摘要：空分装置是现阶段工业生产中应用十分广泛的装置之一，由于该装置的应用规模广、耗电量较高，所以如何实现制冷量的优化，提升冷损构成比例的管理水平也就成为行业普遍关注的问题。立足于现状，首先探讨了空分装置制冷量与冷损构成的内涵与特征，其次对外压缩制冷环节空分装置制冷量与冷损构成的情况以及内压缩制冷环节空分装置制冷量与冷损构成进行了探讨，最后则对两者进行了对比，得到了相应的优化策略，也希望可以为空分装置的制冷量优化配置，提升装置的运行效率提供思路与借鉴。
关键词：空分装置；制冷量；冷损构成情况
引言
空分装置是一种被广泛的应用于钢铁、煤化工以及传统化工行业的装置类型，通过空分装置可以获得较为纯净的不同类型的气体，从而满足工业生产的个性化需求。随着装置规模的不断扩大，如何通过设备与工艺优化来解决制冷量、冷损构成不合理的问题也就成为了迫切需要解决的痛点。为了进一步探讨空分装置制冷量与冷损构成情况，现就其基本内涵与概念介绍如下。
一、空分装置制冷量与冷损构成概述
空分装置在工作过程中属于低温装置，所以其必然会出现与周围环境温度存在较大温差的情况。因此，在工作过程中设备会不断与环境进行换热，从而出现装置冷量的损失。从客观上来看，制冷量与冷损构成具有密切的关联，通过调整空分装置的物料、工艺流程以及制冷的具体途径都会影响到空分装置的制冷量以及冷损的构成比例。除此之外，由于冷损本身属于能量的散失，一旦能量散失就无法对其进行收集和重新利用，容易造成能量的浪费，从而在很大程度上增加设备的功能负荷与使用负担，同样也会增加一定的电费。由此可见，在空分装置的制冷过程中，需要着重处理好制冷量与冷损的关系，确保能源适应性。
二、空分装置外压缩制冷流程及冷损构成
在外压缩的空分流程环节当中，涉及到制冷量与冷损的是物料的平衡性以及能量的平衡性，这些内容在行业内的研究中已经足够充分。典型的外压缩空分流程主要包括低压分子筛、带增压透平膨胀机等类型，其统称为外压缩空分工艺。根据流程来看，液化的基本原理并不复杂。根据低压带增压膨胀的制冷流程来看，其系统的能量变化公式可以表述为
qm（h2 － h1）+ qme（h2 '－ h2）+ qme（h8 － h3）+ Q冷损 +（qm － qmf）CpΔt
= qmf（h10 － h1）
在该公式中包括了主空透产生的节流制冷量、膨胀机产生的等温节流制冷量以及装置冷损和产品气腹热等部分。将这些数据相加后，得到生产液体过程中损失的冷量。
根据这个公式来看，产品气在生产过程中会产生一定的微压力，这种微压力是导致损失冷量的重要原因，也正是由于这种微压力让损失掉的冷量可以通过加法计算，根据计算软件的计算法则可以轻易完成这个过程。根据一个计算实例套用公式，可以更为直观的分析空分装置外压缩制冷过程中的冷损情况。
选取某项目外压缩空分流程，该项目的空分设计工况分别为氧气产量20000Nm3/h，氮气40000Nm3/h，液氮100Nm3/h，液氩720Nm3/h，压力氮600Nm3/h。
结合上述公式对该项目进行分析、计算，采用流程计算的方式来整理该工艺生产过程中的产品、反流物流的复热情况，并以此来获得产品的制冷量与冷损。结合该流程来看，等温节流制冷量在整个节流制冷量中占比最高，达到了93%以上，而膨胀机的增压侧仅仅为6%左右。另外，从冷损的结构上来看，液体产品带走的冷损比例仅为50%，复热不足导致的冷损以及装置自身所存在的冷损分别计算得到27%以及19，剩余的部分则是循环泵的冷损。
通过该项目可以简单分析空分装置外压缩制冷的流程中制冷量与冷损的构成情况，但是由于不同类型的外压缩流程也存在一定的差异，所以具体的数值可能存在差距。不过，我们依然可以通过这组数据得到一定的参考意义，那就是大多数的制冷量都是等温节流环节贡献的，而液体产品带走的冷量一般也仅为50%左右，远没有达到预期的设计标准。
三、空分装置内压缩制冷流程及冷损构成
随着工业现代化的快速发展，特别是煤化工行业的崛起，目前空分装置的建设规模也在持续增加。其中，空分装置的产品气的种类越来越丰富，压力的分布范围也扩大了，一些特殊情况下甚至可以超过10MPa。根据设备的基本原理来看，外压缩的空分流程中氧气必须经过压缩机压缩才能够完成分离，而这个过程中会受到氧压机的流量限制，在内压缩的空分过程中，可以通过液氧抽出后经过所需压力泵压处理，从而在主换热器中气化，得到制定的产品。这样来看，空分装置的内压缩空分流程相较于外压缩具有更为广泛的应用市场和空间，目前学术界对于这个领域的分析也已经足够丰富，不再赘述。
根据内压缩空分流程的组织情况来看，其来源较为丰富，为了方便在原理上展示，选择较为普遍的内压缩空分流程规律来讲解如下。普遍的内压缩空分流程包括有增压压缩机、膨胀机、膨胀器进入上塔以及单泵增压压缩后常压压力气体产品出箱。在这个过程中，内压缩的流程原理相对固定，变化不大。
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选择应用较为普遍的内压缩空分流程进行分析，其进系统与出系统的能量守恒公式为：
