大型空分设备选择内压缩还是外压缩流程的探讨

360 · 发表于 2011-4-22 12:20:30

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大型空分设备选择内压缩还是外压缩流程的探讨
倪剑刚
杭州杭氧股份有限公司，杭州东新路388号 310004
【摘要】文章介绍了采用内压缩流程技术的空分设备的特点，并从投资成本与运行费用两方面对内压缩流程与外压缩流程进行了比较，最后就冶金行业和化工行业选择哪一种型式的空分设备提出了建议。

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关键词：内压缩流程；外压缩流程；冶金型空分；化工型空分：投资成本；运行费用；比较
1 概述
当前由于冶金及化工行业的迅速发展，串分装置的订货量非常大。由于现在有许多新的技术应用到空分设备中，客户可以有多种选择，因而，如何选择合适的空分设备就非常重要。
从不同角度，空分设备有多种分类的方法。
首先，空分行业的主要用户大致可以分为冶金行业和化工(石化)行业，由于用户刈空分设备的气体产品的纯度及压力等指标各有典型的要求，所以空分设备也就有了所谓冶金型和化工型的区分。
按产品氧气的纯度来分，丰分设备可分为纯氧和低纯氧。
按空分设备的工艺流程来分，目前流行的分类法是采用外压缩流程与内压缩流程。
目前，国内新建的空分项日有部分是采用内压缩流程技术的，与以往国内用户的保守作风有所不同的是，现在有部分用户比较愿意采用内压缩这种新的串分流程。尽管用户选择何种工艺流程是出于自身需求的考虑，但是如果对空分行业的实际情况并不是了解得非常清楚的话，这种选择多少也带了一点盲目性。下面将刘内压缩流程空分的特性及内压缩与外压缩之间的优缺点比较做详尽的阐述，以供空分用户对工艺流程的选样进行参考。
2 内压缩流程的特点
内压缩流程是相刈于外压缩而言的。外压缩流程就是空分设备生产低压氧气，然后经氧压机加压至所需压力供给用户，也称之为常规空分。内压缩流程就是取消氧压机，直接从空分设备的分馏塔生产出中高压的氧气供给用户。该流程与常规外压缩流程的主要区别在于产品氧的供氧压力是由液氧在冷箱内经液氧泵加压并与高压空气进行热交换从而气化复热来达到的。
与外压缩流程相比，主要的技术变化在两个部分：精馏与换热。外压缩空分是由精馏塔直接产生低压氧气，再经主换热器复热出冷箱，而内压缩空分是从精馏塔的主冷凝蒸发器抽取液氧再由液氧换热，使其气化出冷箱作为产品气体。可以简单认为，内压缩流程是用液氧泵加上空气增压机取代了外压缩流程的氧压机。
的确，内压缩流程是一种新的技术，不过所谓新也只是相对于国内的空分行业而言。如同许多新技术一样，内压缩作为空分设备的一种技术最早是在发达国家出现的，国外早在20世纪80年代就有了内压缩流程空分设备，如我国80年代初从德国林德公司引进的镇海石化28000m3/h空分设备就采用了内压缩流程技术，尽管当时这套装置的净化系统还是使用切换式板式换热器技术而不是分子筛纯化系统。
在国外，内压缩流程技术的应用主要有以下三个因素：
(1)安全性考虑，空分行业对安全的要求是非常高的，外压缩是氧气在常温下以气体形式压缩，内压缩是液氧在低温下以液体形式压缩，这两种方式相对显然是内压缩的安全性要高一些。
(2)氧压机在设汁制造中需要考虑的安全因素较多，价格就非常昂贵，采有内压缩流程所需的液氧泵加上空气增压机的成本相应就低得多。
(3)国外空分行业多采用管道现场供气的方式, 也就是俗称的“卖气体”，气体公司的经营现场供气业务的同时，通常还出售大量的液体产品, 这样的情况下，内压缩流程空分就在运行成本上有较大的优势。
3 压缩与外压缩流程的比较
