CN103092163A - 一种大型低温空分装置运行能耗的评价方法 - Google Patents

Abstract

一种大型空分装置运行能耗的评价方法，先统计空分装置各耗能部件的功耗，确定输入空分系统的

值大小，然后统计空分产品物性参数，基于

值分析，对空分产品的

值进行计算，确定不同产品种类、温度、压力、纯度参数对产品生产代价的影响，并按生产装置实际生产能力统计产品产量，再计算得到系统

值效率η_Ex，然后求取空分系统能耗指标N_O2，最后根据计算所得能耗指标N_O2，确定该装置运行能耗在同类装置中的水平，本发明不再局限于产品种类和状态的影响，不仅适用于采用外压缩流程的低温空分装置，也适用于采用内压缩流程的低温空分装置，其评价结果不再受流程种类的制约，对低温空分装置运行能耗评价具有普遍适用性。

Description

一种大型低温空分装置运行能耗的评价方法

技术领域

本发明属于空气分离工程应用技术领域，具体涉及一种大型低温空分装置运行能耗的评价方法。

技术背景

大型低温空分装置是用低温精馏法将原料空气中的各组份气体分离，生产氧气、氮气、氩气等气体产品的一套工业设备，广泛应用于石油化工、冶金及低温气体液化分离等行业。由于传统空分装置采用电能拖带，产品以氧气为主，实际中常用生产1Nm³(单位标准体积)氧气所耗费的电能这一指标，来评价大型低温空分装置的运行能耗，生产1Nm³氧气所耗费的电能越小，则该装置运行能耗越低。

由于空分技术的进步及用户要求的变化，空分装置由传统只生产单一氧气产品逐渐转向生产不同状态等级、压力等级、纯度等级的各类产品，空分流程组织也相应趋于复杂，出现了单泵内压缩流程、双泵内压缩流程等新型流程。相比于传统的外压缩流程，新型流程组织更加复杂，液体产品量更大，并开始出现不同压力等级产品。

传统的大型低温空分装置单位能耗评价方法只适用于外压缩流程，只统计氧气产品及粗糙折算后的液体产品，不统计带压产品及其他种类的气体产品，计算所得结果不足以全面反映新型低温空分装置的能耗运行状况。目前，行业内尚无人提出针对新型大型低温空分装置运行能耗的评价方法。

因而，提出一个科学准确的运行能耗评价方法对评价新型低温空分装置的能耗运行状况及空分装置的节能改进至关重要，具有重要的现实意义。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种大型低温空分装置运行能耗的评价方法，以基于值的通用标准来评价空分装置的能耗投入、产品的生产代价及空分装置的运行能耗，不再局限于产品种类和状态的影响，不仅适用于采用外压缩流程的传统低温空分装置，也适用于采用内压缩流程的新型低温空分装置，其评价结果不再受流程种类的制约，对低温空分装置运行能耗评价具有普遍适用性。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种大型空分装置运行能耗的评价方法，包括以下步骤：

步骤1，统计空分装置各耗能部件的功耗，确定输入空分系统的值大小，

步骤2，统计空分产品物性参数，基于

值分析，对空分产品的

值进行计算，确定不同产品种类、温度、压力、纯度参数对产品生产代价的影响，并按生产装置实际生产能力统计产品产量，

通过物理

值计算确定产品温度、压力参数对产品生产代价的影响，具体步骤如下：

步骤2-1，采用物性查询软件NIST-REFPROP获得不同产品在规定基准状态下的单位焓值h₀及单位熵值s₀，单位分别为kJ/kmol及kJ/kmol-K，基准状态即温度298.15K，绝对压力101.325kPa，

步骤2-2，采用物性查询软件NIST-REFPROP获得不同产品在规定出口温度、压力状态下的单位焓值h及单位熵值s，单位分别为kJ/kmol及kJ/kmol-K，

步骤2-3，按照物理

值公式ex_ph h-h₀-T₀(s-s₀)确定产品单位物理

值ex_ph，单位kJ/kmol，其中T₀为基准态温度，即298.15K，

步骤2-4，按照公式 ${\mathrm{Ex}}_{\mathrm{ph}}={\mathrm{ex}}_{\mathrm{ph}}\×\frac{Q_m}{22.4\×3600}$ 确定产品总物理

