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发表于 2021-10-9 08:16:28
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我几年前发表的一篇空分液体产品成本估计的文章,文字部分copy here,但图和表可能无法copy/ H; j, [- n' Y
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空分设备液体产品的成本估计和生产策略) B( S# ]* ^4 i4 `. A ^2 [8 n. c
' Q% F* h* Z; b+ U8 }7 E6 Y6 A7 f
摘要:估计了在内压缩流程空分设备中生产3.0MPa氧气、液氧和液氮等产品的边际成本,提出应根据低温液体产品市场,结合空分设备的实际运行情况,来合理安排液氧和液氮等产品的生产。$ y$ v; Q& E0 B( ~- t% g
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关键词:空分设备;液氧;液氮;边际成本;生产策略
( U( x+ N+ e! K5 b9 V/ g3 ?) t4 {
, ^1 _2 T E3 `, V8 ^( R: X一般空分设备的主产品是氧气和氮气,而副产品有液氧、液氮和液氩等,主产品氧气和氮气供应固定客户,使用量取决于用户。副产品液氧和液氮除了贮存起来备用,应付空分设备的非计划停车之外,多余部分还能外销供应市场,而外销量可以有一定弹性。如果能根据低温液体产品市场的价格,结合空分设备的实际运行情况,合理调整液氧和液氮等的产量,就有可能取得较好的经济效益。8 t! t- ^3 f+ ^" H$ X3 a9 p
以下先估计空分设备的液体产品成本。3 K4 x. M7 E8 Z5 j1 F2 C, J
1 “一般空分液化设备”的产品成本估计
$ m" G9 t- G7 |! {& Z, Z“一般空分液化设备”包括各种空分设备和氧、氮液化装置等,但这里主要是指效率较高的进口设备。
1 t" ~) e# _2 A' b5 j+ C* o2 v8 G; t C1.1 液氮成本估计2 }4 Z7 h' U8 h9 K/ S( q
查相关资料或用软件容易计算出,在环境温度为300K时,液氮的最小液化功大约是0.27kWh/m3,而据林德公司的研究结果,空分设备中液化氮气和氧气产品的火用效率大约是50%左右,所以液氮产品的实际液化功大约是:/ u" u2 I! y* ]
0.27÷50%=0.54kWh/m3. b7 b; t6 B6 J# ]2 ^2 I5 }9 c
1吨液氮合800m3,如果电价是0.65元/kWh,那么液氮的生产成本是:
% r% q# z$ B. T6 y800×0.54×0.65≈281(元/吨)
( Q* `, ~# |1 y( O多数空分设备的低压氮气产品都有富裕,因此液氮的生产成本中没有计入低压氮气的生产成本,而且以上计算中没有考虑设备折旧费用等。9 [4 g8 F% g% s; ~2 b$ A
如果要销售液氮,还要考虑有5%左右的损耗率,这样销售液氮的成本就是:
+ T& _! J0 l7 ^" K7 ]281÷0.95≈296(元/吨), D. ]; E/ y6 L
即液氮边际成本大约是300元/吨左右。" U7 y7 h4 S! M1 d! ^( i' F
应该说,液氮成本还与空分设备具体流程以及空气增压机和膨胀机效率等有关,也与环境温度有一定关系,机器效率高,环境温度低,液氮成本就要降低一些。但一般来说,如果液氮销售价格低于300元/吨,那么多生产液氮来销售就基本上无利可图,很可能只是成本价罢了,有时还不如适当减少膨胀机制冷量,这样空气增压机的功率还能降下来一些,氧和氩的提取率也能高一点。) L) [8 x3 w+ H9 B
实际上,市场液氮价格很少会低于300元/吨,这是由于一旦液氮价格接近于成本价,部分效率较低的液氮生产设备会首先减产或停产,这样市场液氮供应量减少后,液氮价格又会反弹。
, i9 q' j: }0 ^8 I, z1.2 液氧成本估计
