(yīng)通常把高壓流體流經(jīng)管道中的小孔后壓力顯著降低的過(guò)程稱為節(jié)流。節(jié)流孔徑越小，則局部阻力越大，節(jié)流前后的壓力變化也越大；反之，就越小。在實(shí)際工作中，為了調(diào)節(jié)，通常用節(jié)流閥代替節(jié)流孔。氣體在節(jié)流時(shí)，既無(wú)能量輸出，也無(wú)能量輸入，所以氣體節(jié)流前后的能量保持不變，即節(jié)流前后的焓值相等。這是節(jié)流過(guò)程的基本特點(diǎn)，因此節(jié)流過(guò)程可看作是近似的絕熱過(guò)程。實(shí)際氣體的焓值是溫度和壓力的函數(shù)，所以實(shí)際氣體節(jié)流后的溫度是發(fā)生變化的。這種現(xiàn)象叫節(jié)流效應(yīng)（焦耳湯姆遜效應(yīng)）?？諝饨?jīng)過(guò)節(jié)流，雖然可降低溫度，但對(duì)外沒(méi)有熱量交換，也沒(méi)有做功，因此節(jié)流過(guò)程本身并沒(méi)有產(chǎn)生冷量。節(jié)流特點(diǎn)：節(jié)流效應(yīng)與節(jié)流前的壓力和溫度有關(guān)。節(jié)流前的溫度降低，節(jié)流效應(yīng)增大。節(jié)流前的壓力增高，節(jié)流效應(yīng)變小。等溫節(jié)流制冷時(shí)，氣體需經(jīng)歷等溫壓縮和節(jié)流膨脹兩過(guò)程才具有制冷量。2.1.2 膨脹制冷氣體對(duì)外做功的機(jī)器稱為膨脹機(jī)。氣體在膨脹機(jī)中一邊膨脹，其內(nèi)位能增加，又一邊對(duì)外做功，這兩部分能量消耗都需要用內(nèi)動(dòng)能來(lái)補(bǔ)償，所以氣體在膨脹機(jī)中等熵膨脹，焓值下降，溫度必然降低。高壓氣體等熵膨脹時(shí)向外輸出機(jī)械功，這樣消耗了大量的氣體內(nèi)能（焓值減?。?。另外，還由于膨脹時(shí)氣體體積增大，分子距離也要增大，但是分子間有吸引力，為了克服分子間的吸引力又要消耗氣體分子的一些動(dòng)能（動(dòng)能減?。＿@樣氣體分子的內(nèi)能和動(dòng)能在等熵膨脹時(shí)大量消耗，從而降低了氣體溫度。所以等熵膨脹后，氣體溫度總是下降的。氣體等熵膨脹產(chǎn)生的溫差，不但隨著膨脹前后的壓力比值增大而增加，而在膨脹前后壓力不變的情況下，還隨著膨脹前的溫度的變化而變化。所以為了獲得較大的溫降和單位制冷量，可采用增加膨脹比和提高膨脹前溫度的方法。但不是無(wú)限制的，而是在合理的等熵效應(yīng)范圍內(nèi)進(jìn)行。2.1.3 節(jié)流與等熵膨脹的比較 在制冷量和溫度效應(yīng)多寡方面，等熵膨脹比節(jié)流膨脹制冷效果顯著。但節(jié)流過(guò)程用節(jié)流閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)方便，并且可以工作在氣液兩相區(qū)內(nèi)。2.2 膨脹機(jī)絕熱等熵膨脹是獲得低溫的重要途徑之一，也是對(duì)外做功的一個(gè)重要熱力過(guò)程。而作為用來(lái)使氣體膨脹輸出外功以產(chǎn)生冷量的膨脹機(jī)，則是能夠?qū)崿F(xiàn)接近絕熱等熵膨脹過(guò)程的一種有效機(jī)械?，F(xiàn)代空分設(shè)備對(duì)膨脹機(jī)的要求：更高的整機(jī)效率；更好的穩(wěn)定及調(diào)節(jié)性能；更安全及可靠的保護(hù)系統(tǒng)；更長(zhǎng)的運(yùn)行周期及使用壽命等。對(duì)于空分設(shè)備來(lái)說(shuō)，低溫精餾裝置冷量損失的及時(shí)補(bǔ)充、產(chǎn)品產(chǎn)量的有效調(diào)節(jié)等都使得為其提供充足冷量的膨脹機(jī)顯得尤為重要。