制氧調(diào)度員培訓(xùn)手冊

制氧調(diào)度員培訓(xùn)手冊

制氧調(diào)度員初步熟悉制氧的兩種工藝流程及全廠的用氧、氮特點,熟悉制氧設(shè)備的簡要操作。

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,從分子運動論觀點看,溫度是物質(zhì)分子熱運動平均動能的度量,溫度越

高,分子熱運動的平均動能就越大。

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)。絕對溫標(biāo)規(guī)定水在標(biāo)準(zhǔn)

大氣壓下的三相點為273.16度。攝氏溫標(biāo)與熱力學(xué)溫標(biāo)的換算公式為t=T-273.16

1.3壓力：分子運動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

用力稱之壓強(qiáng)，工程上稱之壓力。能夠用標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（atm）,工程大氣壓（at）,mmH?o與mmHg,b/in2

等表示，現(xiàn)在通常使用國際單位Pa表示。

55

換算：latm=l.01xl0Pa;lmmH2o=9.81Pa;lmmHg=-三3.32Pa;lbar=10Pa

1.4理想氣體及其狀態(tài)方程：PV=r1rt

1.5氧的性質(zhì)：氧氣，空氣要緊組分之一，比空氣重，標(biāo)準(zhǔn)狀況（0℃與大氣壓強(qiáng)10—三25帕）

下密度為1.429克/升。無色、無臭、無味。在水中溶解度很小。壓強(qiáng)為lOlkPa時，氧氣在約一一八3

攝氏度時變?yōu)榈{(lán)色液體，在約-2一八攝氏度時變成雪花狀的淡藍(lán)色固體。氧分子具有順磁性。

1.6氮的性質(zhì)：氮氣，常況下是一種無色無味無臭的氣體，且通常無毒。氮氣占大氣總量的78.12%

（體積分?jǐn)?shù)），是空氣的要緊成份。常溫下為氣體，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，冷卻至795.8℃時?，變成沒有顏

色的液體，冷卻至-209.86℃時:液態(tài)氮變成雪狀的固體。氮氣的化學(xué)性質(zhì)很穩(wěn)固，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，用來制取對人類有用的新物質(zhì)。

1.7氟的性質(zhì)：英文名稱：argon,氧氣是一種無色、無味的（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,沸點為-一八5.7七。氮氣為惰性氣體對人體無

直接危害。但是，假如工業(yè)使用后，產(chǎn)生的廢氣則對人體危害很大，會造成矽肺、眼部損壞等情況。

氧本身無毒，但在高濃度時有窒息作用。當(dāng)空氣中氮氣濃度高于33%時就有窒息的危險。當(dāng)?shù)獨?/p>

濃度超過50%時，出現(xiàn)嚴(yán)重癥狀，濃度達(dá)到75%以上時，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)的能量能夠傳遞，其形式能夠轉(zhuǎn)換，在轉(zhuǎn)換與傳遞過程中各

類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；不可逆熱力過程中端的微增量總是大于零八

1.10熱力學(xué)第三定律：不可能用有限個手段與程序使一個物體冷卻到絕對溫度零度。熱力學(xué)第三

定律是對嫡的論述，通常當(dāng)封閉系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)固平衡時，嫡應(yīng)該為最大值，在任何過程中，燧總是增加,

但理想氣體假如是絕熱可逆過程端的變化為零，但是理想氣體實際并不存在，因此現(xiàn)實物質(zhì)中，即使

是絕熱可逆過程，系統(tǒng)的焙也在增加，只是增加的少。在絕對零度，任何完美晶體的焙為零；稱之熱

力學(xué)第三定律。

1.11焰：氣體所具有的總能量即熱力學(xué)能與宏觀動能之與。

1.12崎：用來表示不可逆過程中前后2個不等價狀態(tài)的度量。

1.一三熱力性質(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，因此出現(xiàn)了熱力性質(zhì)圖供大家查表計算，其全面意義見制氧技

術(shù)p441,

三深冷分離法制氧工藝

（1）制氧的流程組織

制氧流程要緊由制冷系統(tǒng)與精儲系統(tǒng)構(gòu)成。全面可分為十大系統(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)、精儲系統(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（氧與氮）帶氧制氧機(jī)（氧、氮、氮）及全提取（氧、氮、氮及其他

稀有氣體）；依照產(chǎn)量分為小型制氧機(jī)（小時產(chǎn)量小于1000m3/h）、中型制氧機(jī)（小時產(chǎn)量1000-

10000m3/h）、大型制氧機(jī)（小時產(chǎn)量大于10000m3/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1?5Mpa）、全低壓制氧機(jī)（操作壓力0.5?0.6Mpa）；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，還有下列的性能指標(biāo):

1單位電耗，即生產(chǎn)lm3氧氣所耗的電能，以kw-h/ni3為單位來表示。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。Vo,?改，

2提取率，即在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下lm3原料空氣所制得的純氧量。通常計算方法為：4?丁生空％

式中V%一—氧氣產(chǎn)量

'/空——加工空氣量

丁。2一一氧氣中的含氧量

空一一空氣中的含氧量

這一指標(biāo)反映了空氣分離的完善程度。

3啟動時間。從空壓機(jī)向裝置送氣開始直至產(chǎn)品達(dá)到設(shè)計產(chǎn)量的全過程所需要的時間。

4運轉(zhuǎn)周期。這是指制氧機(jī)無機(jī)器、設(shè)備故障的前提下，連續(xù)運轉(zhuǎn)的時間，通常以年為單位。

5加溫解凍時間。制氧機(jī)在啟動前或者停車后需要加溫解凍所用的時間。

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)備費用的多少，投資的多少。

1.1.3國產(chǎn)空氣分離設(shè)備的型號規(guī)定

我國空分設(shè)備的型號由漢語拼音字母、化學(xué)元素符號與阿拉伯?dāng)?shù)字所構(gòu)成。型號分首部、中部、

尾部三個部分，中間以短橫“一”隔開。

1.1.4制氧機(jī)的進(jìn)展

自從1902年德國的林德教授發(fā)明了高壓節(jié)流循環(huán)制冷，單級精儲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)為中壓流程繼而出現(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)也向低壓方面進(jìn)展，而且對超低壓流程正進(jìn)行研究探討。表1T

333

從制氧機(jī)的能耗方面，從單耗大于2kw?h/mo2降低到0.38kw?h/m。2。單機(jī)容量從20m'/h

進(jìn)展至今世界上最大的制氧機(jī)為74000m3/ho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，還有各類液態(tài)產(chǎn)品，也就是產(chǎn)品多樣化。從操縱系統(tǒng)方

