CN103438665A

CN103438665A - 降低空分设备综合电单耗的装置及方法

Info

Publication number: CN103438665A
Application number: CN2013103937168A
Authority: CN
Inventors: 沈新荣; 吴平; 麻剑锋; 郁辉球; 方飞龙
Original assignee: Hangzhou Zheda Technology Co Ltd
Current assignee: Hangzhou Zheda Technology Co Ltd
Priority date: 2013-09-01
Filing date: 2013-09-01
Publication date: 2013-12-11
Anticipated expiration: 2033-09-01
Also published as: CN103438665B

Abstract

本发明涉及深冷分离工艺进行空气分离的设备，旨在提供一种降低空分设备综合电单耗的装置及方法。该方法是利用余热回收装置将从空分设备中各机组回收的压缩热用于制备冷冻水，并通过换热器用冷冻水对各机组的进口介质进行降温除湿；同时，利用控制器对换热器的换热量进行调节，从而实现对各机组进口介质的温度和湿度的控制，保持各机组进口介质在最佳气体状态，实现空分设备综合电单耗降低的目的。通过本发明降低压缩机的进气温度与湿度，根据工程经验，压缩机进气温度少5%，压缩机能耗少5%。同时在压缩机机功率一定的情况下，进气温度少3℃，则压缩的介质气量增加1%。

Description

降低空分设备综合电单耗的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种降低空气分离设备综合电单耗的装置及方法。更具体的说，是针对采用深冷分离工艺进行空气分离的设备。

背景技术

空分设备广泛应用于冶金、石油、化工、电子、玻璃和机械等工业部门，氧气、氮气及稀有气体产品已成为国民经济不可缺少的“动力”产品。随着大石化、大化肥、大煤化工和大冶金工业的不断发展，我国已成为世界上建没空分设备项目最多、空分技术发展最活跃的国家之一，工业气体未来前景广阔。

空分装置是用来把空气中的各组分气体进行分离的装置，主流程为：外部空气通过过滤后，进入原料压缩机进行压缩，压缩空气经预冷系统冷却后，去分子筛除去水分、二氧化碳、碳氢化合物等杂质后，一部分空气送往精馏塔上塔，另一部分进入膨胀机经膨胀制冷后，送入下塔。通过分馏塔，依据各组分沸点不同分离出氧、氮、氩以及其他惰性气体产品。

空分装置是一种高能耗设备，我国每年用于空分设备的能源消耗很大,其中化工行业制氧能耗约占总能耗的10％，大型现代化钢铁企业的空分设备生产电耗约占整个企业电耗的1/7。目前我国空分设备的能源消耗约占空分产品成本的70%-80% 。空分设备的耗能大户是压缩机，占到空分装置能耗的80%左右，主要包括原料空气压缩机、产品压缩机（氧压机、氮压机）、增压机。目前空分装置的压缩存在以下两点问题：（1）由于各种压缩机设计选型取最热天工况、最冷天工况、平均工况三个点，在某些进风温湿度条件下的运行效率很高，而实际年均的系统运行效率并不高；（2）设计参数与实际运行参数的差异，空分装置大马拉小车比较普遍，导致年均的系统运行效率并不高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种降低空分设备综合电单耗的装置及方法。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种降低空分设备综合电单耗的方法，空分设备包括空压机、氧压机、氮压机和增压机，该方法是利用余热回收装置将从空分设备中各机组回收的压缩热用于制备冷冻水，并通过换热器用冷冻水对各机组的进口介质进行降温除湿；同时，利用控制器对换热器的换热量进行调节，从而实现对各机组进口介质的温度和湿度的控制，保持各机组进口介质在最佳气体状态，实现空分设备综合电单耗降低的目的；所述最佳气体状态是指：各机组进口介质气体的温度与空分设备运行当地冬季的气温差值在±2℃以内，相对湿度差值在±5%以内。

本发明中，所述余热回收装置制备冷冻水时，其制冷量Q_c为：

Q_c=COP×(Q_i+A) （1）

该式中，COP为余热回收装置所能实现的制冷量和输入功率的比值，单位：kW/kW；Q_i为余热回收装置从空压机、氧压机、氮压机、增压机中回收的压缩热产生热水的热量，单位：kW；A为余热回收装置消耗的电功率，单位：kW；；

余热回收装置产生冷冻水的流量W_c为：

W_c=3600×Q_c/[C_c×ρ_c(t_c1-t_c2)] （2）

该式中，Q_c为不考虑热损失时，余热回收装置用于产生冷冻水的制冷量，单位：kW；C_c为冷冻水比热，单位：kJ/(kg·K)；ρ_c为热水密度，单位：kg/m3；t_c1为冷冻水进口温度，单位：K；t_c2为冷冻水出口温度，单位：K；

