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1、1空分设备的有效能损失分析及节能作者：万建余 徐福根 杨志鹏论文关键词：空分设备 有效能损失 节能 优化论文摘要：通过空分设备有效能损失分析方法，有效损失主要存在压缩机、主换热器、精馏塔、气体管线。经节能改造和优化操作，最终达到提高有效能利用率，从而达到节能的目的。随着我国经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，年人均能源消耗量将逐年增加，据预测，到 2050 年将达到 2.38 吨标准煤，相当于目前世界平均值（2.4吨标准煤），但远低于目前发达国家的水平。人均能源的不足将是我国经济、社会可持续发展的一个限制因素，要解决能源问题，出路不外乎两条：一是开源；二是节流。我国实行的开发和节约并重的能
2、源政策。近期把节能放在优选考虑的地位，通过正确的用能，合理用能，节约用能，减少能源浪费，提高能源的有效利用率，达到节能的目的。空分设备的原料是空气，其主要消耗的是能源，能源消耗占生产成本的 80%，降低生产成本的主要措施是降低能耗，而空分设备所消耗的能源是由不可逆过程引起的，尽管每一个可逆过程中所消耗的能量方式不尽相同，但都会产生有效能的损失。因而，可以从空分各个工艺过程有效能分析来寻找最佳节能途径。1 有效能系统在一定状态下的有效能，就是系统从该状态变化到基态过程所做的理想2功，用 表示，对于稳定流动过程，从状态 1 变化到状态 2 过程的理想功可以写为（1）式中为基态的温度；为熵；为焓。当
3、系统由任意状态变到基态时，稳流系统的有效能 定义为（2）有效能可分为物理有效能和化学有效能，物理有效能是指系统的温度、压力等状态不同于环境而具有的能量。空分运行中与热量传递有关的加热、冷却、冷凝过程，以及与压力变化有关的压缩、膨胀等过程，只考虑物理有效能。可表示为（3） 式中为温度与环境不平衡具有的有效能；为压力与环境不平衡具有的有效能。由热力学定律可得（4）（5） 式中为定压比热；为摩尔数；摩尔体积；为压力。化学有效能是指处于环境温度和压力下的系统，由于与环境进行物质交换或化学反应，达到与环境平衡，所做的最大功。从系统的状态到环境状态需要经过化学反应与物理扩散两个过程：将系统的物质转化成环境
4、物质（基准物）过程及物质浓度变化到与环境浓度相同的过程。在空分设备中的化学有效能是以物理扩散有效能形式存在。32 有效能损失在能源转化、转移、传递和使用的过程中，有效能可以有效地利用发挥其功效，也可无效地损失，也就是通常说的有效能损失，有效能损失是不可逆的。空分设备的有效能输入，主要有空压机电耗、原料空气所带入的有效能、水泵消耗的电能、氩泵消耗的电能、电加器消耗的电能。有效能损失占总输入有效能的比例非常高，也即有效能效率很低，老式全低压空分不大于 12%1 ，现代大型空分也只有在 20%2左右。其中空压机有效能损失和空分塔的有效能损失所占的比重较大。空分设备有效能损失主要存在传热过程、压缩或膨
5、胀过程、节流过程、精馏过程中。21 传热过程有效能损失传热过程的有效能损失与传热量、温差和温位有关，可表示为（6）式中为传热量；为传热过程的有效能损失。从上式可知，两物流在热传递过程中，热量和温差相同，温位越低，传递过程的有效能损失越大；传热量越大，有效能损失也越大。利用上式对空分主换热器进行分析得，传递相同热量，每 1 温差造成的有效能损失冷端是热端的 3.1 倍，因此，空分操作过程中，特别要控制好主换器冷端温差。22 压缩过程有效能损失4静压能的提高与气体在级中的压缩过程有关，所需的功称为压缩功，在空压机中由于气流速度很快，压缩过程中与外界没有热量交换，即为绝热定熵过程。从状态 1 压缩到