' h/ J+ z8 c+ K在氧气没有放空时,要多生产液氧产品,必须首先增加空压机的压缩空气量。空气中氧含量0.2095,如果要增加1m3低压氧气,那么空压机的压缩空气量大约需要增加:" |% V6 E0 p( ^& a2 \
1÷0.2095≈4.77m3。$ X5 T8 g, `/ y( Y, p, @2 }
假定空压机的压缩比是5.5,利用林德公司估计气体节流损失的一个半经验公式,可以计算出要增加1m3低压氧气,空压机电耗需要增加:# B1 _+ ? a0 A4 q y# x
4.77÷10×log(5.5)≈0.35kWh/m3+ q4 L, w5 [ W0 y5 Y% b/ Z' Z1 l
环境温度300K时,液氧的最小液化功大约是0.25kWh/m3,实际液化功可以按0.5kWh/m3计,这样液氧的生产电耗是:
6 g+ C- }/ r5 k. G1 F0.35+0.5=0.85kWh/m3
' n9 o" x. h+ ^5 W! w! V/ U8 b1吨液氧合700m3,电价0.65元/kWh(循环水费用折算到电价中),则液氧的生产成本就是: F& K6 | z3 z: k$ S$ `) T- ]! @) b! p
700×0.85×0.65≈387(元/吨)2 Y8 E; l1 H5 P; H4 @. {/ n& r6 }: S
液氧产品损耗率通常比液氮小一点,如果以液氧损耗3%计,那么销售液氧的成本是:
. k$ p) a) E4 ~) l9 B; _* p387÷0.97≈399(元/吨)/ Z$ @$ F. @. B) S' \3 C
即液氧边际成本大约是400元/吨左右。事实上,市场液氧价格也很少会低于400元/吨,原因同液氮。- C: _! d5 t9 i+ o m
1.3 3.0MPa氧气生产成本估计
' ?0 B6 K, E5 v% n3 w* }* m) t0 A以上已经计算出,低压氧气生产电耗0.35kWh/m3,而3.0MPa氧气的压缩电耗是:- Z9 s/ O0 @2 e5 {# i, k
1÷10×log(30)≈0.15kWh/m3
* A/ G5 y, `2 z1 R: j电价0.65元/kWh,则3.0MPa氧气生产成本是:( a0 q% V* w$ p% p8 b
(0.35+0.15)×0.65=0.325(元/m3)≈228(元/吨)
% P9 E8 I* ~0 o9 a3 R即3.0MPa氧气生产的边际成本大约是230元/吨左右。0 \' p/ G' j2 [% i0 B
需要说明的是,这里讨论氧气和液氧的边际成本时,没有考虑空气中氩的价值,或许这种方法更适用于不提氩流程。空分设备提氩时,由于氩产品能分摊掉部分成本,氧气和液氧的边际成本有可能降低一些。
# }3 W b' H3 `2 具体空分设备的产品成本估计
) W% v9 |2 r4 @( o2 `& ]3 X6 s3 b内压缩流程空分设备变工况运行时,主要是空压机和增压机的功率会有较大变化,其余各机泵的功率变化不大。1 m7 Q2 d- Q. P0 g& t: c
某38500m3/h内压缩流程空分设备有5个典型工况,各相关参数见表1。表1中内压缩氧气压力3.0MPa,内压缩中压氮气压力1.2MPa。! X0 v, j/ s3 j. D
表1 某38500m3/h空分设备5个典型工况
6 Z3 V1 @8 f; b7 A0 V工况 空压机功率
+ y/ i( {9 ~* s(kW) 增压机功率
# v1 R% B$ U5 D( e1 W(kW) 氧气量
7 F# P! u% P$ P6 v2 s) o(m3/h) 中压氮气量 [# Z8 ~$ k y2 s5 V5 Y' Q7 x$ }. v
(m3/h) 液氧量: ~$ _+ ^2 k9 x& J% e
(m3/h) 液氮量
, r, m$ [) S4 d9 E q S(m3/h) 液氩量$ K- _( ^5 H* n3 H% ^1 q
(m3/h)5 @! r) Z# I$ z% w! S9 r
设计 14124 8122 38500 10000 500 500 15354 a) y$ l# x1 [
最大液氧 14093 9140 35500 10000 3500 0 1544: C9 D1 i' g" a* }* W3 b5 u( m
最大液氮 14071 9306 37500 10000 1500 2000 1485