qm（h1 － h2）+ qn（h2 － h3）+ qe（h3 － h4）+ qe（h5 － h6）
= qf（h1 － h7）+ qo2（h1 － h8）+ qo2Cp1Δt1 +（qm － qo2 － qf）Cp2Δt2 + Q冷损 + Q泵损
在本公式当中，包括的内容有主空透、增压压缩装置以及膨胀剂增压侧产生的制冷量，而右侧则主要包括液体产品带走的冷量以及中压产品气冷量和装置冷损、泵功耗冷损等。
值得注意的是，在产品的带出冷箱冷量当中，中压产品的冷量损失与压力具有密切的关系，所以在进行计算时需要考虑到气体压力的实际情况。在压力带走冷量平衡后，即可采用现代计算软件对其进行处理，得到相应的数值。
同样套用某内压缩空分流程的项目进行分析，该项目内压缩空分流程采用了分子筛吸附净化、液氧内压缩以及增压空气压缩设备，设计工况为：60000Nm3/h，氮气20000Nm3/h，液氮300Nm3/h，液氩420Nm3/h，压力氮200Nm3/h。
在该体系当中可以得出，主空透等温节流制冷量达到了整体的23%以上，而增压空气压缩机的占比则高达67%。除了上述制冷量之外的其他部分则主要为膨胀机的增压端产生的制冷量。根据这个结果不难判断，在内压缩空分流程中，等温节流的制冷量比例得到了提升。在内压缩流程的液体产品冷损方面，其达到了冷损的66%以上，除此之外排名第二的为压力冷损，为12%左右，其余的冷损则主要包括复热冷损、氧泵以及氩泵的冷损。
四、空分装置内压缩制冷量与冷损构成对比分析
在上文中对于内外压缩空分流程的制冷量以及冷损进行了分别介绍，并结合实际项目进行了计算，现得出如下几个方面的对比结论。
1.冷损对比
在外压缩的空分流程能量方程以及内压缩空分流程的能量方程对比后我们可以发现，无论是何种压缩模式，占冷损比最高的都是液体产品带走的冷损。在实例分析当中，内外压缩空分流程的液体产品带走的冷损都超过了50%，当然内压缩流程当中液体产品带走的冷损量更高，达到了66%，超过了三分之二的比重。
在进行内外压缩空分流程分析对比时我们发先，内压缩流程中的高压气体出现冷量损失大多是由于压力的原因所导致的，所以压力因素提升时带走的冷量也会相应的增加。在手工计算时我们可以发现，外压缩空分流程中的压力率大于大气压，所以可以忽略不计，最终计算的结果就已经具备充分的代表性。在内压缩的空分流程中，压力冷损的占比为12%，而该比例已经远高于高压气体产品的复热不足导致的冷损。
在内压缩的空分流程当中，各种中高压的泵体冷损有增长的趋势，这是由于该工艺过程中需要更多的冷量来弥补产生的冷量的损失，所以增压空气压缩机需要进行系统内部的等温节流质量调整，通过增加容量和提升膨胀机的制冷能力等方式来实现目标。
2.制冷量对比
制冷量方面，外压缩的空分流程中等温节流的制冷量占比为17%，而等温节流的制冷量中大多数来自于主空透，所以主空透的占比可以高达93%。除了这个部分以外，其余的部分占比较少，基本都是膨胀机的增压侧出现的制冷量。根据内压缩的空分流程中的制冷量比例情况来看，等温节流的控制中增压空气压缩机为67%，而次要的主空透则为23%，除了这个部分剩余的部分则是等温节流制冷量。从这个角度上我们不难发现，内压缩的等温节流制冷量相比于外压缩流程而言增加十分明显，这是由于等温节流的制冷量中大部分用于弥补内部压缩过程中额外产生的冷量损失所导致的结果。
3.增压压缩机配置对比
从设备的工作原理上来看，内压缩空分流程中主要通过配置增压压缩机来实现工作任务，其满足了两个方面的特殊要求。其中一个方面是指在高压主换热器的设计过程中，为了更好的满足返流泵后的高压液体气化环境，需要提供高压正流加工空气，包括的参数有流量和压力条件等。在这个过程中，设置的大容量中压增压膨胀机能够提供丰富的流量与压力条件。另外一个方面，结合文章中涉及的数据与分析结论来看，增压压缩机与中压压缩膨胀机的制冷量可以在很大程度上弥补上内压缩空分流程中出现的冷量的损失，所以内压缩的流程运行才能够得以实现，这也是该装置设备能够正常运行，完成交付的空分任务的前提条件之一，是增压压缩机配置的基础与前提。
总结
综上所述，在我国，由于空分装置的应用十分广泛，所以空分装置的流程组织模式也存在较大的差异。但是，结合空分装置的基本原理来看，其主要还是通过内外压缩空分流程来实现空气的分离，所以本文也通过普遍意义上的分离流程来对空分装置制冷量与冷损构成进行了分析，其中涉及到了冷损对比、制冷量对比，同时还在文末对增压压缩机的配置进行了对比，也希望可以有效提升空分装置的设计水平与工艺先进性，降低能源消耗比例，为促进工业现代化的建设与发展做出积极的贡献。
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论文作者:石健
论文发表刊物:《电力设备》2019年第1期
论文发表时间:2019/6/21
标签：空分论文; 装置论文; 流程论文; 制冷量论文; 压力论文; 产品论文; 过程中论文; 《电力设备》2019年第1期论文;