介绍分期变负荷型高氮装置设计要点，质量控制，运行调试
一、前言
筛板塔的高氮装置的操作弹性为75～110%，当用户的实际用氮量少于75%是靠产品气放空来维持整个装置的稳定运行。这就使得用户实际用氮的能耗增加，如何提高整套装置的操作弹性就显得很重要了。
二、变负荷高氮装置使用环境
根据用户的询价信息以及与用户的充分沟通，对变负荷型高氮装置的具体要求有了一定的认识。
第一种是最终用户的项目分两到四期投产，每期投产需1～2年，装置的用氮量也会跟着越来越大；分两期投产的用氮量为每期50%，分三期投产的用氮量为每期33%，分四期投产的用氮量为每期25%，并且每期的用氮量完全一样；这种情况有些用户按一期的产量上几套相同的高氮装置，有的用户按总产量上一套高氮装置通过产品放散来实现；
第二种情况是最终用户用气比较特殊，一段时间用气量大，一段时间用气量小，成周期性变化且周期较长。这种情况有些用户按小气量上一套高氮装置来满足气量小工况，同时采用液氮汽化来补充高氮装置满足用气量大工况；也有用户采用一套大气量装置直接满足气量大工况，通过减负荷并放散部分产品来实现气量小工况；也有用户按平均使用量来上高氮装置，气量小工况时将多余的氮气经氮压机加压储存，气量大工况时将加压氮气释放补充到产品中。
第二种情况不同用户方案差别较大，气量的变化大小、周期长短、液体价格、周边液体市场、装置投资以及能效比均需要考虑，进行综合评估确定可靠的技术方案。第一种情况相对简单，主要因素是投资价格、电耗。本文以第一种情况（四期项目）为例进行设计理念阐述，并将实际运行的装置与同行分享。
三、分期变负荷高氮装置流程叙述
分期变负荷高氮装置的主要配置为空气过滤器（AF1001）、空压机（C1001）、预冷机（RU1101）、吸附器（MS1201和MS1202）、电加热器（E1201）、消音器（SL1201）、主换热器（E1）、过冷器（E2）、氮精馏塔（C1）、冷凝蒸发器（K1）、膨胀机（EXP1）。
空气进入AF1001，滤去尘埃和机械杂质，进入C1001进行压缩，经末级冷却器冷却到约40℃后进入RU1101，冷却到8℃后进入纯化系统（主要有MS1201、MS1202、E1201、SL1201和阀门、管件等组成）；出RU1101的空气进入用来吸附除去水份、二氧化碳、碳氢化合物的纯化系统；纯化系统中的MS1201和MS1202为两台立式容器组成，均采用双层床结构，当一台运行时，另一台则由来自冷箱系统（主要有E1、E2、C1、K1、EXP1和阀门、管件等组成，见虚线框内部分）的部分富氧空气通过E1201加热后进行再生，再生后的富氧空气和冷箱系统来的其余部分富氧空气汇合后进入SL1201放空。
来自纯化系统的空气进入冷箱系统内的E1被返流气体（富氧空气和氮气）冷却到露点的空气进入C1的底部进行精馏。在C1中，上升气体与下流液体在塔板上充分接触，传热传质后，上升气体中氮的浓度逐渐增加，在C1的顶部抽出部分氮气经E1复热后作为产品氮气供用户，C1顶部的其余氮气进入C1顶部的K1被冷凝成液氮后除部分作为液氮产品外其余作为C1的回流液返回C1参加精馏，在C1底部产生的富氧液空被K1返回的富氧空气经E2过冷，节流后进入K1为C1提供冷量（将C1顶部的氮气冷凝成液氮）；在进入K1中的气氮被冷凝成液氮的同时，节流后进入K1中的富氧液空被汽化为富氧空气，富氧空气经过E2复热后进入E1被复热后到适当温度后再送入膨胀机进行膨胀制冷，膨胀制冷后的富氧空气再返回E1被复热后进入纯化系统。
四、分析找出高氮装置变负荷的瓶颈