该方法中，根据换热器的热交换效率和析湿系数选择换热器，换热器能满足下列要求：该换热器能达到的热交换效率应该等于空分设备进口气体介质处理过程需要的热交换效率，且该换热器能达到的析湿系数应该等于空分设备进口气体介质处理过程需要的析湿系数；其中，

热交换效率ε₁为：

ε₁=（t₁-t₂）/(t₁- t_c2) （3）

该式中，t₁、t₂为处理前后空分设备进口气体介质的干球温度，单位：K；t_c2为式（2）中的冷冻水出口温度，单位：K；

析湿系数ξ为：

ξ=（i₁-i₂）/[C_p（t₁-t₂）] （4）

该式中，i₁、i₂分别为处理前后空分设备进口气体介质的焓值，单位：kJ/mol；C_p为气体的定压比热容，单位：J/(kg·K)；t₁、t₂为处理前后空分设备进口气体介质的干球温度，单位：K。

本发明进一步提供了用于实现前述方法的降低空分设备综合电单耗的装置，包括空压机、氧压机、氮压机和增压机；还包括能够通过蒸汽压缩方式制备冷冻水的余热回收装置；余热回收装置分别通过管路连接至空压机、氧压机、氮压机和增压机的换热夹套用于回收压缩热；余热回收装置的冷冻水管路与换热器相接，空压机、氧压机、氮压机和增压机的进口介质管路与换热器相接，实现冷冻水与各进口介质的换热；冷冻水管路上设置控制阀，空压机、氧压机、氮压机和增压机的进口处均设有温度传感器和湿度传感器，所述控制阀、温度传感器和湿度传感器分别通过电缆接于控制器。

本发明中，所述换热器有4个，分别设于空压机、氧压机、氮压机和增压机的进口介质管路上；与各换热器相连的冷冻水管路上分别设置控制阀。

本发明中，所述余热回收装置是蒸汽型溴化锂吸收式冷水机组或热水型溴化锂吸收式冷水机组。

本发明中，所述换热器是表面式冷却器。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明通过将空压机、氧压机、氮压机、增压机的压缩热，利用余热回收装置产生冷冻水，通过换热器对各机组介质的进口条件进行降温除湿，同时采用控制器对进口条件的温湿度进行监控，保持进口条件在最佳气体状态。通过本发明降低压缩机的进气温度与湿度，根据工程经验，压缩机进气温度少5%，压缩机能耗少5%。同时在压缩机机功率一定的情况下，进气温度少3℃，则压缩的介质气量增加1%。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

附图标记：1、空压机；2、氧压机；3、氮压机；4、增压机；5、余热回收装置；6、换热器；7、控制器。

具体实施方式

以下将结合具体实施例，对本发明做进一步的详细说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或超越所附权利要求书所定义的范围。

降低空分设备综合电单耗的装置包括空压机1、氧压机2、氮压机3和增压机4；还包括能够通过蒸汽压缩方式制备冷冻水的余热回收装置5；余热回收装置5分别通过管路连接至空压机1、氧压机2、氮压机3和增压机4的换热夹套用于回收压缩热；余热回收装置5的冷冻水管路与换热器6相接，空压机1、氧压机2、氮压机3和增压机4的进口介质管路与换热器6相接，实现冷冻水与各进口介质的换热；冷冻水管路上设置控制阀，空压机1、氧压机2、氮压机3和增压机4的进口处均设有温度传感器和湿度传感器，所述控制阀、温度传感器和湿度传感器分别通过电缆接于控制器7。

所述余热回收装置5可使用最常见的热水型溴化锂吸收式冷水机组。控制器是指以微处理器为基础的集中分散型控制系统，例如浙大中控集团有限公司生产的SUPCON JX—300X型号的产品。控制阀是指智能温差阀，例如杭州哲达科技股份有限公司生产的ZTAT46系列型号的产品。

如果考虑到更精细化的控制方案，在空压机、氧压机、氮压机和增压机的进口介质管路上分别设置换热器，并在与各换热器相连的冷冻水管路上分别设置控制阀。

本发明中，降低空分设备综合电单耗的方法，是利用余热回收装置5将从空压机1、氧压机2、氮压机3、增压机4回收的压缩热用于制备冷冻水，并通过换热器6用冷冻水对各机组的进口介质进行降温除湿；同时，利用控制器7对换热器6的换热量进行调节，从而实现对各机组进口介质的温度和湿度的控制，保持各机组进口介质在最佳气体状态，实现空分设备综合电单耗降低的目的；所述最佳气体状态是指：各机组进口介质气体的温湿度能够保持其当前运行效率高的气体状态，在一定的范围内温度低、相对湿度高，具体来说与空分设备运行当地冬季的气体温湿度相当。