值Ex_ph，单位kW，其中Q_m为产品标况体积流量，单位Nm³/h，

通过扩散

值确定产品种类、纯度参数对产品生产代价的影响，具体步骤如下：

步骤2-5，以氧-氮-氩三元理想空气为基准状态物质，规定空气中氧、氮、氩三者的mol含量分别为0.78118、0.20950、0.00932，任一纯组份i的单位摩尔扩散

其中x_io为基准状态物质中组份i的摩尔分数，R为通用气体常数，即8.3145J/mol-K，

步骤2-6，按照扩散值公式 ${\mathrm{ex}}_c=\mathrm{\Σ}{x}_i.{\mathrm{ex}}_{c,i}^0+R{T}_0\mathrm{\Σ}{x}_i\ln x_i$ 确定产品单位扩散

值ex_c，单位kJ/kmol，其中x_i为产品混合物中组份i的摩尔分数；

步骤2-7，按照公式 ${\mathrm{Ex}}_c={\mathrm{ex}}_c\×\frac{Q_m}{22.4\×3600}$ 确定产品总扩散

值Ex_c，单位kW，Q_m为产品标况体积流量，单位Nm³/h，

步骤2-8，通过公式Ex Ex_ph+Ex_c计算各产品的总

值Ex，确定输出空分系统的产品总

值大小；

步骤3，通过公式

计算得到系统

值效率η_Ex，其中∑Ex_in为单位时间进入空分系统总

值，∑Ex_out为单位时间产品带出系统的总值；

步骤4，由公式

求取空分系统能耗指标N_O2，其中A_O2为标氧转换系数，单位Nm³O₂/kW·h，由如下公式确定标氧转换系数A_O2：

$A_{O_2}=\frac{22.4\×3600\×x_{O_2}}{x_{O_2}\×{\mathrm{ex}}_{\mathrm{std},O2}+{\mathrm{ex}}_{c,N_2}\×\frac{x_{O_2}\mathrm{\Σ}{V}_{{\mathrm{\ΣN}}_2}}{{\mathrm{\ΣV}}_{{\mathrm{\ΣO}}_2}}+{\mathrm{ex}}_{c,\mathrm{WN}}\×(x_{N_2}-\frac{x_{O_2}\mathrm{\Σ}{V}_{{\mathrm{\ΣN}}_2}}{{\mathrm{\ΣV}}_{{\mathrm{\ΣO}}_2}})}$

式中：

ex_std，O2——标氧单位

值，kJ/kmol；

ex_c，N2——氮产品单位扩散

值，kJ/kmol；

ex_c，WN——污氮气单位扩散

值，kJ/kmol；

x_O2——空气中氧的摩尔含量；

x_N2——空气中氮的摩尔含量；

∑V_ΣN2——空分装置氮类产品总产量，Nm³/h；

∑V_ΣO2——空分装置氧类产品总产量，Nm³/h，

上式中标准氧气产品规定为氧摩尔分数99.6％，温度298.15K，绝对压力101.325kPa状态下的氧氩混合物；污氮气规定为氮摩尔分数97.5％，温度298.15K，绝对压力101.325kPa状态下的氮氧混合物；氮产品规定为氮摩尔分数99.9995％，温度298.15K，绝对压力101.325kPa状态下的氮氧混合物；

步骤5，根据计算所得能耗指标N_O2，具体参照表1所列出的数据，确定该装置运行能耗在同类装置中的水平：

表1空分装置运行能耗参照

对应外压缩流程装置能耗按考虑带压产品情况计算，

如计算所得装置单位制氧电耗值在表1所示区间范围内，则该套装置运行能耗处于国内同类装置中的平均水平；

如计算所得装置单位制氧电耗值小于表1所示区间范围，则该套装置运行能耗处于国内同类装置中的先进水平；

如计算所得装置单位制氧电耗值大于表1所示区间范围，则该套装置运行能耗处于国内同类装置中的落后水平。

本发明的优点是：形成了较为明确的针对新型大型低温空分装置的运行能耗评价方法，通过

值分析法将空分装置的能耗投入、产品的生产代价及空分装置的运行能耗进行统一评判，可无视产品种类状态及流程差异，适用范围广。本发明为新型大型低温空分装置与传统装置的运行能耗比较提供了评价思路和有效的计算方法，为各类大型低温空分装置的节能改进指明了方向。