面，由手動操縱進(jìn)展到計算機(jī)數(shù)字集散操縱系統(tǒng)，實現(xiàn)了機(jī)電一體化。

1.2制氧機(jī)的典型流程

現(xiàn)在均使用先進(jìn)的分子篩純化器及增壓透平膨脹機(jī)流程。如我車間30000m3/h制氧機(jī)：

該類型號為KD0N-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、乙怏等碳?xì)浠衔?。而后空氣進(jìn)入主換熱器，空氣通道被返流氣

體冷卻到對應(yīng)壓力下的飽與溫度后進(jìn)入下塔參與精儲。

從分子篩純化器出來的加工空氣，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)。從流程圖能夠看出，此流程既沒

有液化器也沒有吸附器，保冷箱內(nèi)的設(shè)備及管路大為簡化。

要緊技術(shù)指標(biāo)：

加工空氣量：一五3000m3/h

加工空氣壓力：0.52Mpa

產(chǎn)品產(chǎn)量及純度：

氧氣產(chǎn)量30000m3/h,99.6%02

氮氣產(chǎn)量30000m3/h,10X10-602

液氮產(chǎn)量900m3/h,10X10-602

液氮產(chǎn)量920m3/h,99.999%Ar

1.3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、投資與運轉(zhuǎn)費用，以降低產(chǎn)品成本。

2、安全運轉(zhuǎn)與便于運轉(zhuǎn)維修。

3、當(dāng)自然條件與某些使用條件發(fā)生變化時仍然保證產(chǎn)品的質(zhì)量及產(chǎn)量，即變工況習(xí)慣能力強(qiáng)。

1.3.2制冷系統(tǒng)組織

制冷系統(tǒng)包含空壓機(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、液化維持在精儲所需要的低溫，為空氣的精儲制造條件。

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)）為根據(jù)。全低壓流程由于能耗低，運

轉(zhuǎn)安全可靠等諸多優(yōu)點，被廣泛推廣與應(yīng)用。而高、低壓流程與中壓流程復(fù)雜，能耗高已被淘汰。這

里重點討論全低壓制冷系統(tǒng)組織問題。

1、全低壓流程

（1）空氣膨脹與氮氣膨脹

全低壓流程利用了拉赫曼原理，將膨脹后的空氣送入上塔，或者者利用氮氣為膨脹工質(zhì)。這兩者

都能夠利用上塔精儲，從而提高了制氧機(jī)產(chǎn)量。

①空氣膨脹?？諝馀蛎浀牡牧鞒淌疽鈭D

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微。這部分空氣沒有通過下塔的預(yù)精儲直接送入上塔。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

入上塔中部作為精僧段的上升氣，因而上塔精微段的回流比減少，精微潛力得到利用。這些送入膨脹

空氣稱之“入上塔膨脹空氣”，也叫拉赫曼氣。這就是所謂空氣膨脹，目前我國全低壓裝置流程大部分

使用這種方法，比如國產(chǎn)1000、一五00、3200、6000m3/h等制氧機(jī)。

②氮氣膨脹。它是從下塔頂部抽出氮氣，一部分經(jīng)切換式換熱器環(huán)流通過復(fù)熱后再匯合進(jìn)入透平

膨脹機(jī)，膨脹后的氮氣作為產(chǎn)品氮氣引出，或者者與污氮匯合經(jīng)切換式換熱器回收冷量后放空。由于

從下塔引氮氣，冷凝蒸發(fā)器的冷凝量減少，因而送入上塔的液體儲份量減少，精儲潛力得到利用。氮

氣膨脹在國外的大型全低壓空分裝置上已被使用。

以上兩種方法都是減少上塔液體鐲份，使精儲時的氣液間的溫差減少，利用了上塔精儲潛力，使

全低空分裝置具有更大的合理性，利用上塔精儲潛力后，塔板上氣液之間的溫差變化如圖『8所示，

由圖可見，由于空氣膨脹不但減少上塔回流液，同時增加了上升蒸氣量，因此氣液間的溫差比氮膨脹

更小些。

⑵關(guān)于膨脹空氣進(jìn)上塔量的限制

不管是空氣膨脹還是氮膨脹都是利用上塔的精儲潛力，提高氧的提取率，減少不可逆分離功的缺

失。既然是精儲潛力的利用就有一定的限制。超出極限就會使分離產(chǎn)品純度降低，能耗增大，氧提取

率下降。從理論上來講，這一極限應(yīng)取決于上精儲塔的最小回流比（液氣比）。但是，在最小回流比條

件下，欲得到分離產(chǎn)品需無數(shù)塊塔板，這樣的精微塔是不存在的。在有限的一定塔板數(shù)的前提下，同

意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。上塔精儲同意入塔的最大膨脹空氣量能

夠由上塔的物料平衡，能量平衡及物料參數(shù)求出。

進(jìn)入上塔的同意膨脹量要緊與上、下塔取出的產(chǎn)品純度及上塔液體的過冷度有關(guān)。產(chǎn)品純度低、

同意膨脹量增加。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缺失，降低能耗，在滿

足工藝要求的條件下，不應(yīng)過分追求產(chǎn)品的高純度，否則，提取率降低，能耗增大。入上塔液體的過

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，精儲潛力更大，也就表現(xiàn)出同意進(jìn)

塔的膨脹量增加。

需要指出，這里計算的同意最大膨脹量，狀態(tài)應(yīng)是當(dāng)時壓力下的飽與氣體。由于膨脹機(jī)結(jié)構(gòu)所限

制，膨脹后的氣體不同意達(dá)到飽與或者出現(xiàn)液體。膨脹后氣體要保持過熱狀態(tài)。膨脹后氣體溫度與相

應(yīng)壓力下飽與溫度之差為膨脹后氣體過熱度。顯然，過熱度增加，同意進(jìn)塔的最大膨脹空氣量減少。

確切的同意進(jìn)塔的最大膨脹量的數(shù)值要根據(jù)制氧機(jī)的具體流程計算確定。但是通常來說，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一五%?25%。

⑶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憎工況的限制，同時在進(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有關(guān)。正由于這些復(fù)雜的關(guān)系，從而產(chǎn)生了下面三種具有代表性的

情況：

①裝置的容量較小，單位冷損較大，這時整個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，而且也超過精儲塔所同意的拉赫曼進(jìn)氣量。這時，膨

脹機(jī)的進(jìn)氣量將由兩部分構(gòu)成，一部分是環(huán)流空氣，另一部分則是由下塔或者液化器來的旁通氣。這

時由于膨脹氣量已經(jīng)超過精饋塔所同意的最大拉赫曼進(jìn)氣量，因此，務(wù)必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)。