装置中管道、切换阀、截止阀一般对变负荷的不是很敏感，空气过滤器（AF1001）对变负荷同样也不敏感，换热设备（E1、E2、K1）在工况变小时复热会更好（温差会自动减小）；C1001、RU1101、MS1201/MS1202、E1201、EXP1、C1、节流阀对变负荷非常敏感，以下就各设备进行分析。
1）空压机一般有三种形式，无油离心式压缩机的操作为75~105%、价格较贵、适用于大型机组，无油活塞式压缩机原则上不能调负荷、价格非常便宜、适用于小型机组，无油螺杆式压缩机调负荷能力较小、价格较贵、适用于中小型机组。并且在相同气量下，采用四台无油活塞压缩机与采用
一台无油活塞机价格相差不大，而四台无油离心式或螺杆式压缩机比单台价格要高2～3倍。经过综合评估采用四台无油活塞式压缩机来满足用户的需求。
2）预冷常规有两种形式，活塞式预冷机适用于中小型机组，调节范围较小（75%～100%），一般采用多机头（同规格）形式来满足大范围的负荷调节，价格较低；螺杆式与冷剂适用于大型机组，调节方位较大（50%～100%），价格较高。本方案采用四个机头的活塞式预冷机来达到用户的工况。
3）气量减小对吸附器的吸附工况没有影响，但是再生气量减小首先是再生不彻底，再者气量减少电加热器出口温度会升高。一般空分装置的再生气量为加工气量的20%，高氮装置的再生气量为加工气量的30%。以100Nm3/h的加工空气量、空氮比按2.5:1进行分析计算。
根据上表数据，只有25%工况下再生气量不能满足；这是可以利用吸附器的吸附量总量不变特性，当处理量减少时延长吸附时间和加温再生时间，这样也能保证再生彻底。
4）电加热器在气量减少时会导致出口温度偏高，为了解决这个问题可以将电加热器的电加热管进行分组；本文四期项目可将电加热管分成两组、也可分成三组和四组来满足变负荷的需要。
5)膨胀机的制冷效率和制冷量在变负荷（减负荷）是如何保证显得很重要，一般膨胀气量的设计点为100%时，在70%～130%负荷之间膨胀机的效率基本保持不变；本文四期项目中将设计点定位77%，这样在54%～100%负荷之间膨胀机的效率保持不变。根据表1数据也只有25%工况不能满足要求，这是又可利用膨胀机的高温高焓降（膨胀机的进口温度提高制冷量增加）特性和换热器（E1）在小气量下换热更充分（复热更彻底，温差更小）的结果来满足25%工况下的冷量平衡。
6)氮精馏塔一般采用筛板塔或规整填料塔，筛板塔的操作弹性理论上为2～4，实际装置中一般控制在1.5；规整填料塔操作弹性理论上为5.1【2】，实际装置中一般控制在2。采用筛板塔25%工况和50%工况的分离效率不能满足要求，采用规整填料塔只有25%工况难以满足。故而决定采用规整填料方案，同时与天津大学进行沟通如何保证25%工况能够很好运行，最后确定采用特殊（专门设计）液体分布器结构来满足小工况下气液充分接触，确保换热换质效率。
选择长阀芯的节流阀门来满足操作需要，选择不到长阀芯的节流阀就要求阀门厂家开发出满足要求的特殊节流阀。
五、合理选择设计方案
1.本项目按四期投产设计，整个高氮装置的设计点按100%，校核四期的负荷分别为25%、50%、75%、100%；工艺上能够满足要求。同时进行系统的物料平衡和冷量平衡核算也能达到预期效果。
2.空压机采用四台无油活塞式；预冷机选用活塞式四机头结构形式；吸附器根据操作工况调整切换周期，电加热器采用分组（分为四组）设计；要求膨胀机厂家在低负荷是尽量保证膨胀机的效率；节流阀采用特殊结构来满足流量的大范围调节；精馏塔采用特殊设计，用高效的规整填料代替筛板，要求填料厂家设计特殊的液体分布器来满足低负荷工况，使得所有单元设备均能在低负荷下正常运行。