透平膨脹機(jī)是利用工質(zhì)在流道中流動(dòng)時(shí)速度的變化來(lái)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，也稱為速度型膨脹機(jī)。工質(zhì)在透平膨脹機(jī)的流通部分中膨脹獲得動(dòng)能，并由工作輪軸端輸出外功，因而降低了膨脹機(jī)出口工質(zhì)的內(nèi)能和溫度。2.2.1 作用和分類按結(jié)構(gòu)分有兩種，活塞式膨脹機(jī)和透平式膨脹機(jī)。按工質(zhì)在膨脹過(guò)程所處的狀態(tài)，可分為氣相透平膨脹機(jī)和兩相透平膨脹機(jī)。按透平膨脹機(jī)的制動(dòng)方式，可分為風(fēng)機(jī)制動(dòng)膨脹機(jī)、增壓機(jī)制動(dòng)膨脹機(jī)、電機(jī)制動(dòng)透平膨脹機(jī)、油制動(dòng)透平膨脹機(jī)。根據(jù)透平膨脹機(jī)的軸承不同形式，可分為油軸承透平膨脹機(jī)、氣體軸承透平膨脹機(jī)和磁軸承透平膨脹機(jī)。根據(jù)工質(zhì)在工作輪中流動(dòng)的方向，透平膨脹機(jī)可分為徑流式、徑軸流式、軸流式?，F(xiàn)代空分設(shè)備普遍采用的是向心徑軸流反動(dòng)式透平膨脹機(jī)，它具有焓降大、允許轉(zhuǎn)速高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和熱效率高的特點(diǎn)。2.2.2 工作原理及基本方程1、工作原理透平膨脹機(jī)是一種高速旋轉(zhuǎn)的機(jī)械，它是利用工質(zhì)流動(dòng)時(shí)速度的變化來(lái)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的，因此稱為速度型膨脹機(jī)。它由膨脹機(jī)通流部分（由蝸殼、噴嘴、工作輪、擴(kuò)壓器組成）、制動(dòng)器及機(jī)體三部分組成。工質(zhì)在透平膨脹機(jī)的通流部分中膨脹獲得動(dòng)能，并由工作輪軸端輸出外功，因而降低了膨脹機(jī)出口工質(zhì)的內(nèi)能和溫度。膨脹工質(zhì)由進(jìn)氣管進(jìn)入蝸殼，被均勻地分配進(jìn)入噴嘴；經(jīng)過(guò)噴嘴膨脹，降低了壓力和溫度后進(jìn)入工作輪，在工作輪中工質(zhì)進(jìn)一步膨脹做功；然后經(jīng)由擴(kuò)壓器排入膨脹機(jī)的出口管道，而膨脹功則由工作輪相連的主軸向外輸出。由膨脹機(jī)主軸輸出的能量可被用來(lái)驅(qū)動(dòng)一臺(tái)壓縮機(jī)或一臺(tái)發(fā)電機(jī)。以使透平膨脹機(jī)有一個(gè)穩(wěn)定的運(yùn)行條件。2、基本方程 狀態(tài)方程相對(duì)來(lái)說(shuō)，在空分設(shè)備用透平膨脹機(jī)的計(jì)算中，利用壓縮性系數(shù)Z來(lái)對(duì)理想狀態(tài)方程進(jìn)行修正是最方便的，精度也能滿足要求。pv=ZRT式中：p絕對(duì)壓力，Pa； v氣體比體積，m3/kg； R氣體常數(shù)，J/（kgK）； T氣體溫度，K。壓縮性系數(shù)可由Zp圖表中查得。 連續(xù)性方程在透平膨脹機(jī)流道中，一般流動(dòng)過(guò)程可簡(jiǎn)化為一元穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)，如果在流體流經(jīng)的任意兩截面間即沒(méi)有流體加入，也沒(méi)有流體排出，則在該管道內(nèi)的每一個(gè)與流速方向垂直的橫截面上單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)的流體質(zhì)量始終不變。