有效能損失分析及空分設(shè)備的節(jié)能

1、有效能損失分析及空分設(shè)備的節(jié)能萬建余 徐福根 楊志鵬(新余鋼鐵有限責(zé)任公司氣體廠，江西新余 338001)摘要：通過空分設(shè)備有效能損失分析方法，有效損失主要存在壓縮機、主換熱器、精餾塔、氣體管線。經(jīng)節(jié)能改造和優(yōu)化操作 ，最終達(dá)到了提高有效能利用率，從而達(dá)到節(jié)能的目的。關(guān)鍵詞： 有效能損失 空分設(shè)備 節(jié)能 優(yōu)化The Available Energy Loss Analysis and Saving Energy Wan Jiang-Yu， Xu Fu-gen Yang Zhi-Peng(Gas Production Factory of Xinyu Iron and Steel Co., Lt

2、d., Xinyu 338001, JiangxiAbstract: By using the available energy loss analysis method, the available energy loss lies in the compressor , main heat exchanger, distillation, and gas tube line. Based on the available energy loss analysis, the schemes of saving energy reform and optimizing operation ar

3、e suggested to reach the aim of saving the energy and to raise effective profit of the energy source.Keyword: available energy loss； air separation plant；saving energy； optimization隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，年人均能源消耗量將逐年增加，據(jù)預(yù)測，到2050年將達(dá)到2.38噸標(biāo)準(zhǔn)煤，相當(dāng)于目前世界平均值（2.4噸標(biāo)準(zhǔn)煤），但遠(yuǎn)低于目前發(fā)達(dá)國家的水平。人均能源的不足將是我國經(jīng)濟(jì)、社會可持續(xù)發(fā)展的一個限

4、制因素，要解決能源問題，出路不外乎兩條：一是開源；二是節(jié)流。我國實行的開發(fā)和節(jié)約并重的能源政策。近期把節(jié)能放在優(yōu)選考慮的地位，通過正確的用能，合理用能，節(jié)約用能，減少能源浪費，提高能源的有效利用率，達(dá)到節(jié)能的目的。空分設(shè)備的原料是空氣，其主要消耗的是能源，能源消耗占生產(chǎn)成本的80%，降低生產(chǎn)成本的主要措施是降低能耗，而空分設(shè)備所消耗的能源是由不可逆過程引起的，盡管每一個可逆過程中所消耗的能量方式不盡相同，但都會產(chǎn)生有效能的損失。因而，可以從空分各個工藝過程有效能分析來尋找最佳節(jié)能途徑。1 有效能系統(tǒng)在一定狀態(tài)下的有效能，就是系統(tǒng)從該狀態(tài)變化到基態(tài)過程所做的理想功，用表示，對于穩(wěn)定流動過程，從狀

5、態(tài)1變化到狀態(tài)2過程的理想功可以寫為 （1） 式中為基態(tài)的溫度；為熵；為焓。當(dāng)系統(tǒng)由任意狀態(tài)變到基態(tài)時，穩(wěn)流系統(tǒng)的有效能定義為 （2）有效能可分為物理有效能和化學(xué)有效能，物理有效能是指系統(tǒng)的溫度、壓力等狀態(tài)不同于環(huán)境而具有的能量?？辗诌\行中與熱量傳遞有關(guān)的加熱、冷卻、冷凝過程，以及與壓力變化有關(guān)的壓縮、膨脹等過程，只考慮物理有效能?？杀硎緸?（3） 式中為溫度與環(huán)境不平衡具有的有效能；為壓力與環(huán)境不平衡具有的有效能。由熱力學(xué)定律可得 （4） （5） 式中為定壓比熱；為摩爾數(shù)；摩爾體積；為壓力?；瘜W(xué)有效能是指處于環(huán)境溫度和壓力下的系統(tǒng)，由于與環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)交換或化學(xué)反應(yīng)，達(dá)到與環(huán)境平衡，所做的最大

6、功。從系統(tǒng)的狀態(tài)到環(huán)境狀態(tài)需要經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)與物理擴散兩個過程：將系統(tǒng)的物質(zhì)轉(zhuǎn)化成環(huán)境物質(zhì)（基準(zhǔn)物）過程及物質(zhì)濃度變化到與環(huán)境濃度相同的過程。在空分設(shè)備中的化學(xué)有效能是以物理擴散有效能形式存在。2 有效能損失在能源轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)移、傳遞和使用的過程中，有效能可以有效地利用發(fā)揮其功效，也可無效地?fù)p失，也就是通常說的有效能損失，有效能損失是不可逆的。 空分設(shè)備的有效能輸入，主要有空壓機電耗、原料空氣所帶入的有效能、水泵消耗的電能、氬泵消耗的電能、電加器消耗的電能。有效能損失占總輸入有效能的比例非常高，也即有效能效率很低，老式全低壓空分不大于12%1 ，現(xiàn)代大型空分也只有在20%2左右。其中空壓機有效能損失