了解了内压缩流程是怎么回事后，我们就可以来比较内压缩与外压缩流程的不同。如果用户新建空分项目，最重要的考虑就是投资收益，下面就结合我国空分行业的实际情况，卞要从投资成本与运行费用两方面来进行比较。
3．1 投资成本
首先是投资成本，就是说如果上一个空分项目的话，内压缩和外压缩哪一种花的钱多，大致上，是以下几个部分的投资成本会不一样：
1．压缩机部分
就是内压缩的液氧泵加上空气增压机与外压缩的氧压机相比。在国外，认为采用内压缩流程的投资要合算很多，那是国外的行情。因为国外的氧压机非常非常昴贵，举例来说，相同规格的透平氧压机，进口的价格是国产价格的3到4 倍，而内压缩所需的空气增乐机的价格是相应国产氧透的1．5倍，至于液氧泵的成本相比而言几乎可以忽略不计。这么大的成本差距，在同外当然是要选用内压缩流程的空分了而在国内，情况正好相反。首先，外压缩的氧透完全可以采用国产，性能良好，价格低廉，日安全性能好。若采用内压缩的话，所需的空气增压机一般是要求进口机组，国产机组在性能等各方而还不能完全满足要求。这样，采用内压缩流程的空分没备的成本就高了，事实上，内压缩比外压缩高出的投资成本也主要在这个部分。
2．换热器部分
因为内压缩空分要用到中高压的板翅式换热器，会涉及到投资成本的变化。本来没必要考虑这部分的成本比较，因为国产的中高压换热器质量也相当可靠。不过几乎所有上内压缩空分项目的用户都对国内产品不太放心，所以就在这部分又增加了不少成本，就比例而言，会增加50％左右。
3．膨胀机部分
我们基本上可以认为相差不大，因为如果选用进口产品的活，通常只配一台，没有备机，而如果选用国产机组，会采川一用一备的方式，这样两者之间的成本差距就很小了。
4．阀门部分
内压缩空分有部分中高压的流路，相应刘阀门的要求也比较高，所以在这部分也会有一些增加的成本。
其余的部机和控制系统对于两种流程来说没有什么很大的不同，那么，从以上几点比较可以看出，由于涉及到机器设备的国产化能力的关系，对国内空分行业来说，外压缩空分比内压缩空分投资成本要低，与国外的情况相反。一般来说，一套内压缩空分设备的总价格会比同样的外压缩空分设备要高10％左右。
3．2 运行费用
运行费用主要小三大部分构成：运行能耗、备件及维护费用、操作维护人员的开支。我们只比较前两个部分。
1．运行能耗
虽然早有定论：“内压缩流程能牦略高。”不过还是要具体情况具体分析。空分设挤中液体产品(液氧、液氮和液氩总量)占气氧产品的比例对能耗的影响是很大的。一般可以认为8％左右的比例是一个分界点，低于这个比例以选用外压缩流程为宜，若高于这个比例采用内压缩流程就比较好了。而如果有客户准备新上的空分项目的这个比例正好在8%左右的话，就需要做仔细的力案比较然后再决定采用哪一种流程。
2．备件及维护费用
与外压缩流程相比，内压缩空分由于进口的机组设备和其它部件较多，则相应的备件和维护费用也会高一些。不过备件的备用和采购习惯每个客户都不一样，这里就不多说了。
3．3 安全性和可靠性
安全性与可靠性，足很重要的，是最根本的，轻则影响用户，亏空分有关的所有生产设备的正常运行，重则影响整体投资的成功与否。
1．安全性
前面讲到了在理论上内压缩流程字分的安全性高一些。相对而言外压缩空分的安全隐患主要在于主冷凝蒸发器内液氧中碳氢化合物的积聚和透平氧压机，前者可以通过在线监控和定时进行液氧安全排放来解决问题，至于后者，国产氧透的技术早已过关，绝对保证安全，也从来没有出过爆炸等恶性事故。可以说，经过多年的技术发展，外压缩流程空分的安全性是没有问题的。
2．可靠性
空分设备的运行可靠性就涉及到设缶质量、操作水平等各方面的因素。外压缩流程空分技术成熟，用户的操作也都很熟练，可靠性很好。内压缩流程相对来说要复杂一些，自动化控制的要求更高。举例来说，内压缩流程的空气增压机与热交换器及精馏塔密切相关，一旦出现故障或操作失误，通常会导致整套空分装置停车，这也是空气增压机多采用进口机组的原因，而外压缩窄分则不然，氧透的停车对空分设备的运行不会产生影响。评价可靠性牵涉的因素较多，刘可靠性的看法也是见仁见智，笔者认为，对国内多数用户而言，外压缩流程空分更容易操作是肯定的。