若上多套设备投资会增加很多，操作维护比较麻烦，同时占地面积也会很大；使用液氮汽化能耗明显增加（一般液氮的能耗是气氮产品能耗的3～4倍）；采用放散方式不符合节能减排要求。
4.装置停车后4-6小时再启动到产品纯度达标一般需要1～2小时，时间显得较长。
鉴于以上原因和理论分析开发出分期变负荷高氮装置来满足分期投资用户的需要。首套用户为内蒙古1 600Nm3/h（每期400Nm3/h共四期）高氮装置。
六、分期变负荷调试结果
1.经过设计、生产制造、现场安装，最终调试出了合格的氮气。
注：*的能耗是根据设计计算得出，由于用户的用气变化，首期用氮大约800Nm3/h，故而检测时只能测50%工况和75%工况以及100%工况；检测25%的工况会影响用户的正常生产，故而没有检测25%工况。筛板塔高氮装置的耗电是根据设计计算得到。
**的耗电量是根据筛板塔高氮装置75%算得，小于75%的负荷是靠产品气放空来实现的。
2.100%工况和75%工况节能1.2%，50%工况节能26.8%，25%工况没有检测，根据设计计算数据可节能63%。
3.装置调试完成后又承接了一套3 000 Nm3/h高氮装置，要求前3年只产800Nm3/h氮气，最大产量为3 300Nm3/h氮气，原料空气由管网提供。根据首套装置的经验，半年后装置建成，顺利调试出800Nm3/h氮气，空氮比控制在2.5以内；两年后用户的氮气用量达到3 000 Nm3/h，调整工况后系统稳定，同时用户按3 300 Nm3/h氮气产品进行装置调试也能稳定运行。
七、结论
针对新的课题敢于创新思路，对系统中的每一个细小单元进行分析，找出制约因素；针对每个细小问题找到合理有效的解决方案；通过实实在在的装置来检验方案的合理性。
筛板塔的高氮装置的操作弹性为75～110%，当用户的实际用氮量少于75%是靠产品气放空来维持整个装置的稳定运行。这就使得用户实际用氮的能耗增加，如何提高整套装置的操作弹性就显得很重要了。
二、变负荷高氮装置使用环境
根据用户的询价信息以及与用户的充分沟通，对变负荷型高氮装置的具体要求有了一定的认识。
第一种是最终用户的项目分两到四期投产，每期投产需1～2年，装置的用氮量也会跟着越来越大；分两期投产的用氮量为每期50%，分三期投产的用氮量为每期33%，分四期投产的用氮量为每期25%，并且每期的用氮量完全一样；这种情况有些用户按一期的产量上几套相同的高氮装置，有的用户按总产量上一套高氮装置通过产品放散来实现；
第二种情况是最终用户用气比较特殊，一段时间用气量大，一段时间用气量小，成周期性变化且周期较长。这种情况有些用户按小气量上一套高氮装置来满足气量小工况，同时采用液氮汽化来补充高氮装置满足用气量大工况；也有用户采用一套大气量装置直接满足气量大工况，通过减负荷并放散部分产品来实现气量小工况；也有用户按平均使用量来上高氮装置，气量小工况时将多余的氮气经氮压机加压储存，气量大工况时将加压氮气释放补充到产品中。
第二种情况不同用户方案差别较大，气量的变化大小、周期长短、液体价格、周边液体市场、装置投资以及能效比均需要考虑，进行综合评估确定可靠的技术方案。第一种情况相对简单，主要因素是投资价格、电耗。本文以第一种情况（四期项目）为例进行设计理念阐述，并将实际运行的装置与同行分享。
三、分期变负荷高氮装置流程叙述
分期变负荷高氮装置的主要配置为空气过滤器（AF1001）、空压机（C1001）、预冷机（RU1101）、吸附器（MS1201和MS1202）、电加热器（E1201）、消音器（SL1201）、主换热器（E1）、过冷器（E2）、氮精馏塔（C1）、冷凝蒸发器（K1）、膨胀机（EXP1）。