7、和空分塔的有效能損失所占的比重較大?？辗衷O(shè)備有效能損失主要存在傳熱過程、壓縮或膨脹過程、節(jié)流過程、精餾過程中。21傳熱過程有效能損失傳熱過程的有效能損失與傳熱量、溫差和溫位有關(guān)，可表示為BA （6） 圖1 換熱器傳熱示意 式中為傳熱量；為傳熱過程的有效能損失。從上式可知，兩物流在熱傳遞過程中，熱量和溫差相同，溫位越低，傳遞過程的有效能損失越大；傳熱量越大，有效能損失也越大。利用上式對空分主換熱器進(jìn)行分析得，傳遞相同熱量，每1溫差造成的有效能損失熱端是冷端的3.1倍，因此，空分操作過程中，特別要控制好主換器冷端溫差。22壓縮過程有效能損失 靜壓能的提高與氣體在級中的壓縮過程有關(guān)，所需的功稱為壓縮

8、功，在空壓機中由于氣流速度很快，壓縮過程中與外界沒有熱量交換，即為絕熱定熵過程。從狀態(tài)1壓縮到狀態(tài)2定熵功為 （7）式中為氣體常數(shù)；為空壓機進(jìn)口壓力；為空壓機的出口壓力。定熵功與進(jìn)口溫度、壓力和出口壓力有關(guān)，與出口溫度無關(guān)，空分用空壓機一般為多級壓縮，若冷卻效率低，每級壓縮進(jìn)口溫度高，則所需的功要大。假設(shè)空壓機為三段壓縮，每段壓縮比都為，冷卻后溫度提高1,則空壓機消耗功率增加0.4%。在實際運行中，可以降低水溫，控制冷卻器的結(jié)垢，提高冷卻器的效率，降低冷卻后溫度，減少空壓機功耗。另一方面，空壓各級進(jìn)氣溫度條件及空分裝置進(jìn)氣溫度條件要求，必須進(jìn)行冷卻，由冷卻前溫度降低到溫度，帶來有效能損失為 （

9、8）在圖2中，1-3為絕熱壓縮過程，設(shè)絕熱效率為：，那么，因摩擦損失引起熱量為，假定絕熱可逆壓縮后狀態(tài)為3，絕熱不可逆壓縮后狀態(tài)為4，它們等溫不等壓，由于摩擦損失以熱形式加給氣體，引起所需的壓縮功增加為三角形134 面積。TSP1P2A B C123''4圖2 圖上的與無熱交換壓縮過程三角形面積。 摩擦損失引起熱量為由絕熱方程：則由于絕熱可逆壓縮過程為等熵過程，不可逆壓縮過程為熵產(chǎn)生過程，熵產(chǎn)生為則空壓機的有效能損失為 （9）式中 空壓機效率；空壓機壓縮比。從上式分析，空壓機效率越低，有效能損失越大。23阻損帶來有效能損失在定態(tài)流動過程中，如果物系和環(huán)境不發(fā)生功和熱的交換，因則

10、阻損帶來的有效能損失為對于理想氣體來說， （10）式中為阻力損失；通過管道氣體的摩爾數(shù)。上述公式而知，相同壓力下，阻力損失越大，有效能損失也大，相同阻力損失下，壓力越大，有效能損失越小。要盡量減少管路的阻力來降低有效能損失。24精餾系統(tǒng)有效能損失以塔板精餾為例，從下面上升進(jìn)入某塊板的溫度要比上面流下的液相溫度高些，而易揮發(fā)組分的含量則低于與下降液體相平衡的濃度，兩股物流在溫度和組成上都不平衡，在塔板上發(fā)生熱量和質(zhì)量傳遞過程是不可逆的，必然造成有效能的損失，這就是精餾過程中有效損失的主要部分。當(dāng)物質(zhì)摩爾由化學(xué)位的相傳到相時，產(chǎn)生的有效能損耗，由熱力學(xué)分析得（在等溫等壓下），精餾過程中有效損失為

11、（11）精餾過程中，化學(xué)位是傳質(zhì)的推動力，正是由于兩相化學(xué)位的差異而導(dǎo)致傳質(zhì)過程，從產(chǎn)生有效能的損失。要減少每塊塔板上傳熱和傳質(zhì)推動力，就要使操作線與平衡線接近，過程趨于可逆，是降低有效能損失的主要途徑。241下塔及粗氬塔分析 P=塔壓力圖3 操作線示意圖空分下塔和粗氬塔一般操作線方程為 （12），即回流比；為某組成在塔頂?shù)臐舛取膱D3和操作線方程可知，操作線的斜率為，當(dāng)越大時，操作線越靠近平衡曲線，這時回流越小。可見，要減少有效能損失，必須使回流比盡可能的小，但當(dāng)操作回流比為最小回流比時，需要無窮多理論塔板數(shù)，所以一般控制回流比。241上塔分析上塔精餾段操作線和提餾段操作線的在平衡曲線圖上交