6、状态 2 定熵功为（7）式中为气体常数；为空压机进口压力；为空压机的出口压力。定熵功与进口温度、压力和出口压力有关，与出口温度无关，空分用空压机一般为多级压缩，若冷却效率低，每级压缩进口温度高，则所需的功要大。假设空压机为三段压缩，每段压缩比都为，冷却后温度提高 1,则空压机消耗功率增加 0.4%。在实际运行中，可以降低水温，控制冷却器的结垢，提高冷却器的效率，降低冷却后温度，减少空压机功耗。另一方面，空压各级进气温度条件及空分装置进气温度条件要求，必须进行冷却，由冷却前温度降低到温度 ，带来有效能损失为（8）在图 2 中，1-3 为绝热压缩过程，设绝热效率为： ，那么，因摩擦损失引起热量为
7、，假定绝热可逆压缩后状态为 3，绝热不可逆压缩后状态为 4，它们等温不等压，由于摩擦损失以热形式加给气体，引起所需的压缩功增加为三角形 134 面积。 图 2 图上的与无热交换压缩过程三角形面积。 摩擦损失引起热量为5由绝热方程：则由于绝热可逆压缩过程为等熵过程，不可逆压缩过程为熵产生过程，熵产生为则空压机的有效能损失为（9）从上式分析，空压机效率越低，有效能损失越大。23 阻损带来有效能损失在定态流动过程中，如果物系和环境不发生功和热的交换， 因则阻损带来的有效能损失为对于理想气体来说，6（10）上述公式而知，相同压力下，阻力损失越大，有效能损失也大，相同阻力损失下，压力越大，有效能损失越小
8、。要尽量减少管路的阻力来降低有效能损失。24 精馏系统有效能损失以塔板精馏为例，从下面上升进入某块板的温度要比上面流下的液相温度高些，而易挥发组分的含量则低于与下降液体相平衡的浓度，两股物流在温度和组成上都不平衡，在塔板上发生热量和质量传递过程是不可逆的，必然造成有效能的损失，这就是精馏过程中有效损失的主要部分。当物质摩尔由化学位的相传到相时，产生的有效能损耗，由热力学分析得（在等温等压下），精馏过程中有效损失为（11） 精馏过程中，化学位是传质的推动力，正是由于两相化学位的差异而导致传质过程，从产生有效能的损失。要减少每块塔板上传热和传质推动力，就要使操作线与平衡线接近，过程趋于可逆，是降低
9、有效能损失的主要途径。241 下塔及粗氩塔分析yx图 3 操作线示意图空分下塔和粗氩塔一般操作线方程为7（12），即回流比； 为某组成在塔顶的浓度。从图 3 和操作线方程可知，操作线的斜率为，当越大时，操作线越靠近平衡曲线，这时回流越小。可见，要减少有效能损失，必须使回流比尽可能的小，但当操作回流比为最小回流比时，需要无穷多理论塔板数，所以一般控制回流比。242 上塔分析上塔精馏段操作线和提馏段操作线的在平衡曲线图上交于一点，交点的轨迹为一条直线，通常称为线。线的斜率不同，液空进料口的状态也不同，回流比与线关系：（1）当精馏段操作线和线的交点落在平衡曲线上时，回流比最小，最节能。 （2）当精馏
10、段操作线和线的交点落在平衡图的对角线上时，回流比最大，能耗最高。y x图 4 上塔操作线示意图图 4 操作线示意图3 节能改造与操作通过对空分设不同过程的有效能损失的分析，寻找到节能潜力最大的环节，对新钢公司气体厂的两套空分设备进行挖潜改造和优化操作：（1）管路的阻力损失来减少有效能损失。2005 年 7 月 25000m3/h 空分投产，18000m3/h 空分停机全面检修的机会，把 18000m3/h 空分用空压机出口止回阀，8由原来 DN400 的更换成一与管道通径相同的 DN600 的，使空压机到氮水预冷段的压力损失减少了 25Kpa。2005 年底对 25000m3/h 空分的分子筛