式中：質(zhì)量流量（膨脹氣量），kg/s； 氣體密度，kg/m3； 、氣體在兩個(gè)狀態(tài)下的速度，m/s； 垂直c的流道截面積，m2；從上式中可看出，當(dāng)流體體積流量一定時(shí)，流道截面積和氣體速度成反比關(guān)系。 動(dòng)量方程在透平膨脹機(jī)的固定流道（如噴嘴和擴(kuò)壓器）中，對(duì)于一元穩(wěn)定流動(dòng)，下面方程得到廣泛的應(yīng)用。（）=ZRT1上式適用于有摩擦的不可逆的絕熱流動(dòng)過(guò)程。 能量守恒方程根據(jù)能量守恒定律，當(dāng)工質(zhì)在絕熱過(guò)程中，與外界既無(wú)熱量交換，又無(wú)動(dòng)能傳遞，則膨脹過(guò)程從始到終的單位質(zhì)量能量是不變的，即：常數(shù)式中：、工質(zhì)在兩個(gè)狀態(tài)下的動(dòng)能，J/kg2.2.3 透平膨脹機(jī)的損失、產(chǎn)冷量及效率透平膨脹機(jī)的損失基本上分為兩大類：內(nèi)部損失和外部損失。內(nèi)部損失影響膨脹機(jī)的等熵效率；外部損失只對(duì)膨脹功的回收和利用率有影響。內(nèi)部損失又可分為流道損失和非流道損失。在氣流流經(jīng)的通道中，因氣流與壁面、氣流與氣流之間的摩擦和沖擊而引起的損失等統(tǒng)稱為流道損失。而工作輪與靜止件之間的氣體摩擦、氣體內(nèi)泄漏等損失稱為非流道損失。綜合起來(lái)，影響透平膨脹機(jī)等熵效率的主要損失有5種。1、噴嘴損失膨脹氣體流經(jīng)噴嘴時(shí)，會(huì)產(chǎn)生流道表面的阻力、局部渦流和氣流沖擊等損失。它與氣體流動(dòng)速度、噴嘴葉片葉型、葉片高度，葉片表面粗糙度及葉片出口邊緣（尾部）厚度等因素有關(guān)。2、工作輪損失 氣體在葉輪流道中的流動(dòng)損失。當(dāng)氣體流經(jīng)葉輪流道時(shí)，由于葉片型線、表面粗糙度等因素引起的摩擦損失，氣體流動(dòng)時(shí)的渦流和沖擊損失等。3、余速損失 現(xiàn)代透平膨脹機(jī)中，氣體多以較高的氣流速度排出葉輪后進(jìn)入擴(kuò)壓器，經(jīng)擴(kuò)壓器來(lái)進(jìn)一步降低介質(zhì)的速度（壓力和溫度升高），使其達(dá)到允許值。實(shí)際上，氣體在擴(kuò)壓器中的流動(dòng)是一種壓縮過(guò)程，需要消耗部分能量。對(duì)透平膨脹機(jī)來(lái)說(shuō)，同樣減少了有效能量。這兩部分能量的損失稱余速損失。4、輪背摩擦鼓風(fēng)損失 輪背摩擦鼓風(fēng)損失是有葉輪輪背、輪蓋和靜止元件之間間隙中的氣體而產(chǎn)生的。緊靠輪背、輪蓋的那部分氣體附著在葉輪上，以和輪背、輪蓋相同的圓周速度運(yùn)動(dòng)，而緊靠殼體的那部分氣體則和殼體一樣，是靜止不動(dòng)的，在這個(gè)間隙中形成了一個(gè)速度梯度。這一速度梯度是由于氣體的粘性引起的，因而要消耗一定的摩擦功。這部分摩擦功又轉(zhuǎn)換成熱量，通過(guò)葉輪把熱量傳給氣體，提高了工作氣體出工作輪時(shí)的比焓值，因而降低了制冷量。5、泄漏損失泄漏損失包括內(nèi)漏損失和外漏損失兩種。對(duì)閉式葉輪，在輪蓋處采用迷宮密封，有一小股工作輪前未經(jīng)噴嘴的氣流，經(jīng)密封器與葉輪間的縫隙漏出，它與經(jīng)工作輪噴嘴后的低比焓氣體在葉輪出口處匯合，從而使葉輪出口處氣體的比焓升高，降低了膨脹機(jī)的制冷量，這種損失稱為內(nèi)泄漏損失。在半開(kāi)式工作輪中，由于沒(méi)有輪蓋，無(wú)法設(shè)置密封器，這時(shí)希望盡量減少葉片和固定件的間隙。工作輪的一小股氣流，經(jīng)輪盤外側(cè)與殼體之間的縫隙，沿軸向外界泄漏，這種損失稱為外泄漏損失。它不會(huì)影響膨脹后氣體的比焓，僅僅是減少了有效膨脹氣體量，影響了膨脹機(jī)的總制冷量。