- @+ m: G m- X% s7 F- R( a! ?( l最低负荷 9922 6567 27000 10000 500 500 1051$ j+ W$ D/ m9 [2 u
低负荷液氧 9900 7692 24000 10000 3500 500 1052
; u( c; C& D! ^7 [& t3 Y; x. I表1中氧气、液氧和液氮都可看作是自由变量,但液氩不是自由变量,需要先将液氩折算成液氮或液氧,也可将液氩折算成电耗后扣除。
" y6 v* K2 T( k: D以液氩折算成液氮为例,近似认为1m3液氩的价值是液氮的3倍(相当于按吨计的液氩价格是液氮价格的2.1倍)。以表1中的空压机和增压机功率之和为Y,将液氩按3倍比例折算成液氮后,以氧气量为X1,液氧量为X2,液氮量为X3,作线性回归,可以得到:
. v0 i6 c8 I" U" FY=2238+0.442X1+0.83X2+0.515X3 ………… (1)9 s% d M4 s' _' k( U4 k
由式(1)容易看出,这套38500m3/h内压缩流程空分设备生产3.0MPa氧气的边际电耗大约是0.442kWh/m3,如果电价是0.65元/kWh,那么氧气的边际成本是:
4 p7 i+ S- c2 q& h5 U+ \0.442×700×0.65≈201(元/吨), v7 h9 h3 @! Z* _) C9 Z2 W
而生产液氧的边际成本是: K; _! n% Z7 I/ |4 L! l9 P
0.83×700×0.65≈378(元/吨)
# |: [0 c% _! r+ L4 m; d+ l5 s ]如果要销售液氧,还要考虑3%损耗,这样销售液氧的边际成本是:
H* i+ e S0 v* f" \" a1 x z378÷0.97≈390(元/吨)1 L1 x# H x% J( }! x
同样可以计算出,液氮损耗率5%时,销售液氮的边际成本是:
2 [7 |2 ` l( k: q3 P% B: Y n0.515×800×0.65÷0.95≈282(元/吨)
6 W+ _8 D' c- V$ K- @, R与以上“一般空分液化设备“的产品成本比较,这套38500m3/h内压缩流程空分设备生产液氧和液氮等产品的边际成本可能稍低一点。
( F/ w; V( b4 [" s也可参照市场液氩与液氧的实际价格关系,将液氩按相应比例折算成液氧后,再作线性回归,从而得到生产氧气、液氧和液氮的边际成本。计算结果表明,液氩与液氧或液氮的价格比增大时,生产氧气和液氧的边际成本降低,而生产液氮的边际成本升高,如图1所示。. c# ]. ]3 b9 s9 q+ t
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图1 液氩折算比例对产品成本的影响6 i$ x: j& m+ ^
这是由于液氩价格升高时,液氩可以分摊掉更多的成本,所以氧气和液氧的边际成本降低。在这种情况下,适当提高空分设备负荷,即适当增加液氧和液氩产量可能是合算的。而液氮产量的增加会引起空分设备的氩提取率下降,液氩分摊成本减少,只能由液氮来承担,当液氩价格升高时,需要由液氮承担的成本更多,所以生产液氮的边际成本就会更高一些,此时可考虑适当减少液氮产量。7 x7 P, L2 f3 p* z% z
应该指出,这套空分设备在低负荷时生产液氧的边际成本要比高负荷时低一些,这从表1中也容易看出。原因可能是“低负荷液氧”工况使增压机一段流量更接近于设计流量,而高负荷“最大液氧”工况使增压机一段偏离了原设计流量,从而使得增压机的效率有所改变。因此可以说,这套内压缩流程空分设备在低负荷时更适合生产较多的液氧产品。
) [/ Z" ?* `, v$ W3 低温液体产品的生产策略& H& ~, {0 A1 L& J8 T. ^- r! @/ V
3.1 提高氩提取率/ a; E, S/ s- j' F# _) L
液氩产品的销售价格在大多数情况下都要比液氧或液氮更高一些,而且单位m3液氩也要比液氧和液氮重,液氩在称重计价时比较合算。还有,空分设备的氩提取率提高后,氧提取率一般也能高一些。所以,在大多数情况下,应该设法尽量提高空分设备的氩提取率。但提高氩提取率的操作需要有一些技巧和精馏塔控制手段,如果弄成氮塞,液氩和氧气纯度不合格,那就得不偿失了。( ?: K$ Z+ o# g' ?* s: ]/ C