具体实施方式

下面结合实例对本发明做详细描述。

选取开封空分KDON-15000/40000内压缩空分装置作为计算对象，包括以下步骤：

步骤1，统计空分装置各耗能部件的功耗，确定输入空分系统的

值大小，计算结果如表2所示，

表2空分系统输入产品

值统计

步骤2，统计空分产品物性参数，统计结果如表3所示，基于

值分析，对空分产品的

值进行计算，确定不同产品种类、温度、压力、纯度参数对产品生产代价的影响，确定输出空分系统的产品总

值大小，计算结果如表4所示，

表3空分产品物性参数统计

表4空分系统输出产品

值统计

步骤3，通过公式

计算得到系统

效率η_Ex，计算得到系统

效率 ${\mathrm{\η}}_{\mathrm{Ex}}=\frac{3614.78}{11117}=0.325;$

步骤4，计算标氧转换系数A_O2

${\mathrm{\ΣV}}_{{\mathrm{\ΣO}}_2}=200+1500+15000=16700N{m}^3/h$

${\mathrm{\ΣV}}_{{\mathrm{\ΣN}}_2}=400+39915=40315N{m}^3/h$

$A_{O_2}=\frac{22.4\×3600\×0.2095}{0.2095\×3840.92+612.9\×\frac{0.2095\×40315}{16700}+403.94\×(0.78118-\frac{0.2095\×40315}{16700})}$

$=13.781N{m}^3{O}_2/\mathrm{kW}\·h$

由公式

求取空分系统能耗指标N_O2：

$N_{O_2}=\frac{1}{0.325\×13.781}=0.2232\mathrm{kW}\·h/N{m}^3{O}_2$

步骤5对照表1，计算所得单位制氧电耗值在表1所示区间范围内，该套设备运行能耗处于全国平均水平。

如果不计产品压力功，统计产品

值求和后作为分子；以统计所得各装置能耗之和作为分母，两者相除得到设备系统的

效率η_Ex：

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{Ex}}=\frac{1201.99+103.81+157.5+367.17}{11117}=0.165$

计算空分系统单位能耗指标N_O2：

$N_{O_2}=\frac{1}{0.165\×13.781}=0.4398\mathrm{kW}\·h/N{m}^3{O}_2$

由于不考虑压力产品后系统

效率降低，故计算所得的单位能耗指标较变大。

如按传统单位能耗计算方法，不计压力产品，液体产品按系数“3”折算为标准氧气产品，计算空分系统单位能耗指标N_O2：

$N_{O_2}=\frac{11117}{15000+200+3\×(400+680+1500)}=0.4846\mathrm{kW}\·h/N{m}^3{O}_2$

本发明能有效地针对的大型空分装置进行单位能耗计算，所得结果能够反映系统

效率的变化规律。如果不考虑产品压力的影响，该方法与传统能耗计算方法的计算结果基本吻合，同样适用于传统空分装置的单位能耗计算。

Claims (1)

1.一种大型空分装置运行能耗的评价方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，统计空分装置各耗能部件的功耗，确定输入空分系统的

值大小，

步骤2，统计空分产品物性参数，基于值分析，对空分产品的值进行计算，确定不同产品种类、温度、压力、纯度参数对产品生产代价的影响，并按生产装置实际生产能力统计产品产量，

通过物理值计算确定产品温度、压力参数对产品生产代价的影响，具体步骤如下：

步骤2-1，采用物性查询软件NIST-REFPROP获得不同产品在规定基准状态下的单位焓值h₀及单位熵值s₀，单位分别为kJ/kmol及kJ/kmol-K，基准状态即温度298.15K，绝对压力101.325kPa，

步骤2-2，采用物性查询软件NIST-REFPROP获得不同产品在规定出口温度、压力状态下的单位焓值h及单位熵值s，单位分别为kJ/kmol及kJ/kmol-K，

