俄罗斯深冷技术动态（上）

ihoneyguo

1. 概述
俄罗斯深冷机械制造股份有限公司是由伟大的科学家、著名学者、诺贝尔奖获得者——卡皮查院士（Peter L. KAPITSA）创建的。在1945年5月苏维埃政府决定成立全苏制氧研究所，卡皮查院士任所长并在巴拉希哈Balashikha建立了机械制造厂。在1993年通过股份制改造成立了俄罗斯深冷机械制造股份有限公司，简称”JSC”CRYOGENMASH（JSC深冷公司）。
& W+ l5 X1 ]' k  U* L# a2 s半个多世纪，JSC深冷机械公司参与了众多的低温大型项目的研究和低温装置的研制和开发，创造了多项世界第一，发明了转炉炼钢法的氧气注入技术、创造了发射装置用低温产品注入火箭燃料的大型系统、掌握了超导技术，在20世纪后半叶，所有的这些成果都促进了俄罗斯和世界低温工程的发展，并成为企业科技进步的里程碑。JSC深冷公司，具有高素质的科研力量，先进的试验基地，严格的质量保证体系，1994年公司全面通过了ISO9001国际质量认证。
2．低温法空分装置：
! m9 V/ E2 G& j6 e/ d3 D1932年林德公司开始使用膨胀机，空分装置压力下降，但是在推动低温法空分装置的发展更具重大意义的是1939年П.Л.卡皮查院士成功研制高效向心径轴流反动式透平膨胀机，故大家熟知的卡皮查循环诞生了。它为全低压制氧机制冷循环奠定了基础，一直沿用至今。
在JSC 深冷公司发展的58年间，制造了500多套空分设备，被广泛用于俄罗斯及其他国家，加工空气量3600～360000m3/h不等。
% s% K5 G0 c% Y( K. r# F（1）气态氧的生产设备
工艺用氧气的生产设备是JSC深冷公司首批研制的大型空分装置，这些工艺用氧气被用于冶金企业高炉炼铁和平炉炼钢中的增氧。БР-5和БР-1及其变型体对加快富氧冶炼过程实现生铁和钢产量增长有重要作用。60～70年代间，钢厂中使用的是JSC深冷公司制造的氧气产量35000m3/h的БР-2及其变型体БР-2М，以及当时世界上产量最高的Кт-70，其工艺用氧气产量接近70000m3/h。（见图“空分”）在这58年期间，中国鞍钢曾进口了БР-5型制氧机。
8 Y) }9 F: I6 g" E70年代以后黑色冶金行业开始使用高产的吹氧转炉法炼钢，这种方法要求制造生产高纯度氧气（氧气含量不低于99.5%）的大型空分设备。除此之外，转炉炼钢过程中钢的精炼还需要大量的氩气。1973年到1980年间JSC深冷公司制造出了50多台，工业氧气产量30000m3/h、氩气产量300m3/h的КАр-30。这之后由于出现需要大量高纯度氮气的新型轧钢工艺，所以制造了氧气产量32000m3/h、氮气产量35000m3/h、氩气产量500m3/h的三高纯度的制氧机КААр-32。
70年代研制的还有КА-5和КА-15的变型体КАА-15、АК-30等。这些设备不仅在冶金行业，在化学工业领域也被广泛利用。投入市场的这类设备总数超过130套。随着时间推移，产品结构更符合现代要求的АКАр-6逐步替代了КА-5。
) I; G- }/ B* Y' t80年代中期苏联氧气产量居世界首位：400亿m3/a。其中90%的氧气都是由JSC深冷公司制造的空分设备生产的。
' I' O  ~; }- m, c5 e与世界领先的低温公司，如德国林德、法国法液空、日本、美国普莱克斯、英国等，相比，在”JSC”深冷公司的性能参数如运行周期（服务年限）、安全性能（防爆性）等方面更为优良。
$ x6 K6 C0 c( |- }3 |
90年代初开始生产分子筛纯化增压膨胀流程的空分装置。流程见图一，流程的特点：
提取氧、氮、氩等高纯度产品，根据需要还提取氪、氙、氖、氦即全提取，氧气的提取率＞98%,氩气提取率＞80%；
在生产气态产品的同时也生产部分液态产品（产量为加工气体总量的2～3%）；
采用多轴离心压缩机压缩空气（等温效率达75%）；
% A8 G7 V5 n$ k' w, L采用氮水预冷器冷却压缩空气；
采用循环周期为3～4小时的双层分子筛吸附器净化空气，再生温度130～150 oC；
; P8 X0 A& K( P& N* _, n& a; I空气在大型板翅式换热器中深度冷却；
2 |7 d, f+ ~. n" M; R采用全精馏制氩；
, b6 e$ s7 T0 H2 D采用单位流体阻力比精馏塔低5～7倍的规整填料精馏塔；
7 G9 U+ i) U* ~8 z采用增压透平膨胀机制冷：绝热效率达87~88%；
. X; K$ E* @6 X' X  A采用计算机集散控制（DCS）l