透平膨脹機(jī)組2.2.5 透平膨脹機(jī)的調(diào)節(jié)1、性能曲線 將透平膨脹機(jī)中一些主要參數(shù)之間的相互關(guān)系用曲線形式表示出來(lái)，稱為透平膨脹機(jī)的性能曲線。2、制動(dòng)器形式每臺(tái)膨脹機(jī)都配制動(dòng)器。制動(dòng)器作用是消耗透平膨脹機(jī)的功，控制其轉(zhuǎn)速，維持膨脹機(jī)在最高效率點(diǎn)運(yùn)行，同時(shí)也防止透平膨脹機(jī)“飛車”。 風(fēng)機(jī)制動(dòng)即在工作輪同軸上裝有風(fēng)機(jī)輪，風(fēng)機(jī)輪吸入空氣，壓縮后放空。優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單，機(jī)組緊湊，造價(jià)低，維護(hù)操作方便。缺點(diǎn)是不能回收功，而且噪聲大。 電機(jī)制動(dòng)是在工作輪同軸裝上發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，將膨脹機(jī)的功轉(zhuǎn)換為電能送入電網(wǎng)。優(yōu)點(diǎn)是回收電能，制動(dòng)無(wú)噪音。缺點(diǎn)是設(shè)備成本高。 增壓機(jī)制動(dòng)增壓機(jī)的葉輪裝在膨脹機(jī)的同軸的另一側(cè)，氣體對(duì)工作輪做功使之轉(zhuǎn)動(dòng)，增壓器的葉輪也同速轉(zhuǎn)動(dòng)，將氣體增壓后再送入膨脹機(jī)的工作輪。優(yōu)點(diǎn)是增加單位制冷量。3、調(diào)節(jié)方法通常把改變膨脹氣體在進(jìn)出口處狀態(tài)參數(shù)的調(diào)節(jié)，稱為“質(zhì)”的調(diào)節(jié)；改變氣體流量的調(diào)節(jié)稱為“量”的調(diào)節(jié)。在調(diào)節(jié)過(guò)程中，有時(shí)質(zhì)和量同時(shí)發(fā)生改變，不易區(qū)分。進(jìn)口節(jié)流調(diào)節(jié)在膨脹機(jī)的進(jìn)口管道上裝有氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥，通過(guò)改變調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，改變膨脹機(jī)前的氣流壓力，從而膨脹機(jī)的焓降及等熵效率發(fā)生變化，以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)冷量的目的。是質(zhì)和量同時(shí)改變的一種調(diào)節(jié)方法。轉(zhuǎn)動(dòng)噴嘴葉片角的流量調(diào)節(jié)利用轉(zhuǎn)動(dòng)噴嘴葉片，改變流通面積，達(dá)到改變膨脹機(jī)的流量，從而改變制冷量。這種調(diào)節(jié)不改變氣體在膨脹機(jī)進(jìn)出口的狀態(tài)參數(shù)，在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)冷量時(shí)，仍然保持機(jī)器較高的等熵效率。因此是一種先進(jìn)的調(diào)節(jié)方法，這種調(diào)節(jié)的經(jīng)濟(jì)性好，并且可以靈活地掌握改變?nèi)~片角的大小，得到比較精細(xì)的調(diào)節(jié)效果。2.2.6 透平膨脹機(jī)組透平膨脹機(jī)組由主體、制動(dòng)器、潤(rùn)滑系統(tǒng)、氣封系統(tǒng)、自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)組成。