③裝置是中等容量，冷損較大，這時由裝置冷量平衡所要求的膨脹量大于由蓄冷器（或者板翅式

切換式換熱器）不凍結(jié)性所決定的環(huán)流量。但是膨脹量是在精儲塔所同意的拉赫曼進(jìn)氣量范圍以內(nèi)，

這時膨脹量仍由環(huán)流與下塔旁通量兩部分構(gòu)成。由于它是在同意的拉赫曼進(jìn)氣量范圍以內(nèi)，因此膨脹

后的空氣能夠全部送入上塔。屬于這種情況的有3200、6000,10000m3/h的制氧機(jī)。

③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，不僅小于精儲所同意的拉赫曼

進(jìn)氣量，而且等于或者者小于環(huán)流量，這時候進(jìn)膨脹機(jī)的膨脹氣體全部通過環(huán)流，甚至要將部分環(huán)流

旁通。

把上面所說的簡單歸結(jié)為：

小容量裝置：膨脹量大于同意的進(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：同意進(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：同意進(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)流量部分旁通或者者生產(chǎn)部分液態(tài)產(chǎn)品，還能夠

考慮使用氮膨脹

⑷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，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，因此單位制冷量增加。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1-9

2、精饋系統(tǒng)組織

精儲系統(tǒng)的組織與制冷系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)的組織有關(guān)。

在組織精微系統(tǒng)時，為了確保產(chǎn)品的純度能夠采取下列幾種措施:

圖1-10

⑴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)。

⑵抽儲份：在下塔抽出液氮鐳份，在上塔抽出污氮，這樣一方面使較

多的氯隨污氮放空有利于氧、氮分離，另一方面使下塔上部與輔塔中的回

流比加大，有利于精儲工況，從而得到高純度的產(chǎn)品。

由于所要求產(chǎn)品的產(chǎn)量與純度不一致，精微系統(tǒng)工程的組織能夠分為

下列幾種情況：

⑴只生產(chǎn)單一高純度產(chǎn)品，比如只生產(chǎn)純氧，或者者只要求生產(chǎn)純

氮。這種情況能夠使用普通的雙級精微塔，如圖1-10所示塔板根據(jù)所要

簡單雙級

格爆塔

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，也不需要抽儲份

或者設(shè)輔塔。

⑵生產(chǎn)兩種高純度產(chǎn)品。適用于純氮/純氧不小于1的場合。如3200m3/h空分裝置純氧與純氮的

產(chǎn)量都是3200m3/h。氧、氮比為1：1。

這時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儲份液氮。要有足夠的塔板數(shù)，使得在下塔頂部的氮

氣達(dá)到99.99%的純度。

⑶生產(chǎn)兩種純度產(chǎn)品，僅是純氮/純氧等于0.2?0.5,也就是要求生產(chǎn)的純氮量比較少的場合，

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，通過進(jìn)一步精微，在純氮塔頂部

得到純度更高的產(chǎn)品氮。而產(chǎn)品純氧則由主塔與純氮塔的冷凝蒸發(fā)器上部引出。

這種方式的特點是由于下塔頂部氣氮的純度比較低，所下列塔壓力相對的能夠低，由此能耗能夠

降低，但是流程組織相對輔塔流程要復(fù)雜些。

關(guān)于生產(chǎn)純氧，也叫工業(yè)氧（氧純度在99.5%）,與生產(chǎn)純度不高工藝氧（氧純度在95%?98%）或

者者兩種產(chǎn)品都生產(chǎn)的精饋組織也與上述一樣，能夠與用設(shè)置輔塔，操縱塔板數(shù)的辦法來實現(xiàn)。

1.3.3防爆系統(tǒng)組織

空分裝置爆炸的原因通常有：

液空與液氧中乙塊與碳?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，因分子篩對水分、二氧化碳、乙烘及其碳?xì)浠衔锏墓参阶?/p>

用，從理論上講，已經(jīng)沒有必要再設(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8--一五。C。為確保制氧機(jī)的安全與連續(xù)運轉(zhuǎn)，個別流程除

設(shè)置兩只純化器以外,還設(shè)有一只或者兩只液氧吸附器,而液空吸附器就不設(shè)置了。

1.3.4換熱器系統(tǒng)組織

族汽

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，以簡化流程,減少流體阻力，降低血一

設(shè)備投資。

制氧流程中常見的換熱器有7種

1、主換熱器后放[

其要緊作用是使加工空氣與返流氧氣、氮氣與污氮換熱，_1o上

甚AC

使之冷卻到液化溫度，達(dá)到液化，進(jìn)入精儲塔下塔底作為原

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B—~a_?

全低壓制氧機(jī)中。

分子鰭地化韶豪企

AT一空氣過的船，ATC一空氣M

平壓縮機(jī).AC—空冷塔,WC—

水冷麗WP1、WP2——水泵,RV

一一里絡(luò)郁冷機(jī)BMSI、MS2一

分子舜純化器。SH—燕汽力口癱一

2、切換式換熱器

該類換熱器包含可逆式板翅式換熱器及蓄冷器。它的要緊功能是將加工空氣冷卻到接近液化溫度,

而后參與精僧。同時回收返流氣體的冷量，使氧氣、氮氣、污氮等氣流復(fù)熱后送出裝置。在換熱的同

時將空氣中的水分、二氧化碳自清除。即起到換熱與自清除雙重作用，使制氧機(jī)的換熱與雜質(zhì)清除凈

化有機(jī)地結(jié)合起來。

3、冷凝蒸發(fā)器

它是精儲所必需的換熱設(shè)備,是聯(lián)系上、下塔的紐帶。其中上塔的液氧與下塔氣氮換熱，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)來分，可分為板翅式、管式兩種，而管式又分為長管式、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，因此需要取較大的主冷溫差，通常為2?2.5℃；長管式、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，通常取1.6?1.8℃。主冷溫差還直接影響精儲塔的壓力，決定了全低壓流程操作壓力。如

我公司現(xiàn)運行的所有設(shè)備的主冷都是板式冷凝器。

4、過冷器

常見有液空過冷器、液氮過冷器（純液氮、污液氮）、液氧過冷器。過冷器的作用是使下塔來的液

空、純液氮、污液氮與從上塔抽出的氧、氮、污氮氣換熱，使液體過冷。從而減少節(jié)流汽化率，提高

上塔回流比，改善上塔的精儲工況。同時回收了從上塔出來的純氮氣、污氮氣的冷量，因此，高、中、

全低壓流程中均使用。特別是全低壓切換式換熱器流程，由于污氮氣的部分冷量被過冷器回收了，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)切換式換熱器或者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。

膨脹前換熱器能夠調(diào)節(jié)膨脹機(jī)前的工質(zhì)狀態(tài)，以滿足膨脹后過熱度的要求。

膨脹后換熱器的作用能夠降低膨脹后氣體的過熱度又保持膨脹量不變。在膨脹后換熱器中是用污

氮氣或者純氮氣來冷卻膨脹后氣體，也就是將上塔出來的氣體冷量回收給上塔，能夠提高上塔的回流

比，改善精儲工況，提高氧的提取率，減少膨脹空氣送入上塔對精餡工況的“干擾”。因此，目前全低

壓流程大都使用膨脹后換熱器。

1.4流程比較

增壓分子篩凈化流程是上個世紀(jì)80年代末90年代初國際上普遍推廣的先進(jìn)流程，它具有十分突

出的優(yōu)點。為此，在本節(jié)內(nèi)對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)行全面比較。增

