杭氧特大型空分设备的技术现状及进展

杭州杭氧股份有限公司3杭氧特大型空分设备的技术现状及进展【摘要】文章全面介绍了杭氧对特大型空分设备的研制历程和已取得的成果，分析了杭氧设计制造特大型空分设备在成套技术，流程计算，静态关键设备设计制造技术和对关键转动机械解决方案的现状，最后指出杭氧已在6万等级特大型空分设备上实现了国产化，并且有能力将8万等级的特大型空分设备实现国产化。【关键词】特大型空分；研制历程；技术现状；冶金型空分；化工型空分；国产化1.概述随着冶金、化工（石化）工业的迅速发展，空分设备的需求量越来越大。由于需求的推动，许多新技术应用于空分设备中，使得空分设备的技术发展日新月异，其趋势正朝着产量规模大型化、气体产品压力等级高、液体产品多、产品纯度高、运行成本低、设备操作稳定可靠等方向发展。我国空分设备行业经过“七五”、“八五”、“九五”这十五年的快速发展，以及与国外著名公司的技术交流与合作，为6万等级空分的国产化打下了良好的基础。杭氧是国内空分行业的龙头企业，通过引进技术，吸收消化，自主创新，国产化攻关，相继开发了2万，3万，4万，5万，6万等级的不同流程型式的空分设备并投入使用，继2003年12月与中石化签订两套4万8内压缩流程空分设备后，又在2004年8月与中原大化签订了5万2内压缩流程空分设备，2005年1月签订了两套出口的6万内压缩流程空分设备，2006年3年，杭氧与大唐国际发电股份有限公司签订了三套5万8内压缩流程空分设备，2006年7月与上海宝钢集团公司签订了6万自增压型外压缩流程空分设备。这些成绩的取得与我们广大用户的支持是分不开的，今天我们把杭氧在特大型空分设备技术方面所做的工作给大家做个汇报，让我们一起来分享成功的喜悦。2.杭氧特大型空分设备的研制历程2.1引进技术与消化杭氧在1978年通过技贸结合的方式引进了林德公司1万空分设备的设计制造技术和镇海2.8万内压缩空分设备全套技术资料。通过技术引进和消化吸收，使杭氧系统地掌握了大型空分设备的流程设计计算技术，单元设备设计、计算及制造技术，大型空分设备设计制造水平上了一个新台阶。此后，在3万等级空分设备方面，杭氧与国外公司多次开展合作生产。先后合作生产了多套3万等级的空分设备，杭氧生产的范围从一般的设备扩展到精馏塔、主换热器、主冷等杭州杭氧股份有限公司2核心部件。杭氧通过项目配套逐步形成了自己的大型空分设备开发、制造能力，同时培养了一大批技术骨干，为杭氧自我开发成套特大型空分设备打下了坚实的基础。1997年杭氧还与林德公司就上海宝钢的6万空分设备进行合作，配套设计、制造的空冷塔、水冷塔、分子筛吸附器于1998年投产使用。杭氧通过技术引进和合作生产掌握了特大型空分设备的设计、制造工艺等关键技术。2.2国家对杭氧3万等级空分设备国产化的大力支持对大型空分国产化问题，国家经贸委机械局（原机械部）一直是极为重视的。在“八五”期间，3万等级空分装置的研究就被列入了国家重大技术装备研制计划，杭氧为该项目的承担单位，负责及参与了：流程设计计算技术的研究；新型分子筛吸附器研制；新型透平膨胀机研制；大型氧气透平压缩机研制；空分设备专用阀门研制；计算机自动化控制技术深化应用的研究；高效精馏塔的研制；大型板翅式换热器的研制；大型低温设备加工技术攻关九个子课题的研究。通过这些专题的研究使杭氧全方位地开展了3万等级空分设备国产化的研究工作。这些攻关课题以大连、内蒙、九江2万4空分为依托工程进行的，并应用于这些空分设备上，经过长期运行考验，装置运行稳定，各机组满足设计要求，1998年4月28日，机械部重大装备司对杭氧为“八五”国家重大技术装备科技攻关专题项目进行了鉴定，认为杭氧已掌握了“三万”等级空分设备关键设备的设计制造能力。在“九五”期间，杭氧又承担了国家重大技术装备研制项目—大型煤化工成套设备中1.5万～3万等级空分设备专项研制中进行了大型空分流程设计计算技术的研究；新型透平膨胀机研制；大型高压板翅式换热器研制；规整填料塔及全精馏提氩设备的试验研究的子专题的研究。