空气进入AF1001，滤去尘埃和机械杂质，进入C1001进行压缩，经末级冷却器冷却到约40℃后进入RU1101，冷却到8℃后进入纯化系统（主要有MS1201、MS1202、E1201、SL1201和阀门、管件等组成）；出RU1101的空气进入用来吸附除去水份、二氧化碳、碳氢化合物的纯化系统；纯化系统中的MS1201和MS1202为两台立式容器组成，均采用双层床结构，当一台运行时，另一台则由来自冷箱系统（主要有E1、E2、C1、K1、EXP1和阀门、管件等组成，见虚线框内部分）的部分富氧空气通过E1201加热后进行再生，再生后的富氧空气和冷箱系统来的其余部分富氧空气汇合后进入SL1201放空。
来自纯化系统的空气进入冷箱系统内的E1被返流气体（富氧空气和氮气）冷却到露点的空气进入C1的底部进行精馏。在C1中，上升气体与下流液体在塔板上充分接触，传热传质后，上升气体中氮的浓度逐渐增加，在C1的顶部抽出部分氮气经E1复热后作为产品氮气供用户，C1顶部的其余氮气进入C1顶部的K1被冷凝成液氮后除部分作为液氮产品外其余作为C1的回流液返回C1参加精馏，在C1底部产生的富氧液空被K1返回的富氧空气经E2过冷，节流后进入K1为C1提供冷量（将C1顶部的氮气冷凝成液氮）；在进入K1中的气氮被冷凝成液氮的同时，节流后进入K1中的富氧液空被汽化为富氧空气，富氧空气经过E2复热后进入E1被复热后到适当温度后再送入膨胀机进行膨胀制冷，膨胀制冷后的富氧空气再返回E1被复热后进入纯化系统。
四、分析找出高氮装置变负荷的瓶颈
装置中管道、切换阀、截止阀一般对变负荷的不是很敏感，空气过滤器（AF1001）对变负荷同样也不敏感，换热设备（E1、E2、K1）在工况变小时复热会更好（温差会自动减小）；C1001、RU1101、MS1201/MS1202、E1201、EXP1、C1、节流阀对变负荷非常敏感，以下就各设备进行分析。
1）空压机一般有三种形式，无油离心式压缩机的操作为75~105%、价格较贵、适用于大型机组，无油活塞式压缩机原则上不能调负荷、价格非常便宜、适用于小型机组，无油螺杆式压缩机调负荷能力较小、价格较贵、适用于中小型机组。并且在相同气量下，采用四台无油活塞压缩机与采用
一台无油活塞机价格相差不大，而四台无油离心式或螺杆式压缩机比单台价格要高2～3倍。经过综合评估采用四台无油活塞式压缩机来满足用户的需求。
2）预冷常规有两种形式，活塞式预冷机适用于中小型机组，调节范围较小（75%～100%），一般采用多机头（同规格）形式来满足大范围的负荷调节，价格较低；螺杆式与冷剂适用于大型机组，调节方位较大（50%～100%），价格较高。本方案采用四个机头的活塞式预冷机来达到用户的工况。
3）气量减小对吸附器的吸附工况没有影响，但是再生气量减小首先是再生不彻底，再者气量减少电加热器出口温度会升高。一般空分装置的再生气量为加工气量的20%，高氮装置的再生气量为加工气量的30%。以100Nm3/h的加工空气量、空氮比按2.5:1进行分析计算。
根据上表数据，只有25%工况下再生气量不能满足；这是可以利用吸附器的吸附量总量不变特性，当处理量减少时延长吸附时间和加温再生时间，这样也能保证再生彻底。
4）电加热器在气量减少时会导致出口温度偏高，为了解决这个问题可以将电加热器的电加热管进行分组；本文四期项目可将电加热管分成两组、也可分成三组和四组来满足变负荷的需要。