壓分子篩凈化具有十大優(yōu)點：

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，通常氧氣量與純氮氣產(chǎn)量之比為1：1.1。而在增壓分子篩凈化流程中，只需

少量污氮氣作為分子篩純化器的再生氣。因此純氮氣產(chǎn)量與氧氣產(chǎn)量之比高達(dá)2.3?2.5：1,氮氣產(chǎn)

量增加30%?35虬

關(guān)于氮氣產(chǎn)量，由于分子篩切換周期很長，精儲塔工況波動小，且膨脹空氣量小，進(jìn)入上塔空氣

量大為減少，參與一次精播的加工空氣量增加，氮提取率提高。氮氣產(chǎn)量可增加63%左右，氧氣產(chǎn)量

增加約2%。

2、降低能耗

切換時間比切換式換熱器切換時間大為延長，從而大大減少了切換缺失，通常切換式換熱器流程

切換缺失為1.5%—4%,而增壓分子篩凈化流程的切換缺失小于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0.5%—2%。

3、運轉(zhuǎn)周期延長

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1?2XI0-6,運轉(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，空氣中二氧

化碳含量小于1X10-6,因而運轉(zhuǎn)周期可達(dá)兩年以上。

4、提高設(shè)備安全性

由于分子篩對乙烘及碳?xì)浠衔镉袠O強(qiáng)的吸附能力，能夠有效地避免主冷凝蒸發(fā)器的“微爆”故

障發(fā)生。

關(guān)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，同時換熱器的熱段易

于進(jìn)水凍裂，還會加速對鋁制換熱器的腐蝕，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)，其壽命可延長一倍之多。

5、冷箱內(nèi)設(shè)備簡化

分子篩流程能夠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)、自動閥箱等設(shè)備,

減少了許多低溫閥與常溫閥。同時減少了約4(?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，減少了跑冷缺失，占地面積也大為減少。

6、縮短安裝時間

正由于冷箱內(nèi)設(shè)備減少,流程簡化,因此安裝難度降低。盡管分子篩凈化流程增加了分子篩凈化系

統(tǒng)與冷凍機(jī)組，但這些常溫設(shè)備易于安裝。通過對比得知，安裝周期可縮短4?6個月，并節(jié)約了安裝

費用。

7、簡化操作、維修

增壓分子篩流程啟動操作，沒有建立自清除工況的約束，一次冷卻直至出氧，啟動操作簡化而且

縮短了啟動時間，減少了各類消耗。

在正常操作中，剔除了液氧、液空吸附器的倒換操作，既減少了操作的煩惱又確保了精儲塔的工

況穩(wěn)固，有利于提高氧、氮、氨等產(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，因此維修簡便。

8、取消加溫解凍系統(tǒng)

通過分子篩純化器后的空氣露點不大于-7(TC,空氣溫度大于10℃,這樣的空氣是相當(dāng)干燥與干

凈的空氣，完全能夠作為解凍氣體使用，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，也簡化了操作。

9、易于實現(xiàn)自動化

增壓分子篩凈化流程，啟動操作簡化，設(shè)備溫度變化連續(xù)，給自動操縱提供了方便。在短期或者

較長時間停車后，在冷態(tài)下再啟動，也不必顧及乙烘的積聚威脅，也能夠使用自動操縱操作。止匕外，

能夠用自動操縱迅速地進(jìn)行負(fù)荷調(diào)節(jié)，由于不用考慮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)備費用比切換式換熱器流程的設(shè)備費用降低2%?3%,相應(yīng)的設(shè)計費、安裝費都下降，因而總工程

費用下降。

（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，即空氣通過節(jié)流閥或者膨脹機(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程稱之節(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，既無能量輸出，也無能量輸入，因此氣體節(jié)流前后的能量保持不變，即節(jié)流前后

的烙值相等。這是節(jié)流過程的基本特點，因此節(jié)流過程可看作是近似的絕熱過程。

實際氣體的焰值是溫度與壓力的函數(shù)，因此實際氣體節(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)（焦耳一湯姆遜效應(yīng)）。

空氣通過節(jié)流，盡管可降低溫度，但對外沒有熱量交換，也沒有做功，因此節(jié)流過程本身并沒有

產(chǎn)生冷量。

節(jié)流特點：節(jié)流效應(yīng)與節(jié)流前的壓力與溫度有關(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，氣體需經(jīng)歷等溫壓縮與節(jié)流膨脹兩過程才具有制冷量。

2.1.2膨脹制冷

氣體對外做功的機(jī)器稱之膨脹機(jī)。氣體在膨脹機(jī)中一邊膨脹，其內(nèi)位能增加，又一邊對外做功，

這兩部分能量消耗都需要用內(nèi)動能來補(bǔ)償，因此氣體在膨脹機(jī)中等嫡膨脹，焰值下降，溫度必定降低。

高壓氣體等嫡膨脹時向外輸出機(jī)械功，這樣消耗了大量的氣體內(nèi)能（焰值減?。?。另外，還由于膨

脹時氣體體積增大，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

體分子的一些動能（動能減?。＿@樣氣體分子的內(nèi)能與動能在等端膨脹時大量消耗，從而降低了氣體

溫度。因此等端膨脹后，氣體溫度總是下降的。

氣體等嫡膨脹產(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。因此為了獲得較大的溫降與單位制冷量，可使用增加膨

脹比與提高膨脹前溫度的方法。但不是無限制的，而是在合理的等嫡效應(yīng)范圍內(nèi)進(jìn)行。

2.1.3節(jié)流與等端膨脹的比較

在制冷量與溫度效應(yīng)多寡方面，等端膨脹比節(jié)流膨脹制冷效果顯著。但節(jié)流過程用節(jié)流閥結(jié)

構(gòu)簡單，調(diào)節(jié)方便，同時能夠工作在氣液兩相區(qū)內(nèi)。

2.2膨脹機(jī)

絕熱等炳膨脹是獲得低溫的重要途徑之一，也是對外做功的一個重要熱力過程。而作為用來使氣

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)接近絕熱等端膨脹過程的一種有效機(jī)械。

現(xiàn)代空分設(shè)備對膨脹機(jī)的要求：更高的整機(jī)效率；更好的穩(wěn)固及調(diào)節(jié)性能；更安全及可靠的保護(hù)

系統(tǒng)；更長的運行周期及使用壽命等。

關(guān)于空分設(shè)備來說，低溫精饋裝置冷量缺失的及時補(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)在流道中流淌時速度的變化來進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，也稱之速度型膨脹機(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)能與溫度。