3.2 氧气无放空时液氧和液氮的生产7 J/ k: L: r3 _0 @( W+ t
多数以生产气体产品为主的内压缩流程空分设备,它的液氮或液氧产量在一定范围内仍是可调的,比如可以通过增加或减少膨胀空气量、改变膨胀空气温度和压力等方法,来改变液氮和液氧产量。" A3 \. I0 E+ {! T4 f, W) J% N
在空分设备的氧气生产量正好等于使用量,即没有氧气放空时,生产液氧的边际成本大约是400元/吨,生产液氮的边际成本是300元/吨左右。显然,只有液氧销售价格在400元/吨之上,或液氮价格在300元/吨之上,增加膨胀空气量提高液氮或液氧产量才是合算的。如果液氮或液氧销售价格比成本价高出较多,有时甚至可以考虑适当提高膨胀空气温度,或升高膨胀空气压力,从而增加制冷量,但要注意这种方法可能不是效率最高的,另要注意空气增压机和膨胀机的运行稳定性是否受影响。相反,如果液氧价格在400元/吨左右,而液氮价格在300元/吨左右或更低,那就没必要刻意提高液氮或液氧产量。
: u! h# X X6 m, @7 ] l另一个需要考虑的,是液氧和液氮产品的销售价格之差,由于液氧与液氮的成本价之差大约是100元/吨左右,所以当液氧价格比液氮高出100元/吨以上时,可以考虑适当多生产液氧,少生产液氮;如果液氮和液氧价格很接近,或液氮价格更高,那就多生产液氮少生产液氧更合算。
- T( l3 T7 F7 ^; R! }& H. _! v3.3 氧气有放空时液氧和液氮的生产
/ @ S1 ?/ ~% X3 ?' z- V在空分设备的氧气生产量大于使用量,即氧气有放空时,当然首先是设法降低空分设备的负荷,减少空压机和增压机的电耗。但如果空分设备的负荷已经降到最低,或氮气需求量较大,空分设备无法降负荷时,那就只能将部分氧气放空了。有些空分设备设计了一条上塔下部氧气旁路到污氮气中的管路,在氧气多余有放空时,可以利用这条管路排放掉部分低压氧气,这样就可以减少中压氧气的排放,从而降低增压机电耗。但这条氧气旁路管道一般较小,有时可能仍然要排放3.0MPa氧气。$ ]% `, M+ e& O; ]5 k( v, }1 Y; W
在3.0MPa氧气有较多放空时,多生产液氧的边际成本有所不同。在空气量和氧产品总量等保持不变时,每多生产1吨液氧,就可以减少1吨3.0MPa氧气的放空,此时“一般空分设备”生产并销售液氧的边际成本实际上降为:- U& f. q6 N) }+ A
(387-228)÷0.97≈164(元/吨)
% q' l0 |7 r3 p而以上具体空分设备销售液氧的边际成本降为:
" `/ A" u+ u& J* A2 v+ J9 y(378-201)÷0.97≈182(元/吨)
% d1 _2 U8 q% d# }+ P即内压缩流程空分设备有3.0MPa氧气放空时,生产液氧产品的边际成本会明显下降,甚至还不到无氧气放空时的50%。因此,空分设备有较多中压氧气放空时,只要液氮价格不是比液氧高出100元/吨以上,增加液氧产量通常都是很合算的。在这种情况下,可以考虑用减少液氮产量和增加膨胀机制冷量等方法,来尽量提高液氧产量,这样也可以减少中压氧气的放空。5 G: _" B3 g) v n
4 结论
4 \# Z, k. x% [+ K4 Z- C(1) 在内压缩流程空分设备中,当电价为0.65元/kWh时,生产并销售液氮的边际成本大约是300元/吨左右,无氧气放空时的液氧边际成本是400元/吨左右,有3.0MPa氧气放空时的液氧边际成本降低50%以上。
2 U/ \. x# i" o: u) f(2) 液氩价格升高时,生产氧气和液氧的边际成本降低,而生产液氮的边际成本升高。: }" Y' d8 c5 O, [7 r: `/ ]
(3) 无氧气放空情况下,只有液氧销售价格高于400元/吨,或液氮价格高于300元/吨时,提高液氧或液氮产量才是合算的。# F! B' o8 F0 x7 @
(4) 无氧气放空情况下,液氧与液氮销售价格之差大于100元/吨时,多生产液氧少生产液氮较好,否则多生产液氮少生产液氧好一些。- C% | B* u9 b8 Y+ E' n
(5) 当内压缩流程空分设备有较多中压氧气放空时,通常是多生产液氧比较合算。
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