5)膨胀机的制冷效率和制冷量在变负荷（减负荷）是如何保证显得很重要，一般膨胀气量的设计点为100%时，在70%～130%负荷之间膨胀机的效率基本保持不变；本文四期项目中将设计点定位77%，这样在54%～100%负荷之间膨胀机的效率保持不变。根据表1数据也只有25%工况不能满足要求，这是又可利用膨胀机的高温高焓降（膨胀机的进口温度提高制冷量增加）特性和换热器（E1）在小气量下换热更充分（复热更彻底，温差更小）的结果来满足25%工况下的冷量平衡。
6)氮精馏塔一般采用筛板塔或规整填料塔，筛板塔的操作弹性理论上为2～4，实际装置中一般控制在1.5；规整填料塔操作弹性理论上为5.1【2】，实际装置中一般控制在2。采用筛板塔25%工况和50%工况的分离效率不能满足要求，采用规整填料塔只有25%工况难以满足。故而决定采用规整填料方案，同时与天津大学进行沟通如何保证25%工况能够很好运行，最后确定采用特殊（专门设计）液体分布器结构来满足小工况下气液充分接触，确保换热换质效率。
选择长阀芯的节流阀门来满足操作需要，选择不到长阀芯的节流阀就要求阀门厂家开发出满足要求的特殊节流阀。
五、合理选择设计方案
1.本项目按四期投产设计，整个高氮装置的设计点按100%，校核四期的负荷分别为25%、50%、75%、100%；工艺上能够满足要求。同时进行系统的物料平衡和冷量平衡核算也能达到预期效果。
2.空压机采用四台无油活塞式；预冷机选用活塞式四机头结构形式；吸附器根据操作工况调整切换周期，电加热器采用分组（分为四组）设计；要求膨胀机厂家在低负荷是尽量保证膨胀机的效率；节流阀采用特殊结构来满足流量的大范围调节；精馏塔采用特殊设计，用高效的规整填料代替筛板，要求填料厂家设计特殊的液体分布器来满足低负荷工况，使得所有单元设备均能在低负荷下正常运行。
若上多套设备投资会增加很多，操作维护比较麻烦，同时占地面积也会很大；使用液氮汽化能耗明显增加（一般液氮的能耗是气氮产品能耗的3～4倍）；采用放散方式不符合节能减排要求。
4.装置停车后4-6小时再启动到产品纯度达标一般需要1～2小时，时间显得较长。
鉴于以上原因和理论分析开发出分期变负荷高氮装置来满足分期投资用户的需要。首套用户为内蒙古1 600Nm3/h（每期400Nm3/h共四期）高氮装置。
六、分期变负荷调试结果
1.经过设计、生产制造、现场安装，最终调试出了合格的氮气。
注：*的能耗是根据设计计算得出，由于用户的用气变化，首期用氮大约800Nm3/h，故而检测时只能测50%工况和75%工况以及100%工况；检测25%的工况会影响用户的正常生产，故而没有检测25%工况。筛板塔高氮装置的耗电是根据设计计算得到。
**的耗电量是根据筛板塔高氮装置75%算得，小于75%的负荷是靠产品气放空来实现的。
2.100%工况和75%工况节能1.2%，50%工况节能26.8%，25%工况没有检测，根据设计计算数据可节能63%。
3.装置调试完成后又承接了一套3 000 Nm3/h高氮装置，要求前3年只产800Nm3/h氮气，最大产量为3 300Nm3/h氮气，原料空气由管网提供。根据首套装置的经验，半年后装置建成，顺利调试出800Nm3/h氮气，空氮比控制在2.5以内；两年后用户的氮气用量达到3 000 Nm3/h，调整工况后系统稳定，同时用户按3 300 Nm3/h氮气产品进行装置调试也能稳定运行。
七、结论
针对新的课题敢于创新思路，对系统中的每一个细小单元进行分析，找出制约因素；针对每个细小问题找到合理有效的解决方案；通过实实在在的装置来检验方案的合理性。
责任编辑：朱振杰
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