2.2.1作用與分類

按結(jié)構(gòu)分有兩種，活塞式膨脹機(jī)與透平式膨脹機(jī)。

按工質(zhì)在膨脹過程所處的狀態(tài)，可分為氣相透平膨脹機(jī)與兩相透平膨脹機(jī)。

按透平膨脹機(jī)的制動方式，可分為風(fēng)機(jī)制動膨脹機(jī)、增壓機(jī)制動膨脹機(jī)、電機(jī)制動透平膨脹機(jī)、

油制動透平膨脹機(jī)。

根據(jù)透平膨脹機(jī)的軸承不一致形式，可分為油軸承透平膨脹機(jī)、氣體軸承透平膨脹機(jī)與磁軸承透

平膨脹機(jī)。

根據(jù)工質(zhì)在工作輪中流淌的方向，透平膨脹機(jī)可分為徑流式、徑一軸流式、軸流式?，F(xiàn)代空分設(shè)

備普遍使用的是向心徑一軸流反動式透平膨脹機(jī)，它具有焰降大、同意轉(zhuǎn)速高、結(jié)構(gòu)簡單與熱效率高

的特點。

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)流淌時速度的變化來進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的，因此稱

之速度型膨脹機(jī)。它由膨脹機(jī)通流部分(由蝸殼、噴嘴、工作輪、擴(kuò)壓器構(gòu)成)、制動器及機(jī)體三部分

構(gòu)成。

工質(zhì)在透平膨脹機(jī)的通流部分中膨脹獲得動能，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)能與溫度。

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；通過噴嘴膨脹，降低了壓力與溫度后進(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驅(qū)動一臺壓縮機(jī)或者一臺發(fā)電機(jī)。以使

透平膨脹機(jī)有一個穩(wěn)固的運行條件。

2、基本方程

(1)狀態(tài)方程

相對來說，在空分設(shè)備用透平膨脹機(jī)的計算中，利用壓縮性系數(shù)Z來對理想狀態(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-絕對壓力，Pa；

v一氣體比體積，m3/kg；

R-氣體常數(shù)，J/(kg?K)；

T-氣體溫度，Ko

壓縮性系數(shù)可由Z-p圖表中查得。

⑵連續(xù)性方程

在透平膨脹機(jī)流道中，通常流淌過程可簡化為一元穩(wěn)固流淌時，假如在流體流經(jīng)的任意兩截面間

即沒有流體加入，也沒有流體排出，則在該管道內(nèi)的每一個與流速方向垂直的橫截面上單位時間內(nèi)流

過的流體質(zhì)量始終不變。

m—P\c\f\~P2c2fl

式中：加一質(zhì)量流量(膨脹氣量)，kg/s；

「一氣體密度，kg/m3；

G、Q一氣體在兩個狀態(tài)下的速度，m/s；

/一垂直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，流道截面積與氣體速度成反比關(guān)系。

⑶動量方程「r

n

年透平膨脹機(jī)的固聲流道（如［隼，%器）中，關(guān)于一元穩(wěn)固流淌，下面方程得到廣泛的應(yīng)用。

2（c2-ci"）=k-\ZRT1L-

上式適用于有摩擦的不可逆的絕熱流淌過程。

（4）能量守恒方程

根據(jù)能量守恒定律，當(dāng)工質(zhì)在絕熱過程中，與外界既無熱量交換，又無動能傳遞，則膨脹過程從

始到終的段位質(zhì)量能唐是不變的,BP：

A,+—=+—=

2*,22常數(shù)

ClC2

式中：2、2一工質(zhì)在兩個狀態(tài)下的動能，j/kg

2.2.3透平膨脹機(jī)的缺失、產(chǎn)冷量及效率

透平膨脹機(jī)的缺失基本上分為兩大類：內(nèi)部缺失與外部缺失。內(nèi)部缺失影響膨脹機(jī)的等牖效率；

外部缺失只對膨脹功的回收與利用率有影響。內(nèi)部缺失又可分為流道缺失與非流道缺失。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與沖擊而引起的缺失等統(tǒng)稱之流道缺失。而工作輪

與靜止件之間的氣體摩擦、氣體內(nèi)泄漏等缺失稱之非流道缺失。綜合起來，影響透平膨脹機(jī)等端效率

的要緊缺失有5種。

1、噴嘴缺失

膨脹氣體流經(jīng)噴嘴時，會產(chǎn)生流道表面的阻力、局部渦流與氣流沖擊等缺失。它與氣體流淌速度、

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、工作輪缺失

氣體在葉輪番道中的流淌缺失。當(dāng)氣體流經(jīng)葉輪番道時，由于葉片型線、表面粗糙度等因素

引起的摩擦缺失，氣體流淌時的渦流與沖擊缺失等。

3、余速缺失

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)壓器來進(jìn)一步降

低介質(zhì)的速度（壓力與溫度升高），使其達(dá)到同意值。實際上，氣體在擴(kuò)壓器中的流淌是一種壓縮過程,

需要消耗部分能量。對透平膨脹機(jī)來說，同樣減少了有效能量。這兩部分能量的缺失稱余速缺失。

4、輪背摩擦鼓風(fēng)缺失

輪背摩擦鼓風(fēng)缺失是有葉輪輪背、輪蓋與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，以與輪背、輪蓋相同的圓周速度運動，而緊靠殼體的那部分氣體則

與殼體一樣，是靜止不動的，在這個間隙中形成了一個速度梯度。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，通過葉輪把熱量傳給氣體，提高了工

作氣體出工作輪時的比焰值，因而降低了制冷量。

5、泄漏缺失

泄漏缺失包含內(nèi)漏缺失與外漏缺失兩種。

對閉式葉輪，在輪蓋處使用迷宮密封，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焰氣體在葉輪出口處匯合，從而使葉輪出口處氣體的比熔升高,

降低了膨脹機(jī)的制冷量，這種缺失稱之內(nèi)泄漏缺失。

在半開式工作輪中，由于沒有輪蓋，無法設(shè)置密封器，這時希望盡量減少葉片與固定件的間隙。

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，這種缺失稱之外泄漏缺失。

它不可能影響膨脹后氣體的比焰，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)中一些要緊參數(shù)之間的相互關(guān)系用曲線形式表示出來，稱之透平膨脹機(jī)的性能曲線。

2、制動器形式

每臺膨脹機(jī)都配制動器。制動器作用是消耗透平膨脹機(jī)的功，操縱其轉(zhuǎn)速，維持膨脹機(jī)在最高效

率點運行，同時也防止透平膨脹機(jī)“飛車”。

(1)風(fēng)機(jī)制動

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)點是設(shè)備簡單，機(jī)組緊湊，造

價低，保護(hù)操作方便。缺點是不能回收功，而且噪聲大。

(2)電機(jī)制動

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)點是回收電能，制動無

噪音。缺點是設(shè)備成本局。

⑶增壓機(jī)制動

增壓機(jī)的葉輪裝在膨脹機(jī)的同軸的另一側(cè)，氣體對工作輪做功使之轉(zhuǎn)動，增壓器的葉輪也同速轉(zhuǎn)