步骤2-3，按照物理

值公式ex_ph h-h₀-T₀(s-s₀)确定产品单位物理

值ex_ph，单位kJ/kmol，其中T₀为基准态温度，即298.15K，

步骤2-4，按照公式 ${\mathrm{Ex}}_{\mathrm{ph}}\text{=}{\mathrm{ex}}_{\mathrm{ph}}\×\frac{Q_m}{22.4\×3600}$ 确定产品总物理

值Ex_ph，单位kW，其中Q_m为产品标况体积流量，单位Nm³/h，

通过扩散

值确定产品种类、纯度参数对产品生产代价的影响，具体步骤如下：

步骤2-5，以氧-氮-氩三元理想空气为基准状态物质，规定空气中氧、氮、氩三者的mol含量分别为0.78118、0.20950、0.00932，任一纯组份i的单位摩尔扩散

其中x_io为基准状态物质中组份i的摩尔分数，R为通用气体常数，即8.3145J/mol-K，

步骤2-6，按照扩散

值公式 ${\mathrm{ex}}_c=\mathrm{\Σ}{x}_i.{\mathrm{ex}}_{c,i}^0+R{T}_0\mathrm{\Σ}{x}_i\ln x_i$ 确定产品单位扩散

值ex_c，单位kJ/kmol，其中x_i为产品混合物中组份i的摩尔分数；

步骤2-7，按照公式 ${\mathrm{Ex}}_c={\mathrm{ex}}_c\×\frac{Q_m}{22.4\×3600}$ 确定产品总扩散值Ex_c，单位kW，Q_m为产品标况体积流量，单位Nm³/h，

步骤2-8，通过公式Ex Ex_ph+Ex_c计算各产品的总

值Ex，确定输出空分系统的产品总

值大小；

步骤3，通过公式

计算得到系统

值效率η_Ex，其中∑Ex_in为单位时间进入空分系统总

值，∑Ex_out为单位时间产品带出系统的总

值；

步骤4，由公式

求取空分系统能耗指标N_O2，其中A_O2为标氧转换系数，单位Nm³O₂/kW·h，由如下公式确定标氧转换系数A_O2：

$A_{O_2}=\frac{22.4\×3600\×x_{O_2}}{x_{O_2}\×{\mathrm{ex}}_{\mathrm{std},O2}+{\mathrm{ex}}_{c,N_2}\×\frac{x_{O_2}\mathrm{\Σ}{V}_{{\mathrm{\ΣN}}_2}}{{\mathrm{\ΣV}}_{{\mathrm{\ΣO}}_2}}+{\mathrm{ex}}_{c,\mathrm{WN}}\×(x_{N_2}-\frac{x_{O_2}\mathrm{\Σ}{V}_{{\mathrm{\ΣN}}_2}}{{\mathrm{\ΣV}}_{{\mathrm{\ΣO}}_2}})}$

式中：

ex_std，O2——标氧单位值，kJ/kmol；

ex_c，N2——氮产品单位扩散

值，kJ/kmol；

ex_c，WN——污氮气单位扩散

值，kJ/kmol；

x_O2——空气中氧的摩尔含量；

x_N2——空气中氮的摩尔含量；

∑V_∑N2——空分装置氮类产品总产量，Nm³/h；

∑V_ΣO2——空分装置氧类产品总产量，Nm³/h，

上式中标准氧气产品规定为氧摩尔分数99.6％，温度298.15K，绝对压力101.325kPa状态下的氧氩混合物；污氮气规定为氮摩尔分数97.5％，温度298.15K，绝对压力101.325kPa状态下的氮氧混合物；氮产品规定为氮摩尔分数99.9995％，温度298.15K，绝对压力101.325kPa状态下的氮氧混合物；

步骤5，根据计算所得能耗指标N_O2，具体参照表1所列出的数据，确定该装置运行能耗在同类装置中的水平：

表1空分装置运行能耗参照

对应外压缩流程装置能耗按考虑带压产品情况计算，

如计算所得装置单位制氧电耗值在表1所示区间范围内，则该套装置运行能耗处于国内同类装置中的平均水平；

如计算所得装置单位制氧电耗值小于表1所示区间范围，则该套装置运行能耗处于国内同类装置中的先进水平；

如计算所得装置单位制氧电耗值大于表1所示区间范围，则该套装置运行能耗处于国内同类装置中的落后水平。