浅谈现代空分装置配套后备系统设计

　浅谈现代空分装置配套后备系统的设计

　　摘要：现代空分装置配套的后备系统，要求具备多功能化，自动化程度高，响应及时，并且要确保安全、稳定和可靠等特点，本文提出了一些复杂后备系统的设计需要考虑的因素。

　　关键词：后备系统；快速响应；安全；设计

　　中图分类号：TQ116文献标识码：A

　　空分装置为整个下游的配套工程项目供应必需的各种公用工程气体，对保证下游工程项目安全、可靠和稳定的运行起着至关重要的作用。空分装置的意外停机，将会马上切断下游工程项目气体的供应，轻则将导致下游工艺装置联锁停车，引起下游装置停产，造成巨大的经济损失，重则将导致下游的工艺装置失去安保气体，造成机器设备的损坏。但是由于空分装置的复杂性，虽然随着装置的设计和制造技术不断提高和改进，自动化控制技术日趋完善，空分装置的故障几率已经大为降低，但是偶尔的意外停机也在所难免，而配套响应速度快、稳定可靠的后备系统就能极大程度的降低空分装置意外停机带来的风险，后备系统可用于保证向下游用气装置不间断供气，一旦空分装置发生故障停止供气将投用后备系统，通过蒸发将贮槽中的液体汽化成气体送给下游用气装置。后备系统的成本对于一套空分装置来说，所占的成本比例也很小，另外，在空分装置短时间有计划的停车检修期间，也能通过起用后备系统，短时间内维持对下游装置气体的供应。

　　现代空分装置配套的后备系统，要求具备多功能化，自动化程度高，响应及时，并且要确保安全、稳定和可靠等特点，一套复杂后备系统的设计需要考虑多方面的因素。

　　1后备系统工艺流程设计方案

　　第一种方案是空分主工艺流程与后备系统流程结合在一起，空分液氧的内压缩与后备系统液氧的压缩共用，液氧从空分主冷取出，出冷箱进入液氧贮槽，再经过设置在后备系统的液氧泵压缩后分为两个流路，一路重新返回空分冷箱主换热器，复热后作为空分高压氧气产品送出，另一路进入后备系统汽化器汽化后，并入高压氧气管网，两个流路分别单独运行。工艺流程示意图如下图1。

　　这种方案的优点是在主空分装置意外停机时，可以停机不停泵，切断液氧返回空分冷箱流路，打开进入后备系统汽化器流路，液氧经过汽化器汽化后送入高压氧气产品管网，保证下游氧气的不间断供应。另一种可能是如果主冷液氧纯度污染，从空分主冷抽取的液氧将直接排放而不进入贮槽，贮槽内贮存的液氧经过液氧泵压缩后返回冷箱主换热器汽化，继续维持空分装置的运行，当主冷液氧纯度重新调整合格后，主冷抽取的液氧又可以重新切换至贮槽，恢复正常的工艺流路。这种配置方案由于空分装置和后备系统的液氧泵共用，也节省了泵的投资，在从主空分装置切换至后备系统运行时，没有额外的液氧泵的冷却、启动和加载的限制，大大的缩短了后备系统启动时间和增加了可靠性。另外，由于液体来自液氧贮槽，而不是直接来自主冷，能够大大增加整套装置的变负荷的能力。这种设计的缺点是后备系统的设计会影响整套空分装置的运行，贮槽的安全设计和可靠性要求高，贮槽的自增压和安全排放能力要增大，液体管道尺寸大，装置冷损和液体闪蒸损失相对较大。

　　另外一种方案是后备系统与主空分装置独立设计，当空分装置意外停机或者

　　纯度污染时，后备系统独立启动，互不干扰，缺点是后备系统需要额外增设后备液氧泵，增加了设备投资，并且为了保证能随时启动，后备液氧泵需要冷备或者惰转，启动时间会有加长，可靠性会有所降低。工艺流程示意图如下图2。

　　2后备系统配套设备规模的选择

　　后备系统配套贮槽的大小需考虑空分装置设计的液体产量，后备系统维持运行的时间以及液体外销能力等因素综合考虑；低温后备泵和汽化器的大小按照需要的后备能力选取，例如如果需要后备能力与主空分装置相当，那么低温泵和汽化器的能力就可以按照空分装置的产量来考虑。

　　如果后备系统有快速响应的要求，后备系统的设计就需要根据下游工艺装置对气体供应的要求进行设计，例如，在保证需求量不变的前提下，管网压力的降低不能大于某个规定的压力值，后备系统的设计就需要综合考虑如何能满足这个要求。

　　首先要确定在空分装置意外停机，切断气体产品的供应后，后备系统需要多长时间能够启动起来，并达到设计负荷，当然这个时间越短越好，但是过短的时间又会增加对相关的机器、设备、阀门和控制系统的响应时间和工作能力的要求，如果启动时间要求过于苛刻，设计还不可能满足。