動，將氣體增壓后再送入膨脹機(jī)的工作輪。優(yōu)點是增加單位制冷量。

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)，稱之“質(zhì)”的調(diào)節(jié)；改變氣體流量的調(diào)節(jié)稱之

“量”的調(diào)節(jié)。在調(diào)節(jié)過程中，有的時候質(zhì)與量同時發(fā)生改變，不易區(qū)分。

⑴進(jìn)口節(jié)流調(diào)節(jié)

在膨脹機(jī)的進(jìn)口管道上裝有氣動薄膜調(diào)節(jié)閥，通過改變調(diào)節(jié)閥的開度，改變膨脹機(jī)前的氣流壓力，

從而膨脹機(jī)的焰降及等嫡效率發(fā)生變化，以實現(xiàn)調(diào)節(jié)冷量的目的。是質(zhì)與量同時改變的一種調(diào)節(jié)方法。

⑵轉(zhuǎn)動噴嘴葉片角的流量調(diào)節(jié)

利用轉(zhuǎn)動噴嘴葉片，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，仍然保持機(jī)器較高的等燧效率。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，同時能夠靈活地掌握改變?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、制動器、潤滑系統(tǒng)、氣封系統(tǒng)、自動保護(hù)系統(tǒng)構(gòu)成。

1、透平膨脹機(jī)本體

我單位6000、6500、20000m3/h制氧機(jī)，基本上都是臥置、單級、向心、徑一軸流反動式膨脹機(jī)。

透平膨脹機(jī)要緊由膨脹機(jī)蝸殼、噴嘴環(huán)、轉(zhuǎn)子、出口擴(kuò)壓器、軸承箱、密封系統(tǒng)與制動系統(tǒng)等構(gòu)

成。

⑴轉(zhuǎn)子

是透平膨脹機(jī)中轉(zhuǎn)動部分的部件總成，要緊由主軸、葉輪等構(gòu)成。主軸的一端裝有膨脹機(jī)工作輪,

另一端裝有增壓機(jī)葉輪或者風(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，產(chǎn)生共振。共振

時的轉(zhuǎn)速稱之臨界轉(zhuǎn)速。當(dāng)正常工作時工作輪的轉(zhuǎn)速低于一階臨界轉(zhuǎn)速軸稱之剛性軸，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)速軸稱之柔性軸。典型的結(jié)構(gòu)如下圖2-3：

⑵軸承

在透平膨脹機(jī)中，通常使用滑動軸承。

軸承與轉(zhuǎn)軸之間的徑向間隙要適當(dāng)，過大使軸承旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生震動，潤滑油膜分布不均勻，間隙過小,

會導(dǎo)致軸溫超過同意值。

⑶密封

密封通常分為內(nèi)密封與軸密封。內(nèi)密封為設(shè)在透平膨脹機(jī)內(nèi)部的防止或者減少介質(zhì)在流淌過程中

產(chǎn)生內(nèi)泄漏的密封。在工作輪背面，低溫氣體會沿軸間向外泄漏，減少了透平膨脹機(jī)的制冷量；另外,

由于冷量的泄漏還會導(dǎo)致軸承潤滑油的固化，造成事故，因此需要設(shè)置可靠的軸密封。

(4)噴嘴環(huán)

噴嘴環(huán)各流道是膨脹機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的要緊部件。關(guān)于反動式透平膨脹機(jī)，約有50%的比焰

降在噴嘴內(nèi)完成。

2、潤滑系統(tǒng)

透平膨脹機(jī)的軸承使用強(qiáng)制供油(如上圖)。潤滑系統(tǒng)包含油箱、齒輪油泵、油過濾器、油壓容

器等。油過濾器使用微孔紙質(zhì)濾芯。油壓容器的作用是貯存一定壓力的潤滑油，一旦發(fā)生油泵停轉(zhuǎn)時

能夠供油3?5分鐘，以此保護(hù)膨脹機(jī)。潤滑油牌號通常為TSA-32號汽輪機(jī)油。

潤滑油循環(huán)使用，在軸承處除起潤滑作用外，還能夠冷卻軸承，將高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的熱量帶走，

因此潤滑油需要冷卻，確保軸溫低于65℃。

3、密封系統(tǒng)

膨脹機(jī)密封氣系統(tǒng)使用精密減壓閥，根據(jù)間隙壓力對密封氣進(jìn)氣壓力進(jìn)行自動跟蹤。

4、自動(聯(lián)鎖)保護(hù)系統(tǒng)

為保證膨脹機(jī)安全運轉(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)組運行時.，假如被監(jiān)測參數(shù)發(fā)

生變化達(dá)到聯(lián)鎖值，在DCS的操縱下，相應(yīng)的保護(hù)系統(tǒng)就會動作。

(1)防喘振系統(tǒng)

本系統(tǒng)要緊由流量監(jiān)測儀表、轉(zhuǎn)速監(jiān)測、繼電器、電磁閥、氣動薄膜調(diào)節(jié)閥構(gòu)成。動作過程：當(dāng)

流量過低或者轉(zhuǎn)速過高達(dá)到聯(lián)釗被操縱的電磁閥就會失電，切斷氣源，增壓機(jī)回流閥打開，降

低膨脹機(jī)前壓力，如今膨脹機(jī)做功就會減少，相應(yīng)的膨脹機(jī)的轉(zhuǎn)速也會降低，從而達(dá)到保護(hù)膨脹機(jī)的

目的。

⑵油壓保護(hù)系統(tǒng)

本系統(tǒng)由油壓監(jiān)測儀表、齒輪油泵、繼電器、電控部分等構(gòu)成。正常時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，輔助油泵就會自動啟動，保證了膨脹機(jī)供油的穩(wěn)

固。

⑶軸封防漏系統(tǒng)

本系統(tǒng)由密封氣壓力監(jiān)測儀表、繼電器、接觸器、齒輪油泵等構(gòu)成。正常情況下，密封氣通過迷

宮密封，保證了增壓機(jī)的潤滑油不可能泄漏進(jìn)入氣路，同時也防止了膨脹端冷量沿軸串漏。假如密封

氣壓力下降達(dá)到聯(lián)鎖值時，油泵立即停止運轉(zhuǎn)，有效的防止了潤滑油進(jìn)入氣路。

(4)自動停車系統(tǒng)

當(dāng)監(jiān)測參數(shù)(油壓、軸溫、轉(zhuǎn)速)發(fā)生變化達(dá)到聯(lián)鎖停車值時，膨脹機(jī)的入口電磁閥、增壓機(jī)回