3 U/ ~1 I% ?9 Z2 R# I0 H! ?$ ]1 }每立方米氧气的能耗在0.35～0.5kW*h/m3。（流程图见图1，图2）近几年还制造了内压缩流程的空分装置用于乌克兰。
6 J8 C5 o. Z. Q+ h4 Y1 a+ {( m) ~7 `目前''JSC''深冷公司制氧装置具有相当的竞争能力。
（2）气态氮的生产设备
/ {: ]" P) q2 t60年代初制造出Бр-6(АКт-16) 和Бр-9(АКт-17)型号的空分装置。其主要产品是氮气，用于合成氨的生产，工艺氧用于甲烷裂解。
60年代末70年代初开始制造专用产氮装置：首先是А-8，然后是А-6（ААж-6）。这些设备的主要特点是在不使用压缩机的前提下能够提供纯氮的压力为0.6～0.9兆帕。
А-8和А-6（ААж-6）在化学工业领域被广泛应用，分别制造了35台和28台。这些装置的优点是单塔精馏流程简单。但提取率仅为44%，实际运行条件下不超过42%～43%。
90年代初为进一步完善制氮装置，利用计算机对不同工艺系统方案进行了热力学计算及优化分析。分析结果表明，流程和设备稍有改进就可使氮提取率的明显升高（达到超出60%）。
0 q7 \6 ~! w# j. v分析结果表明，采用双塔精馏，氮返流低温泵，直流空气膨胀机所组成的流程，与旧流程相比（ААж-6型）氮提取率提高35%~40%，单位能耗降低20%~25%。
* f' m& A% m. v) \  y; e, K6 F- ~在用户需要压力不超过0.5兆帕的氮时，采用由双塔精馏、氮返流低温泵、产品氮的膨胀机组成的循环可以获得与上述流程相同的效果。这种流程可保证氮回收率在0.6以上，而且该流程是所有循环流程中单位能耗最低的（0.16～0.17kW*h/m3）。上述这两种流程均得到了俄罗斯联邦的专利。
90年代中期JSC深冷公司的产氮设备均按照改造后的新流程设计制造。
（3）液态空分产品的生产设备
- C9 f# ^' w, `- e+ T7 f1 [随着宇宙火箭技术的飞速发展和超导领域需求，深冷机械设计制造了大型空分装置、氧液化器、氮液化器、氦液化器等低温液化设备。
7 [# d( O" k6 p5 nКжАжАрж-6设备（6000kg/h液氧，1670kg/h液氮，290kg/h液氦）采用中压空气循环和中压低温氮循环回路（3兆帕）。
Аж-5（5000kg/h液氮）采用的是双压循环系统：低压循环（0.88兆帕），中压低温氮循环（3兆帕）。ААж-6设备采用低压系统。
1993年1月JSC深冷公司科学技术委员会决定实施新型全液化空分装置的设计方案。该方案的基础是由高效ПРТ（既适用于空气低压，又适用于循环氮的中压）。采用双级低温氮压缩机。双级压缩机的功能是将透平压缩机后的循环氮压缩到5～6兆帕。一种是将空分流程和低温循环合为一体，它们拆分后不能独立运行。但这种方案的热力学效率较高。另一种是低压空分设备与氮液化系统连接，分开后仍能各自独立工作运行。这种方案设备制造简单，但其能耗量比第一种方案高10%~15%。在1995年研制的专用空分设备КжАжАрж-1.5/1.5（1500kg/h液氧，1500kg/h液氮，70kg/h液氦）。
根据预测，液态产品的应用领域进一步扩大。液化装置正在俄罗斯推广。因此，液态产品产量40～120吨/昼夜的全液化空分装置正在广泛运用。
（4）新一代中小型空分装置
苏联解体、经济体制改革等原因导致氧气机械制造行业性的解体。现在俄罗斯境内有1600多个中小型空分设备处于运行中，其中绝大部分设备已接近设计的使用寿命，而需要更新，因此现在JSC深冷公司面临着迫切需要解决新一代中小型空分装置的制造问题。
: }/ \- d/ ?. i! v, g! c9 X1995年5月召开的深冷机械科学技术委员会上讨论了制造中小型空分设备的问题。现已生产出采用分子筛净化，规整填料精馏塔，气体轴承或磁支撑透平膨胀机，运转周期达1年或更长，大修后设备的工作年限达8年以上的新规格系列产品：低温空分设备АКАр（氮＝氧＝300，600，1000，1500 m3/h），ААЖ（氮＝200，650，1200，2000，3000，5000 m3/h），Кж（液氧＝80，200，400，700 kg/h），Аж（液氮＝80，200，400，700 kg/h），Кд（高压氧＝150，250，500 m3/h），中压КжАжАрж（液氧+液氮+液氩＝200，500，1000，1500，2000 kg/h）。
$ D3 B8 g5 ?. y4 Q3．天然气的液化及分离工艺
环境和能源问题是与人类密切相关的两个重要问题。由于作为传统能源的石油储量逐渐枯竭的今天，天然气在本世纪是石油的重要替代能源。1 标准立方米（ 0.716kg）的气体可以替代1.0～1.2升的汽油。
