工業(yè)氣體被形象地稱為“工業(yè)血液”，空分裝置則是氣體生產(chǎn)的“心臟”。本文給出了康吉森空分裝置節(jié)能優(yōu)化控制解決方案，助力工業(yè)企業(yè)節(jié)能降耗，助推工業(yè)企業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

工藝簡介

空氣分離裝置是利用物理或者化學(xué)方法將空氣混合物各組分分開，獲得氧氣、氮氣以及一些稀有氣體的過程。工業(yè)上主要有三種實現(xiàn)空氣分離方法：低溫法、吸附法、膜分離法。目前應(yīng)用廣泛的是低溫法，它的優(yōu)點是生產(chǎn)量大、產(chǎn)品純度高、電耗低并且可以得到液態(tài)產(chǎn)品，便于存儲和運輸，主要工藝單元包括：凈化系統(tǒng)、壓縮系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、純化系統(tǒng)、膨脹系統(tǒng)、分餾系統(tǒng)。

空氣分離的基本原理就是利用低溫精餾法將空氣冷凝成液體，然后按各組分蒸發(fā)溫度的不同將空氣分離。壓縮空氣除去水分和二氧化碳等雜質(zhì)后，經(jīng)熱交換系統(tǒng)和增壓膨脹機制冷后進(jìn)入下塔，在塔板上氣體與液體接觸，由于氣、液之間溫度差的存在，在進(jìn)行傳熱和傳質(zhì)交換時,低沸點組分氮吸收熱量開始蒸發(fā)，氮組分首先蒸發(fā)出來，溫度較高的氣體冷凝，放出冷凝熱，氣體冷凝時，首先冷凝氧組分。這過程一直進(jìn)行到氣相和液相的溫度相等為止，也即氣、液處于平衡狀態(tài)。這時，液相由于蒸發(fā)，使氮組分減少，同時由于氣相冷凝的氧也進(jìn)入液相，因此液相的氧濃度增加了，同樣氣相由于冷凝，使氧組分減少，同時由于液相的氮進(jìn)入氣相，因此氣相的氮濃度增加了。

多次的重復(fù)上述過程，氣相的氮濃度就不斷增加,液相的氧濃度也能不斷的增加。這樣經(jīng)過多次的蒸發(fā)與冷凝就能完成整個精餾過程，從而將空氣中的氧和氮分離開來。空氣在下塔被初步精餾為氣氮、污液氮和富氧液空，以節(jié)流閥減壓降溫后送至上塔作為上塔的回流液，進(jìn)一步實現(xiàn)精餾，最終在上塔頂部得到純氮氣，下部得到合格的液氧產(chǎn)品。

在大型空氣分離裝置的生產(chǎn)過程中，根據(jù)工藝流程的要求，有多種不同類型的重大設(shè)備，這當(dāng)中包括了多臺透平機械壓縮機機組，典型的壓縮機一般有：

1、空氣壓縮機/氮氣壓縮機

空氣分離裝置中的大型空壓機多采用離心和軸流兩種結(jié)構(gòu)，其經(jīng)常還會與一臺增壓機連在一根軸系上，由一臺汽輪機驅(qū)動，這類空壓機組通常俗稱為一拖二機組。如圖所示：空壓機組的空壓機為軸流壓縮機，增壓機為多軸的離心氮壓縮機。

2、膨脹機

膨脹機是為空分裝置提供冷量的設(shè)備，氣體在膨脹機中等熵膨脹而制取冷量，補充系統(tǒng)冷損。

3、氧壓機（汽輪機/電機驅(qū)動）/泵

空分裝置流程主要分外壓縮、內(nèi)壓縮。外壓縮是利用氧氣壓縮機將空分裝置出來的低壓產(chǎn)品氧氣壓縮至用戶所需要的壓力等級，內(nèi)壓縮是采用液氧泵對產(chǎn)品液氧進(jìn)行壓縮，然后換熱汽化的一種流程形式。

內(nèi)壓縮流程的形式應(yīng)用比較多，它的優(yōu)點是：無高溫氣氧、火險隱患小，碳?xì)浠衔锓e聚的可能性大大降低。

空氣壓縮機組的控制

原料空氣壓縮機和增壓空氣壓縮機采用離心式或軸流式壓縮機，由透平蒸汽輪機驅(qū)動。原料空氣壓縮機的作用是為裝置提供帶壓原料氣，增壓空氣壓縮機的作用是為裝置提供膨脹及液氧氣化的氣源。