根据上面综合性的比较，似乎可以认为内压缩空分又昂贵能耗又高，很不合算。其实投资成本是与国产化能力密叨相关的，国产化能力高的话，投资成本就低，反之就高。当然如果客户的资金比较充裕的就可以少考虑一些投资成本方面的问题。外压缩空分在国内已有二十年的发展，工艺流程相当成熟可靠，可以实现完全国产化，投资成本低，同时其自身各方面的技术也在不断的进步，如近年来规整填料及全粘馏制氩技术的应用。在今后的若干年内，外压缩空分也是完全适应国内需要的。而内压缩空分，在目前情况下，更适用于特定的用户。
4 冶金行业对空分设备的选择
冶金行业对用氧压力的要求通常在2．0到 3．OMPa之间，无论是采用内压缩空分还是外压缩空分都可以实现。
根据不同的需要，内压缩空分可以有多种流程形式。目前国内制造的内压缩空分设备中比较典型的流程是膨胀空气进下塔的流程。这个流程的主要特点有两个：
(1)比较适合生产较大液体量
(2)氩的提取率是最高的。
现在国内冶金行业凡是订购内压缩空分设备都选用了一种流程，这些客户都有相同的需求：需要大量液体产品以供自己在满足生产的同时经营气体销售业务。
另外，这一种流程还有一个好处，就是原料空压机和空气增压机可以组合成一体机，这样对于进行生产；扩建而场地紧张的客户来说也具有非常大的吸引力。
而对于许多新上的炼钢项目来说，采购空分设备只是为了满足生产需要，还暂时没有考虑气体销售业务，这样的话客户就只需必要的液体产品作储存以供紧急备用，那么选用常规的外压缩空分没备就非常合理了。
5 化工行业对空分设备的选择
化工(石化)行业对用氧压力的要求一般比炼钢要高的多，低则4 OMPa，高的要到9．OMPa 以上，而其所需的制氧规模也非常大，动辄30000m3/h以上。这样一来，如果采用外压缩流程的话，常规的透平氧压机的排压就达不到要求，还要增加活塞式氧压机，投资成本就高了，占地也大，还增添了安全性问题。
那么采用内压缩流程的空分设备就是唯一的选择了。同晌，因为化工型的空分设备通常产品的结构比较复杂，要求同时生产多种压力等级的氧氮产品，这就需要根据具体的要求，进行多种方案的比较，如采用单泵还是双泵内压缩，是采用空气循环还是氮气循环，最佳的方案一定要遵循一次性投资成本利长期运行费用的最佳结合原则。
当然，如果客户对空分设备的要求不太复杂，娄似于冶金型的空分，那么按照通常的内压缩或外压缩来考虑都可以。
6 结束语
每一项新技术的应用都与相应的现实条件有关。时至今日，内压缩已经是完全成熟的空分工艺流程，国内的空分制造商也完全掌握了相关的技术，从空分设备成套供货的角度来说完全没有问题。另一方面，目前我国的透平机械制造业与国外同行相比还有较大的差距，在这样的情况下，可以说在一个关键的环节上国内的机械制造行业还没有做好内压缩空分设备的完全国产化的工作。而外压缩作为经过多年发展技术成熟的中分工艺，适用于绝大多数的需求。
用户在新建空分项目的时候，不同的空分设备制造商所推荐的方案都有其自身的利益考虑，我们应作多方考察，多进行技术交流和探讨。究竟选择内压缩还是外压缩，一定要根据自身的切实需求和国内设汁制造的实际情况来做决策，比如是只考虑生产需要还是要同时经营气体销售业务?是更关注投资成本还是运行费用?等等。
国外内压缩空分的全面发展是与国外的市场分工有着密切的关系的，制造成本，气体公司的经营策略等因素都起着决定作用。而国内的实际情况则相差很多。尽管目前国内内压缩空分应用的还不太多，不过应该说发展的空间还是很大的，只要一些关键环节得到解决，以及市场分工发生变化，内压缩空分也会得到迅速的发展。
以上是个人的一点浅见，不到之处还请各位行家指正。