　　其次根据确定好的后备系统响应时间，核算现有供气管网的容积在此时间内压降是否能满足要求，如果不能满足要求，就还需要额外增设压力缓冲罐或者球罐。系统的缓冲容积也不可能设置得过大，需要与后备系统的响应时间互相匹配选择，达到可靠性和投资成本最佳。后备系统响应时间越短，后备系统配套要求越严格，设备投资越大，需要的缓冲容积越小；后备系统响应时间越长，后备系统配套要求降低，设备投资减少，但需要的缓冲容积越大，装置的布置空间也会增大。下图3为常规的后备系统配置图。

　　另外，下游装置对于气体的需求量并不是稳定不变的，而是随着实际用气需要起伏波动。当需求量减小时，可通过空分装置的自动变负荷或者放散来满足，当需求量增大时，除通过空分装置自动变负荷满足之外，过大的需求量也可以通过额外配置缓冲罐或者启动后备系统来满足。

　　3后备系统设计需考虑的故障因素

　　为了确保可靠性，在后备系统设计时，需要对工厂故障情况进行充分的了解，并对可能存在的工程危险程度进行评估，例如是否对生产造成影响，是否会导致不合格品，会带来多大的经济损失，是否会危及安全，是否会有灾难性的后果等，并以此确定需要考虑何种故障因素。

　　（1）断电

　　此处仅考虑动力供电故障，所有的用电设备均会停车，可以通过压力液体罐，带压经汽化器汽化后供下游使用；也可设置合适的应急柴油发电机，给后备系统低温泵和汽化器的强制对流循环水泵供电，维持后备系统的运转。

　　（2）断汽

　如果后备系统的蒸汽供应故障，为了保证仍能给下游供气，这种情况下就需要额外设置空浴式汽化器来汽化低温液体，考虑到有些地区冬天环境温度很低，经过空浴式汽化器汽化后，气体的温度仍然很低，如果下游装置不能够使用，这时就需要在空浴式汽化器后面再串联电加热器，加热到合适的使用温度。

　　（3）同时断电和断汽

　　如果供电和供汽同时故障，通过采用压力液体罐或者配置应急柴油发电机给低温泵供电，让液体增压，采用空浴式汽化器来汽化液体。

　　以上考虑有些过于苛刻，只是在某些特殊场合使用，另外其中一些工作方式生产的气体量，不能满足下游正常生产的全部需求量，有时只能是用来保证下游装置的安全，比如安保气体等用途。由于以上故障引起的后备系统响应这段时间内，由缓冲罐给下游供气。

　　4保证后备系统快速响应的相关设计

　　为了保证后备系统能够快速响应，后备系统需要经过以下特殊的设计。

　　（1）后备液体泵需要冷备或者惰转，泵变频的加载速度要能满足要求，一般低温泵从冷备启动到满负荷运转最短可以做到25s左右，而低温泵从惰转加载到满负荷运转可以做到10s以下。

　　（2）汽化器的设计要能满足快速汽化的要求，除换热通道需要特殊考虑之外，汽化器还需要额外增设强制对流循环水泵，增大换热系数，加速汽化。

　　（3）相关的控制阀要求，常规的控制阀从全开到全闭或者从全闭到全开，需要的时间<20s，但快速响应后备系统内配套的控制阀需要根据响应时间，在阀门订货时要求合适的开启或者关闭时间，例如需要

　　（4）液体进汽化器前管路应尽可能短，液体流速很低，流通距离过长会延迟启动时间，另外过长的距离也会导致在后备系统待机时出现更多地汽化，气体堵塞在管道内或者阀前，在后备系统启动时，这些汽化的气体也会延长启动的时间，因此也需要在液体管路上额外设置排气管线，及时排放掉汽化的气体。

　　（5）自动控制要求更加严格和精确，要选择合适的激活后备系统响应的条件，液体阀、蒸汽阀的具体开度以及二者之间开度的匹配等都需要严格的加以控制。

　　（6）贮槽内要预留有足够的液体量，能供后备系统投用后一段时间使用。

　　（7）后备系统的响应快，给运行可靠性带来了便利，但是却增加了安全风险，例如低温液体更容易带出汽化器后面的常温管道中等问题。因此需要额外增加一些安全保护措施，如贮槽出液阀的自动切断，汽化器后气体管线温度过低联锁，以及汽化器底部、中部和上部温度的控制和联锁，相关阀门的自动控制和联锁等，有些控制甚至需要采用冗余设计或安全仪表控系统，以增加其安全可靠性。

　　结语

　　一套完整、可靠的后备系统设计，需要根据用户的需求，掌握整个工厂的配套情况。选择合适的后备系统流程，并确定后备系统内贮存汽化系统和气体缓冲罐的大小，动设备的备用模式和启动加载速度，阀门的开启或关闭速率，并且要设计有足够的安全保护措施等。合理的后备系统的设计，是保证后备系统可靠运行的前提，但是由于后备系统绝大部分时间是处于待机状态，随时准备投用，这就会导致部分机器设备或者阀门在需要时不能正常投用，因此，对后备系统进行经常性的检查，对其故障修复和日常维修及时处理，也是保证后备系统能够可靠运行的基础。

　　参考文献

　　[1]孙洪波.空分装置后备储存系统的设计（一）[J].石油化工设计，2012（02）.

　　[2]张晓亮，李江龙.谈变电二次设计过程中的细节问题[J].科技情报开发与经济，2006（24）.