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。
2 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、压缩或膨胀过程、节流过程、精馏过程中。
2．1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。
2．2压缩过程有效能损失
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 ，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
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。
2．3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，
（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。要尽量减少管路的阻力来降低有效能损失。
2．4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ⅰ传到相ⅱ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）
2．4．1下塔及粗氩塔分析
y
x
图3 操作线示意图
空分下塔和粗氩塔一般操作线方程为
（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 。
2．4．2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，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
7
125000
5580．36
7073.536
产品氧气
4
24500
1093．75
30621.83
产品氮气
4
24000
1071．43
29996.93
再生污氮
4
20000
892．86
21621.21
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32～33℃，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28～29℃。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25000m3/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）/kpa
150
186.48
93.952
96.326
95.139
96.04
565
148
184.48
93.816
96.206
95.011
95.912
560
146
182.48
93.673
96.085
94.879
95.78
555
145
181.48
93.6
96.024
94.812
95.713
550
144
180.48
93.527
95.963
94.745
95.646
545
143
179.48
93.454
95.901
94.6775
95.5785
543
142
178.48
93.381
95.84
94.6105
95.5115
540
141
177.48
93.307
95.778
94.5425
95.4435
535
140
176.48
93.232
95.715
94.4735
95.3745
533
139
175.48
93.157
95.653
94.405
95.306
530
138
174.48
93.082
95.59
94.336
95.237
527
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
[1] 何耀文.深冷过程的有效能分析 [j]. 深冷技术,1981,（6）: 1～19
[2] 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．2003
[3] 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
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