1、透平膨脹機(jī)本體圖 3.2 3.3我單位6000、6500、20000m3/h制氧機(jī)，基本上都是臥置、單級(jí)、向心、徑軸流反動(dòng)式膨脹機(jī)。透平膨脹機(jī)主要由膨脹機(jī)蝸殼、噴嘴環(huán)、轉(zhuǎn)子、出口擴(kuò)壓器、軸承箱、密封系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)等組成。轉(zhuǎn)子是透平膨脹機(jī)中轉(zhuǎn)動(dòng)部分的部件總成，主要由主軸、葉輪等組成。主軸的一端裝有膨脹機(jī)工作輪，另一端裝有增壓機(jī)葉輪或風(fēng)機(jī)葉輪等。當(dāng)外界干擾頻率與轉(zhuǎn)子的自振頻率相同時(shí)，產(chǎn)生共振。共振時(shí)的轉(zhuǎn)速稱為臨界轉(zhuǎn)速。當(dāng)正常工作時(shí)工作輪的轉(zhuǎn)速低于一階臨界轉(zhuǎn)速軸稱為剛性軸，當(dāng)工作輪轉(zhuǎn)速高于一階臨界轉(zhuǎn)速而低于二階臨界轉(zhuǎn)速軸稱為柔性軸。典型的結(jié)構(gòu)如下圖2-3：圖 2-3 3.3軸承在透平膨脹機(jī)中，一般采用滑動(dòng)軸承。軸承與轉(zhuǎn)軸之間的徑向間隙要適當(dāng)，過(guò)大使軸承旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生震動(dòng)，潤(rùn)滑油膜分布不均勻，間隙過(guò)小，會(huì)導(dǎo)致軸溫超過(guò)允許值。 密封密封一般分為內(nèi)密封和軸密封。內(nèi)密封為設(shè)在透平膨脹機(jī)內(nèi)部的防止或減少介質(zhì)在流動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生內(nèi)泄漏的密封。在工作輪背面，低溫氣體會(huì)沿軸間向外泄漏，減少了透平膨脹機(jī)的制冷量；另外，由于冷量的泄漏還會(huì)導(dǎo)致軸承潤(rùn)滑油的固化，造成事故，因此需要設(shè)置可靠的軸密封。 噴嘴環(huán) 噴嘴環(huán)各流道是膨脹機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的主要部件。對(duì)于反動(dòng)式透平膨脹機(jī)，約有50的比焓降在噴嘴內(nèi)完成。2、潤(rùn)滑系統(tǒng) 透平膨脹機(jī)的軸承采用強(qiáng)制供油（如上圖）。潤(rùn)滑系統(tǒng)包括油箱、齒輪油泵、油過(guò)濾器、油壓容器等。油過(guò)濾器采用微孔紙質(zhì)濾芯。油壓容器的作用是貯存一定壓力的潤(rùn)滑油，一旦發(fā)生油泵停轉(zhuǎn)時(shí)可以供油35分鐘，以此保護(hù)膨脹機(jī)。潤(rùn)滑油牌號(hào)一般為TSA-32號(hào)汽輪機(jī)油。潤(rùn)滑油循環(huán)使用，在軸承處除起潤(rùn)滑作用外，還可以冷卻軸承，將高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的熱量帶走，因此潤(rùn)滑油需要冷卻，確保軸溫低于65。3、密封系統(tǒng)膨脹機(jī)密封氣系統(tǒng)采用精密減壓閥，根據(jù)間隙壓力對(duì)密封氣進(jìn)氣壓力進(jìn)行自動(dòng)跟蹤。4、自動(dòng)（聯(lián)鎖）保護(hù)系統(tǒng)為保證膨脹機(jī)安全運(yùn)轉(zhuǎn)，透平膨脹機(jī)組設(shè)有相應(yīng)的保護(hù)系統(tǒng)。當(dāng)機(jī)組運(yùn)行時(shí)，如果被監(jiān)測(cè)參數(shù)發(fā)生變化達(dá)到聯(lián)鎖值，在DCS的控制下，相應(yīng)的保護(hù)系統(tǒng)就會(huì)動(dòng)作。 