在实际应用过程中，采用如下流程开展：首先根据空压机1、氧压机2、氮压机3、增压机4运行过程中产生的压缩热量级选择合适的余热回收装置5，接着通过余热回收装置5回收空压机1、氧压机2、氮压机3、增压机4运行过程中产生的压缩热并产生冷冻水，将此冷冻水输送进入换热器6，通过换热器6对空压机1、氧压机2、氮压机3、增压机4介质的进口条件进行降温除湿，同时采用控制器6对空压机1、氧压机2、氮压机3、增压机4的进口温湿度条件进行监控，保持进口条件处于最佳气体状态。

在利用前述设备的基础上，本发明所提供的降低空分设备综合电单耗的方法，是利用余热回收装置将从空压机、氧压机、氮压机、增压机回收的压缩热用于制备冷冻水，并通过换热器用冷冻水对各机组的进口介质进行降温除湿；同时，利用控制器对换热器的换热量进行调节，从而实现对各机组进口介质的温度和湿度的控制，保持各机组进口介质在最佳气体状态，实现空分设备综合电单耗降低的目的；所述最佳气体状态是指：各机组进口介质气体的温度与空分设备运行当地冬季的气温差值在±2℃以内，相对湿度差值在±5%以内。

所述余热回收装置制备冷冻水时，其制冷量Q_c为：

Q_c=COP×(Q_i+A) （1）

该式中，COP为余热回收装置5所能实现的制冷量和输入功率的比值，单位：kW/kW；Q_i为余热回收装置5从空压机1、氧压机2、氮压机3、增压机4中回收的压缩热产生热水的热量，单位：kW；A为余热回收装置5消耗的电功率，单位：kW；；

余热回收装置5产生冷冻水的流量W_c为：

W_c=3600×Q_c/[C_c×ρ_c(t_c1-t_c2)] （2）

该式中，Q_c为不考虑热损失时，余热回收装置5用于产生冷冻水的制冷量，单位：kW；C_c为冷冻水比热，单位：kJ/(kg·K)；ρ_c为热水密度，单位：kg/m3；t_c1为冷冻水进口温度，单位：K；t_c2为冷冻水出口温度，单位：K；

该方法中，根据热交换效率和析湿系数选择换热器6，换热器6满足下列要求：该换热器6能达到的热交换效率应该等于空分设备进口气体介质处理过程需要的热交换效率，且该换热器6能达到的析湿系数应该等于空分设备进口气体介质处理过程需要的析湿系数；其中，

热交换效率ε₁为：

ε₁=（t₁-t₂）/(t₁- t_c2) （3）

析湿系数ξ为：

ξ=（i₁-i₂）/[C_p（t₁-t₂）] （4）

Claims

1.一种降低空分设备综合电单耗的方法，其特征在于，空分设备包括空压机、氧压机、氮压机和增压机，该方法是利用余热回收装置将从空分设备中各机组回收的压缩热用于制备冷冻水，并通过换热器用冷冻水对各机组的进口介质进行降温除湿；同时，利用控制器对换热器的换热量进行调节，从而实现对各机组进口介质的温度和湿度的控制，保持各机组进口介质在最佳气体状态，实现空分设备综合电单耗降低的目的；所述最佳气体状态是指：各机组进口介质气体的温度与空分设备运行当地冬季的气温差值在±2℃以内，相对湿度差值在±5%以内。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述余热回收装置制备冷冻水时，其制冷量Q_c为：

Q_c=COP×(Q_i+A) （1）

余热回收装置产生冷冻水的流量W_c为：

W_c=3600×Q_c/[C_c×ρ_c(t_c1-t_c2)] （2）

热交换效率ε₁为：

ε₁=（t₁-t₂）/(t₁- t_c2) （3）

析湿系数ξ为：

ξ=（i₁-i₂）/[C_p（t₁-t₂）] （4）

3.用于实现权利要求1所述方法的降低空分设备综合电单耗的装置，包括空压机、氧压机、氮压机和增压机；其特征在于，还包括能够通过蒸汽压缩方式制备冷冻水的余热回收装置；余热回收装置分别通过管路连接至空压机、氧压机、氮压机和增压机的换热夹套用于回收压缩热；余热回收装置的冷冻水管路与换热器相接，空压机、氧压机、氮压机和增压机的进口介质管路与换热器相接，实现冷冻水与各进口介质的换热；冷冻水管路上设置控制阀，空压机、氧压机、氮压机和增压机的进口处均设有温度传感器和湿度传感器，所述控制阀、温度传感器和湿度传感器分别通过电缆接于控制器。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述换热器有4个，分别设于空压机、氧压机、氮压机和增压机的进口介质管路上；与各换热器相连的冷冻水管路上分别设置控制阀。

5.根据权利要求3或4所述的装置，其特征在于，所述余热回收装置是蒸汽型溴化锂吸收式冷水机组或热水型溴化锂吸收式冷水机组。

6.根据权利要求3或4所述的装置，其特征在于，所述换热器是表面式冷却器。