11、再生氮、产品氧气、产品氮气等三个流量孔板重新设计并更换，取消了进空分装置流量孔板，以降低系统阻力损失，从而达到降低有效能损失，降低情况见表 1。表 1 25000m3/h 空分降低有效能损失情况表项目阻力减少/ 体积流量/ 摩尔体积/ 有效能损失减小/ 进塔空气791250005580367073.536产品氧气42450010937530621.83产品氮气42400010714329996.93再生污氮104200008928621621.21降低系统循环水温和控制机器冷器系统结垢，提高压缩机冷器的效率，减少温差带来的有效能损失。18000m3/h 空分系统，随着夏季气温的升高，水温达32
12、33，制约了空分设备的满负荷生产，增加设备电量能耗，通过与老系统管网联通（原 3200m3/h 空分冷却水循环系统），充分利用两台老冷却的能力，使给水温度能保持在 2829。25000m3/h 空分运行不到一年，发现氮压机的冷却器结垢很严重，制约了设备运行效率，水系统进行加约处理。25000m3/h 空分循环冷却水系统使用两台喷雾冷却塔，处理水量 3000t/h，夏季运行时给水温度达 36.5，冷却温差仅有 5.5（回水温度为 42时），严重制约了整个装置效率的发挥，通过增加两台 600t/h 的玻璃钢冷却塔以加强冷却效果，循环水泵达不到出力，经厂家对叶轮改造，使水流量及压力增大到设计值。尽管
13、如此，还是没有达到预期的效果，06 年，进一步对冷却塔进行改造：（1）两台冷却塔各加装一台 190000m3/h 风量的冷却风机；（2）塔内增加厚 1000mm 的聚丙烯波纹填料。 （3）收水器（2） 给水与冷却后气体的温差控制在设计范围内。（3） 优化空分操作，减少精馏系统的有效能损失。 （1）主冷液面在保证全浸的安全要求下，尽量降低，缩小主冷两则的温差，从而达到减少因传热温差引起的有效11能损失；（2）在保证空分塔精馏工况，尽量减小回流比，减少因塔板上相之间浓度差偏大所产生的物理扩散有效能损失。（4） 降低操作压力。保证主冷液面稳定情况下，降低上塔压力，从而达到降低空压机的排压。以 250
14、00m3/h 空分为例，通过主冷两侧的汽液平衡计算出下塔压与上塔压的关见表 2表 2 25000m3/h 空分主冷液面为 3200mm 时，上下塔操作压力上塔底部压力（A）/kPa主冷底部压力（A）/kPa主冷上部温度/K主冷底部温度/K主冷平均温度/K下塔顶部温度/K下塔顶部压力（A）/kPa12150186.4893.95296.32695.13996.04565148184.4893.81696.20695.01195.91256013146182.4893.67396.08594.87995.78555145181.4893.696.02494.81295.71355014144180
15、.4893.52795.96394.74595.646545143179.4893.45495.90194.677595.578554315142178.4893.38195.8494.610595.5115540141177.4893.30795.77894.542595.443553516140176.4893.23295.71594.473595.3745533139175.4893.15795.65394.40595.30653017138174.4893.08295.5994.33695.237527从图 5 中可知，在保证空分正常精馏工况的主冷换热温差情况下，上塔最低要求压力与下塔压力成线性关系。为了操作方便，对表 2 中的数据进行回归得关联式4 结论根据热力学第二定律，对空分设备的几个生产过程进行了有效能损失分析，寻找到最佳的节能途径，提出了节能措施，通过改造和优化操，使 18000m3/h 和25000m3/h 空分生产能耗有效的降低。参考文献181 何耀文.深冷过程的有效能分析 J. 深冷技术,1981,（6）: 1192 张哲空气分离装置的有效能分析及节能研究硕士论文华东理工大学20033 沈维道 郑佩芝 蒋淡安.工程热力学M . 北京：高等教育出版社，1983.9