防喘振系統(tǒng)本系統(tǒng)主要由流量監(jiān)測(cè)儀表、轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)、繼電器、電磁閥、氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥組成。動(dòng)作過(guò)程：當(dāng)流量過(guò)低或轉(zhuǎn)速過(guò)高達(dá)到聯(lián)鎖值時(shí)，被控制的電磁閥就會(huì)失電，切斷氣源，增壓機(jī)回流閥打開(kāi)，降低膨脹機(jī)前壓力，此時(shí)膨脹機(jī)做功就會(huì)減少，相應(yīng)的膨脹機(jī)的轉(zhuǎn)速也會(huì)降低，從而達(dá)到保護(hù)膨脹機(jī)的目的。 油壓保護(hù)系統(tǒng)本系統(tǒng)由油壓監(jiān)測(cè)儀表、齒輪油泵、繼電器、電控部分等組成。正常時(shí)油壓在一定的范圍內(nèi)保持恒定。當(dāng)由于某種原因?qū)е掠蛪航档瓦_(dá)到聯(lián)鎖值時(shí)，輔助油泵就會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，保證了膨脹機(jī)供油的穩(wěn)定。 軸封防漏系統(tǒng)本系統(tǒng)由密封氣壓力監(jiān)測(cè)儀表、繼電器、接觸器、齒輪油泵等組成。正常情況下，密封氣通過(guò)迷宮密封，保證了增壓機(jī)的潤(rùn)滑油不會(huì)泄漏進(jìn)入氣路，同時(shí)也防止了膨脹端冷量沿軸串漏。如果密封氣壓力下降達(dá)到聯(lián)鎖值時(shí)，油泵立即停止運(yùn)轉(zhuǎn)，有效的防止了潤(rùn)滑油進(jìn)入氣路。 自動(dòng)停車系統(tǒng)當(dāng)監(jiān)測(cè)參數(shù)（油壓、軸溫、轉(zhuǎn)速）發(fā)生變化達(dá)到聯(lián)鎖停車值時(shí)，膨脹機(jī)的入口電磁閥、增壓機(jī)回流電磁閥會(huì)失電，在3秒內(nèi)，所控氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥會(huì)在彈簧的作用下自動(dòng)回到初始位置，即回流閥全開(kāi)，進(jìn)口閥全關(guān)。從而切斷氣路，停止膨脹機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。一般增壓機(jī)制動(dòng)透平膨脹機(jī)組的控制聯(lián)鎖要求項(xiàng) 目報(bào) 警連 鎖說(shuō) 明供油壓力低設(shè)定啟動(dòng)條件供油壓力過(guò)低間隙與出口間差壓高軸承溫度高軸承溫度過(guò)高膨脹機(jī)密封氣壓力低設(shè)定油泵啟動(dòng)條件增壓機(jī)密封氣壓力低設(shè)定油泵啟動(dòng)條件轉(zhuǎn)速高轉(zhuǎn)速過(guò)高增壓機(jī)出口壓力控制自動(dòng)調(diào)節(jié)增壓機(jī)出口壓力高自動(dòng)全開(kāi)回流閥油箱油溫控制15加溫，25加溫終設(shè)定啟動(dòng)條件油泵失電膨脹機(jī)密封氣與間隙差壓自動(dòng)維持回流閥位全開(kāi)為啟動(dòng)條件軸振動(dòng)大軸振動(dòng)過(guò)大 安全保護(hù)系統(tǒng)在增壓機(jī)出口、膨脹機(jī)出口都設(shè)有安全閥，當(dāng)相應(yīng)的氣路部分出現(xiàn)壓力升高，而且超過(guò)安全閥的整定值時(shí)，安全閥起跳，把壓力降到安全范圍內(nèi)。當(dāng)壓力恢復(fù)到正常范圍時(shí)，安全閥自動(dòng)關(guān)閉。