“九五”期间，杭氧结合攻关课题，引进了美国Aspen热力性能计算软件，并完成二次开发，同时自行开发了用于各种流程热力计算和精馏计算的通用计算平台。现在我们已具有了用于成套流程设计计算的软件包，可以用来开发各种流程的空分设备，流程计算效率与精度已达到国外同期先进水平。目前杭氧已开发成功近20多种不同流程型式的空分流程。2.3对进口3万等级空分改造积累了经验1997年镇海“2万8”化工型空分设备改造，1998年上海宝钢（3#）3万空分设备的这二套设备的改造成功使我们从总体流程计算、单元系统（空冷系统、分子筛、分馏塔系统）性能计算，大型分子筛吸附器及大型散堆填料型空冷塔和水冷塔的性能和结构设计及制造技术等方面都积累了宝贵的实践经验。杭州杭氧股份有限公司32.4自行设计制造3万等级空分设备¾首钢3万等级空分设备设计1993年杭氧承接了首钢3万成套空分设备的设计制造任务,杭氧从流程计算到单元部机、阀门的设计及生产制造工艺作了充分的准备,并完成了全套工作图的设计。首钢3万氧空分设备采用了常温分子筛吸附，增压透平膨胀机，四溢流筛板塔和加氢除氧的氩提取工艺等技术。由于用户资金问题,该项目未能上马,使杭氧失去了一次3万等级空分设备国产化的良好契机。¾上海宝钢3万等级空分设备投产2001年9月24日，杭氧与宝山钢铁公司签订3万空分设备供货合同，2002年2月15日完成最终设计，2002年4月30日按合同规定日期提前运抵现场。该套空分设备采用规整填料上塔、四溢流筛板下塔、全精馏制氩等多项新技术，于2002年12月14日一次开车成功，并于2002年12月31日通过用户性能考核。宝钢3万空分的成功投运，使杭氧积累了大量宝贵的实践和理论经验，掌握了设计、制造3～6万等级的空分设备的关键技术。标志着杭氧已掌握并具备特大型空分设备的设计制造及成套能力，我国空分设备的设计和制造技术进入了一个新的里程碑。由于上海宝钢3万空分设备的顺利投运,在随后的三年时间里,杭氧先后与陕西渭南河化肥厂签订了2万8（氧）内压缩流程空分设备,氧气输送压力为8.7MPa；与天津钢铁公司签订了两套2万8（氧）内压缩流程空分设备；与马鞍山钢铁公司签订了3.2万（氧）内压缩流程空分设备等共计13套三万等级空分设备，其中渭化2万8（氧）内压缩流程空分设备已调试出氧，天钢两套2万8（氧）、马钢3.2万空分设备已经通过考核。2.54-6万等级特大型成套空分设备的设计制造2003年1月18日，杭州杭氧股份有限公司正式与辽宁北台钢铁有限公司签订了5万（氧）空分设备的订货合同。该成套空分设备采用常温分子筛吸附、增压透平膨胀机、规整填料上下塔和全精馏制氩等先进空分技术，具有液体产品多（是氧产量的12%）、产品负荷变化范围大（可在50%~105%调节）、能耗低、产品提取率高等特点。该项目已与2004年6月14日竣工投产。2003年12月4日，杭氧与中石化湖北化肥和安庆石化签订了两套4万8（氧）内压缩流程空分设备。采用分子筛净化空气，氮气循环增压，氧气产品内压缩，带中压透平膨胀机，氮膨胀循环、规整填料和全精馏制氩工艺流程，其中安庆项目已于今年7月份调试出氧，枝江项目正在调试过程中。2004年9月28日，在河南中原大化5万2内压缩空分设备项目的招标中，杭氧与国际品牌公司同台竞争。我们经过大量流程计算和技术方案的优化设计后，最后推荐的流程方案杭州杭氧股份有限公司4与国外著名公司提供的主体方案完全一致，在经过性能价格比较后，用户豪不犹豫地选择了杭氧。2005年3月31日，杭氧与包头钢铁公司签订了4万冶金型外压缩流程空分设备。采用分子筛净化空气，氧气外压缩，部分氩气内压缩，膨胀空气进上塔流程，采用规整填料上塔和全精馏制氩的工艺流程。该项目目前已经调试出氧，各项指标均达到或超过设计指标。大唐国际5万8空分设备（三套）是为多伦年产46万吨煤基烯烃项目配套而建的大型内压缩空分设备项目，煤气化装置对空分装置的可靠性和安全性方面要求非常高。