流電磁閥會失電，在3秒內(nèi)，所控氣動薄膜調(diào)節(jié)閥會在彈簧的作用下自動回到初始位置，即回流閥全

開，進(jìn)口閥全關(guān)。從而切斷氣路，停止膨脹機(jī)的運轉(zhuǎn)O

通常增壓機(jī)制動透平膨脹機(jī)組的操縱聯(lián)鎖要求

項目報警連鎖說明

供油壓力低△設(shè)定啟動條件

供油壓力過低△△

間隙與出口間差壓高△△

軸承溫度高△

軸承溫度過高△△

膨脹機(jī)密封氣壓力低△設(shè)定油泵啟動條件

增壓機(jī)密封氣壓力低設(shè)定油泵啟動條件

轉(zhuǎn)速高△

轉(zhuǎn)速過高△△

增壓機(jī)出口壓力操縱自動調(diào)節(jié)

增壓機(jī)出口壓力高△自動全開回流閥

油箱油溫操縱W—五C加溫，2250c加溫終設(shè)定啟動條件

油泵失電△

膨脹機(jī)密封氣與間隙差壓自動維持

回流閥位全開為啟動條件

軸振動大△

軸振動過大△

⑸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，而且超過安全閥的

整定值時，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，安全閥自動關(guān)閉。

加溫注意事項：確保密封氣暢通，潤滑油壓力正常；先打開緊急切斷閥與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)出口閥門務(wù)必關(guān)嚴(yán)，使得加溫后的膨脹機(jī)在長期停車期間

避免冷氣體進(jìn)入潤滑油腔，使軸承過冷損壞。

(3)空氣的凈化

空氣是多組分的混合氣體，除氧、氮及稀有氣體組格外，還含有水蒸氣、二氧化碳、乙?快及其它

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帶來較大

的危害。固體雜質(zhì)會磨損空壓機(jī)的運轉(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

蒸氣與二氧化碳在加工空氣冷卻的過程中會首先凍結(jié)析出，將堵塞設(shè)備及氣體通道，致使空分裝置無

法生產(chǎn)。更嚴(yán)重的是，乙煥及其它碳?xì)浠衔镌诳辗盅b置中聚積導(dǎo)致爆炸事故的發(fā)生，因此為了保證

制氧機(jī)的安全運行，務(wù)必設(shè)置專門的凈化設(shè)備。

空氣凈化要緊指清除空氣中的機(jī)械雜質(zhì)、水分與二氧化碳?凈化要緊使用過濾法、凍結(jié)法、吸附

法等幾種方法。過濾法是利用過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過濾除塵原理及性能指標(biāo)

過濾作用關(guān)于大的塵粒用其重力或者慣性力、離心力使之沉降。相應(yīng)有慣性除塵器與離心除塵器。

空分裝置加工空氣污染中的塵粒是微小的，通常小于10pm,因此空氣污染過濾器多使用擴(kuò)散粘

附的原理，相應(yīng)的過濾器有表面式或者內(nèi)部過濾式過濾器，表面過濾的濾料為布、網(wǎng)等織物或者過濾

紙。

過濾器的性能指標(biāo)要緊是除塵效率、阻力及過濾器的容塵量。

除塵效率的定義是過濾器所捕集的塵量占?xì)怏w帶入過濾器總塵量的百分比。

阻力也就是氣體通過過濾器的壓降。通常規(guī)定，當(dāng)過濾器的阻力增加到初始時的L5倍或者效率

下降到初始效率的85%,就需要更換濾料。

3.1.2空氣過濾器

根據(jù)除塵原理，空氣污染過濾器可分為干式或者濕式兩種。干式過濾器屬于表面式過濾器，靠織

物網(wǎng)眼阻擋塵粒；濕式過濾器靠油膜粘附灰塵。

1、袋式過濾器

袋式過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，過濾風(fēng)速約為0.04?

0.lm/so空氣從頂部進(jìn)入，經(jīng)分配器后流入袋內(nèi)，經(jīng)濾袋過濾后由下部流出。積聚在袋上的灰塵靠反

吹風(fēng)機(jī)吹落。當(dāng)灰塵在濾袋上積存到使壓差達(dá)到1200Pa時，反吹羅茨風(fēng)機(jī)及反吹環(huán)自動啟動，反吹空

氣通過膠皮軟管進(jìn)入過濾器內(nèi)的反吹裝置，反吹環(huán)由0.4kw的電機(jī)帶動，并設(shè)有限位開關(guān)，能上下來

回移動，反吹空氣通過分配管至反吹環(huán)局部反吹濾袋，不需停止或者切換過濾器就使整個濾袋均能被

反吹干凈。當(dāng)壓差降至800Pa時，反吹風(fēng)機(jī)及反吹環(huán)就自動停止。被反吹下來的灰塵落入底部灰斗，

定時由星形閥排出。這種過濾器的過濾效率很高，對粒度大于2um的灰塵，效率在98%以上。同時過

濾后的空氣中不含油分，操作方便。此外，對空氣灰塵含量不受限制，習(xí)慣性好，對不一致容量的空

分裝置可用改變?yōu)V袋的數(shù)目來習(xí)慣，比較方便。其缺點是過濾速度較高，阻力較大，高達(dá)1200Pa；對

濕度太大的地區(qū)或者季節(jié)，濾袋易被堵塞。

2、自潔式過濾器

自潔式過濾器是目前空分設(shè)備最普遍選用的過濾器。

自潔式過濾器由高效過濾筒、文氏管、自潔專用噴頭、反吹系統(tǒng)、操縱系統(tǒng)、凈氣室與出風(fēng)口、

框架等構(gòu)成。

(1)過濾過程：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)空氣穿過高效濾筒時，粉塵

由于重力、靜電與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)自潔過程：當(dāng)電腦發(fā)出指令，電磁閥啟動并驅(qū)動隔膜閥，瞬間釋放一股壓力為0.4?0.6MPa

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，自潔過程完成。

(3)清灰過程有3種方式：定時定位，可任意設(shè)定間隔時間與自潔時間；差壓自潔，當(dāng)壓差超指

標(biāo)時，進(jìn)入自動連續(xù)自潔；手動自潔，當(dāng)電控箱不工作或者粉塵較多時，可使用手動自潔。

反吹自潔過程是間斷的，每次僅1?2組處于自潔狀態(tài)，其余仍在工作，因此具有在線自潔功能。

自潔式過濾器核心部件過濾筒，使用進(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

過濾網(wǎng)，防止柳絮、樹葉及異物吸入，延長過濾筒使用壽命。

使用電腦操縱機(jī)電一體化，安裝簡單便利，只需配管通電、通氣即可工作。

（4）自潔式過濾器具有下列優(yōu)點：

①過濾阻力小，小型機(jī)一五OPa,大型機(jī)300?800Pa。

②過濾效率比通常過濾器提高5%?10%。

③習(xí)慣性廣，使用進(jìn)口高效防水過濾紙，在潮濕多霧地區(qū)不受太大影響。

@耗氣少，反吹時壓縮空氣需求量僅為0.1?0.5m3/min,電容量約為100?500隊

⑤占地面積小，產(chǎn)品為積木式結(jié)構(gòu)，大型機(jī)可使用多層疊放。

⑥結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)備輕，為同容量的布袋式過濾器及其它過濾器的1/2左右。