加溫注意事項(xiàng)：確保密封氣暢通，潤(rùn)滑油壓力正常；先打開(kāi)緊急切斷閥和噴嘴葉片后才可通加溫氣體，以免損壞機(jī)器；膨脹機(jī)加溫完畢后進(jìn)出口閥門必須關(guān)嚴(yán)，使得加溫后的膨脹機(jī)在長(zhǎng)期停車期間避免冷氣體進(jìn)入潤(rùn)滑油腔，使軸承過(guò)冷損壞。（3）空氣的凈化空氣是多組分的混合氣體，除氧、氮及稀有氣體組分外，還含有水蒸氣、二氧化碳、乙炔及其它碳氧化合物，并含有少量灰塵等固體雜質(zhì)。這些雜質(zhì)隨空氣進(jìn)入空壓機(jī)與空氣分離裝置中會(huì)帶來(lái)較大的危害。固體雜質(zhì)會(huì)磨損空壓機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)部件，堵塞冷卻器，降低冷卻效果及空壓機(jī)的等溫效率。而水蒸氣和二氧化碳在加工空氣冷卻的過(guò)程中會(huì)首先凍結(jié)析出，將堵塞設(shè)備及氣體通道，致使空分裝置無(wú)法生產(chǎn)。更嚴(yán)重的是，乙炔及其它碳?xì)浠衔镌诳辗盅b置中聚積導(dǎo)致爆炸事故的發(fā)生，所以為了保證制氧機(jī)的安全運(yùn)行，必須設(shè)置專門的凈化設(shè)備?？諝鈨艋饕盖宄諝庵械臋C(jī)械雜質(zhì)、水分和二氧化碳。凈化主要采用過(guò)濾法、凍結(jié)法、吸附法等幾種方法。過(guò)濾法是利用過(guò)濾材料把空氣中顆粒狀雜質(zhì)清除的方法。凍結(jié)法是將雜質(zhì)轉(zhuǎn)變成固體加以清除；應(yīng)用較多的是吸附法，此法是利用固體表面對(duì)氣體雜質(zhì)的吸附特性而使空氣凈化。3.1 固體雜質(zhì)的清除3.1.1 過(guò)濾除塵原理及性能指標(biāo)過(guò)濾作用對(duì)于大的塵粒用其重力或慣性力、離心力使之沉降。相應(yīng)有慣性除塵器和離心除塵器?？辗盅b置加工空氣污染中的塵粒是微小的，通常小于10m，所以空氣污染過(guò)濾器多采用擴(kuò)散粘附的原理，相應(yīng)的過(guò)濾器有表面式或內(nèi)部過(guò)濾式過(guò)濾器，表面過(guò)濾的濾料為布、網(wǎng)等織物或過(guò)濾紙。過(guò)濾器的性能指標(biāo)主要是除塵效率、阻力及過(guò)濾器的容塵量。除塵效率的定義是過(guò)濾器所捕集的塵量占?xì)怏w帶入過(guò)濾器總塵量的百分比。阻力也就是氣體通過(guò)過(guò)濾器的壓降。一般規(guī)定，當(dāng)過(guò)濾器的阻力增加到初始時(shí)的1.5倍或效率下降到初始效率的85%，就需要更換濾料。3.1.2 空氣過(guò)濾器根據(jù)除塵原理，空氣污染過(guò)濾器可分為干式或濕式兩種。干式過(guò)濾器屬于表面式過(guò)濾器，靠織物網(wǎng)眼阻擋塵粒；濕式過(guò)濾器靠油膜粘附灰塵。1、袋式過(guò)濾器袋式過(guò)濾器的濾袋由羊毛氈與合成纖維織成，濾袋數(shù)目取決于氣量的大小，過(guò)濾風(fēng)速約為0.040.1m/s?？諝鈴捻敳窟M(jìn)入，經(jīng)分配器后流入袋內(nèi)，經(jīng)濾袋過(guò)濾后由下部流出。積聚在袋上的灰塵靠反吹風(fēng)機(jī)吹落。當(dāng)灰塵在濾袋上積累到使壓差達(dá)到1200Pa時(shí)，反吹羅茨風(fēng)機(jī)及反吹環(huán)自動(dòng)啟動(dòng)，反吹空氣通過(guò)膠皮軟管進(jìn)入過(guò)濾器內(nèi)的反吹裝置，反吹環(huán)由0.4kw的電機(jī)帶動(dòng)，并設(shè)有限位開(kāi)關(guān)，能上下來(lái)回移動(dòng)，反吹空氣經(jīng)過(guò)分配管至反吹環(huán)局部反吹濾袋，不需停止或切換過(guò)濾器就使整個(gè)濾袋均能被反吹干凈。