2006年3月，在大唐国际三套5万8的投标中，杭氧与国际品牌公司同台竞争，我们经过大量流程计算和技术方案的优化设计，并在最后的方案中选择了采用了特殊的节能工艺，推荐的流程方案除主体方案与国外著名公司提供的基本一致外，能耗还比国外公司略低。在经过性能价格比较后，用户豪不犹豫地选择了杭氧。该项目目前正在详细设计中。宝钢从2005年初开始了8＃制氧机的前期交流和招标活动，宝钢原有5＃、6＃、7＃制氧机均为6万等级空分，均采用了国外公司制造的产品。在历时两年的交流和招标过程中，宝钢通过对杭氧在设计、制造和成套能力上的深入论证，认为杭氧已完全有能力在6万等级空分上与国外公司竞争，最终将8＃制氧机的合同交给了杭氧。这是目前在冶金行业上最大的国产化空分项目，也是空分行业的又一个新的里程碑。该成套空分设备采用常温分子筛吸附、氧气自增压流程，增压透平膨胀机、规整填料上塔和全精馏制氩等先进空分技术，具有液体比例大、能耗低、产品提取率高等特点。表1列出了了杭氧自行设计制造的拥有独立知识产权的特大型空分设备业绩。3.杭氧特大型空分设备的技术现状分析3.1流程的优化设计决定空分的先进性杭氧一向重视流程计算软件的开发和流程优化设计。应用美国Aspen热力计算软件，对空分流程进行集成计算；采用经典精馏计算软件，同时结合目前采用规整填料塔及全精馏制氩流程的特点，自行开发了适用于该流程的精馏计算模块，实现主塔与氩塔的耦合精馏计算；采用专用的性能和结构计算软件，对空气预冷系统和分子筛纯化系统进行计算，计算合理的分子筛再生污氮气量，在保证分子筛再生气量的同时使空冷系统获得尽可能多的污氮气量；用美国S-W公司板翅式换热器性能及结构计算程序，对换热器进行热力计算。这些设计计算软件被广泛用于大型空分设备的开发设计，多套合作生产的空分设备及由杭氧进行设计制造的3万和5万空分设备中，实践证明这些软件是先进可靠的。针对用户所需气体产品和液体产品特点和投资情况进行方案比较，确定最佳的流程型式。然后对流程中各点参数进行优化和部机的初步设计，保证空分设计性能指标的先进性。空分设备的用户可分为冶金和化工（石化）等行业。针对用户对空分设备产品的压力和纯度等不同的要求，杭氧进行了广泛的研究，逐步形成了冶金型和化工（石化）型的空分设杭州杭氧股份有限公司5备。石化行业对氧、氮产品的压力要求一般在4.0MPa到10.0MPa之间，其所需的空分设备规模也多数在三万等级以上，对空分设备的各种产品的要求繁多，往往会同时要求生产不同流量、多种压力等级的氧气和氮气。因此对于石化行业的用户来讲采用内压缩流程的空分设备是较好的选择。冶金行业一般对氧氮产品的压力要求在3.0MPa左右。由于杭氧设计制造的氧气透平压缩机的成功应用，所以常规的外压缩流程仍然是主要选择，当然，如果冶金行业的用户同时要销售液体产品，采用内压缩流程也是可供选择的方案。对于冶金型的特大型空分设备，杭氧已开发成功了宝钢3万常规外压缩流程，北台5万自增压外压缩流程及马钢、天钢3万、马钢3.2万等级内压缩流程，这些都是根据用户提出的不同要求而推荐的不同型式的流程。对于化工型的特大型空分设备，由于煤气化工艺的不同及气化用的燃料不同氧气的压力分为两种，一种为中压氧4.5~5.2MPa（G），另一种为6.4~9.8MPa（G）。对于不同的氧产品压力等级和不同氮产品及压力，杭氧共开发了五种不同流程。一、氧气4.5~5.2MPa（G）压力的中压氧空分设备，开发了三种空分流程，1.中原大化5万2空气循环内压缩膨胀进下塔流程；2.中石化4万8氮气循环内压缩流程2.大唐国际5万8空气循环内压缩流程；。二、氧气压力为8.5~9.8MPa（G）的高压氧空分设备，开发了五种空分流程，1.浩良河1万8内压缩膨胀空气进上塔流程；2.陕西渭化2万8空气循环内压缩膨胀空气进下塔流程；3.是乌石化2万氮气循环内压缩流程；4.德州4万8空气循环内压缩膨胀空气进下塔流程；5.齐鲁石化4万5内压缩膨胀空气进下塔流程。杭氧设计制造的氧内压缩流程空分设备最高