⑦防腐性能好，凈氣室使用優(yōu)質(zhì)涂層及不銹鋼內(nèi)襯，杜絕過濾后的二次污染。外表面使用高級

防腐船用漆，保證室外環(huán)境下長期不受腐蝕。

⑧日常保護(hù)工作量小，約二年左右更換過濾筒，更換過濾筒不需停機(jī)。

3.2自清除

在全低壓切換式換熱器的流程中，切換式換熱器在換熱的同時凍結(jié)清除空氣中的水分及二氧化碳,

這稱之為自清除。

其基本原理是當(dāng)空氣通過切換式換熱器時空氣從常溫冷卻到T72℃,空氣中的水分與二氧化碳基

本上全部凍結(jié)在換熱器的通道內(nèi)。經(jīng)一定時間間隔，自動切換并讓低壓的干燥返流氮氣通過該通道，

使這段凍結(jié)在通道內(nèi)的水分與二氧化碳在該氣流中蒸發(fā)、升華而被帶走，保證通道暢通，再次自動切

換，空氣再次通過，水分與二氧化碳又被凍結(jié)在通道內(nèi)，為此，自清除是水分、二氧化碳凍結(jié)與蒸發(fā)

升華交替進(jìn)行的過程。為深刻懂得自清除原理，首先要熟悉空氣中水分與二氧化碳的析出及蒸發(fā)、升

華規(guī)律。

3.2.1飽與與未飽與

空氣中水蒸氣的含量隨著時間、地點與環(huán)境條件的不一致會發(fā)生變化。在一定的條件下，水蒸氣

的含量有一定的限度，這個限度就是最大水分含量。通常把水蒸氣含量已達(dá)到最大值的空氣叫“飽與

空氣”，把水蒸氣含量尚低于最大值的空氣叫“未飽與空氣”?？諝庵械淖畲笏趾浚ɑ蛘呓酗柵c水

分含量）與溫度有關(guān)，隨著氣溫的升高最大水分含量增加，溫度降低，最大水分含量減小。比如空氣

溫度在20℃時最大水分含量為17.3g/m3空氣，在30℃時則為30.3g/m3空氣。當(dāng)大氣中水蒸氣含量超

過飽與水分含量時，就會有水分凝聚出來，這時隨著環(huán)境條件的不一致，凝聚水分就表現(xiàn)出不一致的

形式，也就是自然界所看到的云、霧、雨、霜、冰雹等。

在一定溫度下空氣的最大含水量所對應(yīng)的水蒸氣分壓力，稱作飽與蒸氣壓，水蒸氣分壓力所對應(yīng)

的飽與溫度為“露點”。每m3空氣中的水蒸氣含量可叫做絕對濕度。絕對濕度只表示空氣中所含水分

量的多少，但不足以說明空氣是否還有繼續(xù)汲取水分的能力，因此，常用相對濕度來表示空氣中水蒸

氣的相對含量，即空氣的潮濕程度。相對濕度指每m3空氣中的含水量與相同溫度下飽與含水量之比。

由于每m3空氣中飽與水分含量僅與溫度有關(guān)，因此當(dāng)壓力提高而溫度不變時，每m3空氣中飽與

水分含量不變，但壓力越高，空氣的重度越大，即每m3空氣質(zhì)量越大。因此，對每kg空氣來說隨著

壓力的提高，每kg空氣中水分含量減少。

關(guān)于未飽與空氣，空氣中的水蒸氣尚處于過熱狀態(tài)，在一定溫度下提高壓力，則水蒸氣分壓力達(dá)

到飽與蒸氣壓力時，就變成飽與空氣。

3.2.2空氣中二氧化碳的飽與

空氣中通常含有0.03%?0.05%（300?500X10-6）的二氧化碳，遠(yuǎn)未達(dá)到飽與狀態(tài)，與含水量相

似，在一定的溫度下，空氣中的二氧化碳含量也有一最大值即飽與含量，并對應(yīng)有飽與蒸氣壓。假如

空氣中二氧化碳的分壓力等于飽與蒸氣壓，就會有二氧化碳析出。

二氧化碳三相點溫度為-56.6℃?？諝膺M(jìn)入切換式換熱器后，隨溫度的降低空氣中水蒸氣析出，（直

至-60℃）。能夠認(rèn)為，空氣中已不含水分?？諝庠?60℃至-一三0℃的范圍內(nèi)基本是干燥區(qū)，從-一三

0℃下列，C02開始析出至-170℃左右空氣中已基本上不含CO2,因此空氣在出切換式換熱器時，不但

溫度已降到接近液化溫度，而且水分及C02的含量也已極少，即凈化了水分及C02。

3.3吸附法

吸附法能夠用來清除水分、二氧化碳、乙煥及其它碳?xì)浠衔铩Ｐ⌒椭蒲鯔C(jī)曾用硅膠干燥器清除

水分。大型制氧機(jī)曾設(shè)置加溫解凍系統(tǒng)干燥器及啟動干燥器，這是吸附法除水的應(yīng)用?？辗盅b置的液

空吸附器、液氧吸附器，都是吸附法的應(yīng)用。分子篩純化器則是應(yīng)用吸附法同時凈除水分、二氧化碳、

乙煥及其它碳?xì)浠衔?。盡管水分、二氧化碳、乙烘性質(zhì)各異，吸附劑對它們吸附性能不一致，但吸

附機(jī)理相類似。

3.3.1吸附

某種物質(zhì)的分子在一種多孔固體表面濃聚的現(xiàn)象稱之為吸附。被吸附的物質(zhì)叫“吸附質(zhì)”，而具有

多孔的固體表面的吸附物質(zhì)稱作“吸附劑”。根據(jù)吸附質(zhì)與吸附劑之間的吸附力的不一致，吸附又可分

為物理吸附與化學(xué)吸附。物理吸附的吸附力為分子力也稱之范德華吸附；而化學(xué)吸附則是由化學(xué)鍵的

作用而引起的。凈化空氣所使用的吸附法純屬物理吸附。

關(guān)于吸附劑而言，固體表面上有未飽與的表面力，為使表面力作用加強(qiáng)，活性顯著，吸附劑應(yīng)該

是顆粒狀的多孔物質(zhì)。吸附使表面力飽與，表面能降低，因而