2 s/ a& {. [2 R/ a) F) o( f天然气的贮运有两种形式。天然气在气态形式下开采出来，压缩到7.0～8.0MPa后通过管道输送。另一种就是将天然气冷却到111～135K液化。在产地液化，然后用船运抵指定码头，经贮罐分装、气化后通过输气管道输送给用户。
（1）天然气的液化
从1984年JSCCRYOGENMASH开始制造天然气液化装置、液化天然气贮罐、液化天然气槽车和再气化装置，（天然气液化装置图）。
7 E9 M: h# a' K) \% V依天然气成分不同，装置的用途，产量，安装地，以及用户对压力、温度的要求不同，而有不同类型和形式，JS深冷公司可以依据用户的要求设计制造各种类型的液化装置。JSC深冷公司在天然气液化设备中通常使用下列制冷循环：
a) 节流循环；
: N8 r5 ?8 k) S7 T0 v5 yb) 中压膨胀制冷循环
, d  p8 f! c+ N# l( |# Ic) 使用纯制冷剂的复叠式制冷循环
1 c) N" n! V7 v  j! ~d) 使用混合制冷剂的单流向复叠式制冷循环
e) 上述各类循环的综合
由于中压膨胀循环和混合制冷剂循环的循环效率高，所以比较常用。使用混合制冷剂（氮，甲烷，乙烷，丙烷，丁烷等）的复叠式循环广泛地应用于大型天然气液化装置如：3000kg/h（型号ОП-3.0）及10000 kg/h（型号ОП-10），使用中压膨胀机膨胀的制冷循环的液化装置分别为：500kg/h（型号ОП-0.5）、1000 kg/h（型号ОП-1）、2500 kg/h（型号ОП-2.5）的天然气液化设备。
' K. `/ @' m6 d, J4 i3 }$ s在ОП-3.0液化装置中，除了使用混合制冷剂的制冷部分外，还包括预冷和精馏部分。预冷部分用冷凝法清除压缩气体中所含的压缩机机油，精馏部分是从天然气液化过程中提取乙烷、丙烷、丁烷、戊烷，形成不同成分的混合制冷剂。研制过程中解决了由平衡常数不同的成分组成的多元混合物的传热和精馏计算问题以及工程计算问题并申请了专利。
JSC深冷公司设计和制造了与天然气液化装置相配套的贮槽，槽车运输以及分装系统，例如СХП-1000/0.5体积1000m3，高效真空绝热贮槽РЦГ-250/0.5，低温运输贮槽ЦТК-25/0.6（25m3）和ЦТК-8/0.6（8m3）采用高效真空屏式绝热，可在7~10昼夜内无排放输送液化天然气。
在运输行业中，液化天然气可以作为汽车，火车，飞机的发动机燃料。液化天然气：价格低廉，排放废气中的有害气体少，环保，发动机使用寿命可以延长1.5倍，燃料用量降低30%～40%，而且不需要对内燃机，包括柴油内燃机的结构进行改造，只需要替代燃料系统。
JSC深冷公司，为汽车加气站研制了500kg/h的液化天然气装置用8m3运输贮槽向汽车制造厂送液化天然气，并为“卡玛斯”（КамАЗ）、“季尔”(ЗИЛ)、“嘎泽拉”(Газель)型汽车研制了专用低温贮罐这种贮罐，可以保存燃料10～15个昼夜。
& Y+ Q% o; W# J8 i2 k! T6 wJSC深冷公司在上个世纪90年代针对内燃机车已经研制生产了，液化天然气贮存及气化系统型号为ПГХК-50-1.3/1，系统有两个总容积50m3的液化天然气贮罐，整个系统安装在专用车厢内。
在航空领域，JSC深冷公司参与俄罗斯联邦政府下达的“关于制造使用液化天然气的发动机НК-89的客货飞机Ту-156”的研制任务。JSC深冷公司为莫斯科航空枢纽“拉蒙斯克”（Раменское）和“多莫杰多沃”（Домодедово）机场供应液化天然气的装置。 [br]目前，液化天然气作为导弹燃料的开发和研制工作也正在积极进行中。 此外，建立配套设施将液化天然气气化是放出的冷量用于食品冷冻保存，工业冰箱及补充空分装置冷量等方面。
+ k: q; p# i" I  Q7 X（2）天然气分离
天然气成分除CH4外通常还有氦、乙烷、丙烷、丁烷等。
9 N8 X' x! D; \JSC深冷公司为萨哈共和国（雅库特）制造了天然气提取氦并液化的装置。此装置为日本和韩国供应液氦。
当天然气中丙烷-丁烷的含量超过1%（体积比）时，提取工业丙烷-丁烷经济效益可观。JSC深冷公司制造的分离装置丙烷的提纯率不低于75%，丁烷的提取率则接近100%。为中亚地区塔什干和乌尔根奇（乌兹别克斯坦）等制造了天然气提取丙烷-丁烷和液态汽油的设备。莫斯科石油加工厂的废气中包括大量的氢、丙烷、丁烷、气体汽油等，JSC深冷公司也制造了低温分离装置，并为托博尔斯克石油化工厂、古比雪夫石油加工厂、安加尔斯克州石油化工厂等企业作出废气处理的方案。