當(dāng)壓差降至800Pa時(shí)，反吹風(fēng)機(jī)及反吹環(huán)就自動(dòng)停止。被反吹下來(lái)的灰塵落入 底部灰斗，定時(shí)由星形閥排出。這種過(guò)濾器的過(guò)濾效率很高，對(duì)粒度大于2m的灰塵，效率在98%以上。并且過(guò)濾后的空氣中不含油分，操作方便。此外，對(duì)空氣灰塵含量不受限制，適應(yīng)性好，對(duì)不同容量的空分裝置可用改變?yōu)V袋的數(shù)目來(lái)適應(yīng)，比較方便。其缺點(diǎn)是過(guò)濾速度較高，阻力較大，高達(dá)1200Pa；對(duì)濕度太大的地區(qū)或季節(jié)，濾袋易被堵塞。2、自潔式過(guò)濾器 自潔式過(guò)濾器是目前空分設(shè)備最普遍選用的過(guò)濾器。自潔式過(guò)濾器由高效過(guò)濾筒、文氏管、自潔專用噴頭、反吹系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、凈氣室和出風(fēng)口、框架等組成。（1）過(guò)濾過(guò)程：在壓縮機(jī)吸氣負(fù)壓作用下，吸入周圍的環(huán)境空氣。當(dāng)空氣穿過(guò)高效濾筒時(shí)，粉塵由于重力、靜電和接觸等被阻留在濾筒外表面，凈化空氣進(jìn)入凈氣室，然后經(jīng)出風(fēng)管引出。（2）自潔過(guò)程：當(dāng)電腦發(fā)出指令，電磁閥啟動(dòng)并驅(qū)動(dòng)隔膜閥，瞬間釋放一股壓力為0.40.6MPa的脈沖氣流，經(jīng)專用噴頭整流噴出，文氏管卷吸、密封、膨脹，從濾筒內(nèi)部均勻地向外沖擊，將積聚在濾筒外表面的粉塵吹落，自潔過(guò)程完成。（3）清灰過(guò)程有3種方式：定時(shí)定位，可任意設(shè)定間隔時(shí)間和自潔時(shí)間；差壓自潔，當(dāng)壓差超指標(biāo)時(shí)，進(jìn)入自動(dòng)連續(xù)自潔；手動(dòng)自潔，當(dāng)電控箱不工作或粉塵較多時(shí)，可采用手動(dòng)自潔。反吹自潔過(guò)程是間斷的，每次僅12組處于自潔狀態(tài)，其余仍在工作，所以具有在線自潔功能。自潔式過(guò)濾器核心部件過(guò)濾筒，采用進(jìn)口RK-300高效防水濾紙，經(jīng)特殊工藝生產(chǎn)而成。自帶前置過(guò)濾網(wǎng)，防止柳絮、樹(shù)葉及異物吸入，延長(zhǎng)過(guò)濾筒使用壽命。采用電腦控制機(jī)電一體化，安裝簡(jiǎn)單便捷，只需配管通電、通氣即可工作。（4）自潔式過(guò)濾器具有以下優(yōu)點(diǎn)： 過(guò)濾阻力小，小型機(jī)150Pa，大型機(jī)300800Pa。 過(guò)濾效率比一般過(guò)濾器提高510。 適應(yīng)性廣，采用進(jìn)口高效防水過(guò)濾紙，在潮濕多霧地區(qū)不受太大影響。 耗氣少，反吹時(shí)壓縮空氣需求量?jī)H為0.10.5m3/min ，電容量約為100500W。 占地面積小，產(chǎn)品為積木式結(jié)構(gòu)，大型機(jī)可采用多層疊放。 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)備輕，為同容量的布袋式過(guò)濾器及其它過(guò)濾器的1/2左右。 防腐性能好，凈氣室采用優(yōu)質(zhì)涂層及不銹鋼內(nèi)襯，杜絕過(guò)濾后的二次污染。外表面采用高級(jí)防腐船用漆，保證室外環(huán)境下長(zhǎng)期不受腐蝕。 日常維護(hù)工作量小，約二年左右更換過(guò)濾筒，更換過(guò)濾筒不需停機(jī)。3.2 自清除在全低壓切換式