12、于一點，交點的軌跡為一條直線，通常稱為線。線的斜率不同，液空進(jìn)料口的狀態(tài)也不同，回流比與線關(guān)系：（1）當(dāng)精餾段操作線和線的交點落在平衡曲線上時，回流比最小，最節(jié)能。（2）當(dāng)精餾段操作線和線的交點落在平衡圖的對角線上時，回流比最大，能耗最高。P=上塔壓力圖4 上塔操作線示意圖圖4 操作線示意圖3 節(jié)能改造與操作通過對空分設(shè)不同過程的有效能損失的分析，尋找到節(jié)能潛力最大的環(huán)節(jié)，對新鋼公司氣體廠的兩套空分設(shè)備進(jìn)行挖潛改造和優(yōu)化操作：（1）管路的阻力損失來減少有效能損失。2005年7月25000m3/h空分投產(chǎn)，18000m3/h空分停機全面檢修的機會，把18000空分用空壓機出口止回閥，由原來DN4

13、00的更換成一與管道通徑相同的DN600的，使空壓機到氮水預(yù)冷段的壓力損失減少了25Kpa。2005年底對25000空分的分子篩再生氮、產(chǎn)品氧氣、產(chǎn)品氮氣等三個流量孔板重新設(shè)計并更換，取消了進(jìn)空分裝置流量孔板，以降低系統(tǒng)阻力損失，從而達(dá)到降低有效能損失，降低情況見表1。 表1 25000空分降低有效能損失情況表項目阻力減少/體積流量/摩爾體積/有效能損失減小/進(jìn)塔空氣71250005580367073.536產(chǎn)品氧氣42450010937530621.83產(chǎn)品氮氣42400010714329996.93再生污氮4200008928621621.21（2） 降低系統(tǒng)循環(huán)水溫和控制機器冷器系統(tǒng)結(jié)垢

14、，提高壓縮機冷器的效率，減少溫差帶來的有效能損失。18000m3/h空分系統(tǒng)，隨著夏季氣溫的升高，水溫達(dá)3233，制約了空分設(shè)備的滿負(fù)荷生產(chǎn)，增加設(shè)備電量能耗，通過與老系統(tǒng)管網(wǎng)聯(lián)通（原3200m3/h空分冷卻水循環(huán)系統(tǒng)），充分利用兩臺老冷卻的能力，使給水溫度能保持在2829。25000m3/h空分運行不到一年，發(fā)現(xiàn)氮壓機的冷卻器結(jié)垢很嚴(yán)重，制約了設(shè)備運行效率，水系統(tǒng)進(jìn)行加約處理，給水與冷卻后氣體的溫差控制在設(shè)計范圍內(nèi)。（3） 化空分操作，減少精餾系統(tǒng)的有效能損失。（1）主冷液面在保證全浸的安全要求下，盡量降低，縮小主冷兩則的溫差，從而達(dá)到減少因傳熱溫差引起的有效能損失；（2）在保證空分塔精餾工

15、況，盡量減小回流比，減少因塔板上相之間濃度差偏大所產(chǎn)生的物理擴散有效能損失。（4） 低操作壓力。保證主冷液面穩(wěn)定情況下，降低上塔壓力，從而達(dá)到降低空壓機的排壓。以25000m3/h空分為例，參考文獻(xiàn)4進(jìn)行計算，通過主冷兩側(cè)的汽液平衡計算出下塔壓與上塔壓的關(guān)見表2表2 25000m3/h空分主冷液面為3200mm時，上下塔操作壓力主冷液氧面壓力（A）/kPa主冷底部壓力（A）/kPa主冷上部溫度/K主冷底部溫度/K主冷平均溫度/K下塔頂部溫度/K下塔頂部壓力（A）/kPa150186.4893.95296.32695.13996.04565148184.4893.81696.20695.0119

16、5.912560146182.4893.67396.08594.87995.78555145181.4893.696.02494.81295.713550144180.4893.52795.96394.74595.646545143179.4893.45495.90194.677595.5785543142178.4893.38195.8494.610595.5115540141177.4893.30795.77894.542595.4435535140176.4893.23295.71594.473595.3745533139175.4893.15795.65394.40595.306530138174.4893.08295.5994.33695.237527從圖5中可知，在保證空分正常精餾工況的主冷換熱溫差情況下，上塔最低要求壓力與下塔壓力成線性關(guān)系。為了操作方便，對表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸得關(guān)聯(lián)式 式中為下塔頂部壓力；為主冷液氧面壓力。 圖5上下塔操作壓力關(guān)系圖結(jié)合文獻(xiàn)4空壓機指示功率計算，上塔每降低1 Kpa壓力，空壓機運行功率減少3.2KW。3 結(jié)論根據(jù)熱力學(xué)第二定律，對空分設(shè)備的幾個生產(chǎn)過程進(jìn)行了有效能損失分析，尋找到最佳的節(jié)能途徑，提出了節(jié)能措施，通過改造和優(yōu)