1、機組的轉(zhuǎn)速控制

汽輪機作為原動機，汽輪機啟動階段的轉(zhuǎn)速控制，根據(jù)汽輪機主機廠提供的升速曲線，進(jìn)行升速控制。在機組暖機升速、過臨界轉(zhuǎn)速、進(jìn)入工作轉(zhuǎn)速和降速停機過程中，要投入壓縮機調(diào)速控制。在機組控制系統(tǒng)中預(yù)先存儲壓縮機的升速曲線，根據(jù)預(yù)設(shè)的轉(zhuǎn)速，將轉(zhuǎn)速目標(biāo)值轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)速PID的給定值，保證機組穩(wěn)定工作在額定轉(zhuǎn)速。

機組轉(zhuǎn)速控制

壓縮機入口導(dǎo)葉控制

2、壓縮機入口導(dǎo)葉控制

壓縮機的入口流量控制需要通過調(diào)節(jié)壓縮機入口導(dǎo)葉開度實現(xiàn)。壓縮機入口流量調(diào)節(jié)器的輸出，送到入口導(dǎo)葉調(diào)速器，控制空壓機的入口導(dǎo)葉開度，組成串級調(diào)節(jié)回路來穩(wěn)定空壓機的入口流量。

3、壓縮機防喘振控制

在機組啟動和停機過程中，由于機組流量過低，如果沒有防喘振控制，就會因喘振的發(fā)生對機組造成損壞。

當(dāng)工況變化時也需要通過喘振控制來使壓縮機遠(yuǎn)離喘振區(qū)域，避免損壞機組。

4、全自動節(jié)能優(yōu)化控制

分子篩切換時會造成壓力和流量波動，造成入口導(dǎo)葉與喘振閥的動作，使裝置工況不穩(wěn)，影響下游產(chǎn)品質(zhì)量。為了解決這個問題，必須實現(xiàn)性能控制與防喘振控制的優(yōu)化。抑制分子篩切換時的擾動，穩(wěn)定裝置工況，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

5、機組能效在線性能監(jiān)測

機組在線性能監(jiān)測是考核機組能效的度量手段。當(dāng)工況發(fā)生變化時，機組的能效指標(biāo)會發(fā)生改變。實時監(jiān)視汽輪機、壓縮機功率和效率的變化。使用該方法對機組改造的實際效果進(jìn)行評估，為進(jìn)一步計算空分裝置的收益提供參考。

機組能效在線性能監(jiān)測

節(jié)能優(yōu)化控制案例

某石化空分裝置系統(tǒng)優(yōu)化，增加分子篩切換時進(jìn)行精細(xì)控制，裝置開車及機組精調(diào)完成后，分子篩切換時空壓機出口壓力波動由原來的超過150KPa優(yōu)化至不超過20KPa，整個裝置運行更穩(wěn)定，效率更高。

編者按

工業(yè)氣體被形象地稱為“工業(yè)血液”，空分裝置則是氣體生產(chǎn)的“心臟”。空分設(shè)備是一種高能耗設(shè)備，在煤化工行業(yè)中，制氧能耗約占總能耗的10%～15%，甚至更大。康吉森空分裝置節(jié)能優(yōu)化控制解決方案在滿足原技術(shù)指標(biāo)的基礎(chǔ)上對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化升級，實現(xiàn)真正意義上的節(jié)能降耗，為工業(yè)企業(yè)的持續(xù)發(fā)展提供客觀的支持和幫助。

《康吉森“雙碳”專欄》簡介

“雙碳”目標(biāo)下，工業(yè)節(jié)能是當(dāng)前的首要任務(wù)。作為流程工業(yè)安全及關(guān)鍵控制系統(tǒng)的行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)，康吉森自動化幫助更多工業(yè)企業(yè)節(jié)能增效責(zé)無旁貸。為響應(yīng)國家政策號召，順應(yīng)新的發(fā)展趨勢，為工業(yè)企業(yè)節(jié)能增效保駕護(hù)航，康吉森自動化特推出《康吉森“雙碳”專欄》系列報道，借助自身經(jīng)驗積累和技術(shù)優(yōu)勢，向廣大工業(yè)企業(yè)提供節(jié)能優(yōu)化控制解決方案。