作者：万建余 徐福根 杨志鹏
【关键词】空分设备 有效能损失 节能 优化
【摘 要】通过空分设备有效能损失分析方法，有效损失主要存在压缩机、主换热器、精馏塔、气体管线。经节能改造和优化操作，最终达到提高有效能利用率，从而达到节能的目的。
随着我国经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，年人均能源消耗量将逐年增加，据预测，到2050年将达到2.38吨标准煤，相当于目前世界平均值（2.4吨标准煤），但远低于目前发达国家的水平。人均能源的不足将是我国经济、社会可持续发展的一个限制因素，要解决能源问题，出路不外乎两条：一是开源；二是节流。我国实行的开发和节约并重的能源政策。近期把节能放在优选考虑的地位，通过正确的用能，合理用能，节约用能，减少能源浪费，提高能源的有效利用率，达到节能的目的。
空分设备的原料是空气，其主要消耗的是能源，能源消耗占生产成本的80%，降低生产成本的主要措施是降低能耗，而空分设备所消耗的能源是由不可逆过程引起的，尽管每一个可逆过程中所消耗的能量方式不尽相同，但都会产生有效能的损失。因而，可以从空分各个工艺过程有效能分析来寻找最佳节能途径。
1 有效能
系统在一定状态下的有效能，就是系统从该状态变化到基态过程所做的理想功，用 表示，对于稳定流动过程，从状态1变化到状态2过程的理想功可以写为
式中为基态的温度；为熵；为焓。
当系统由任意状态变到基态时，稳流系统的有效能 定义为
有效能可分为物理有效能和化学有效能，物理有效能是指系统的温度、压力等状态不同于环境而具有的能量。空分运行中与热量传递有关的加热、冷却、冷凝过程，以及与压力变化有关的压缩、膨胀等过程，只考虑物理有效能。可表示为
式中为温度与环境不平衡具有的有效能；为压力与环境不平衡具有的有效能。由热力学定律可得
式中为定压比热；为摩尔数；摩尔体积；为压力。
化学有效能是指处于环境温度和压力下的系统，由于与环境进行物质交换或化学反应，达到与环境平衡，所做的最大功。从系统的状态到环境状态需要经过化学反应与物理扩散两个过程：将系统的物质转化成环境物质（基准物）过程及物质浓度变化到与环境浓度相同的过程。在空分设备中的化学有效能是以物理扩散有效能形式存在。
2 有效能损失
在能源转化、转移、传递和使用的过程中，有效能可以有效地利用发挥其功效，也可无效地损失，也就是通常说的有效能损失，有效能损失是不可逆的。
空分设备的有效能输入，主要有空压机电耗、原料空气所带入的有效能、水泵消耗的电能、氩泵消耗的电能、电加器消耗的电能。有效能损失占总输入有效能的比例非常高，也即有效能效率很低，老式全低压空分不大于12%[1] ，现代大型空分也只有在20%[2]左右。其中空压机有效能损失和空分塔的有效能损失所占的比重较大。空分设备有效能损失主要存在传热过程、压缩或膨胀过程、节流过程、精馏过程中。
2．1传热过程有效能损失
传热过程的有效能损失与传热量、温差和温位有关，可表示为
式中为传热量；为传热过程的有效能损失。
从上式可知，两物流在热传递过程中，热量和温差相同，温位越低，传递过程的有效能损失越大；传热量越大，有效能损失也越大。利用上式对空分主换热器进行分析得，传递相同热量，每1 温差造成的有效能损失冷端是热端的3.1倍，因此，空分操作过程中，特别要控制好主换器冷端温差。
2．2压缩过程有效能损失
静压能的提高与气体在级中的压缩过程有关，所需的功称为压缩功，在空压机中由于气流速度很快，压缩过程中与外界没有热量交换，即为绝热定熵过程。从状态1 压缩到状态2 定熵功为
式中为气体常数；；为空压机进口压力；为空压机的出口压力。
定熵功与进口温度、压力和出口压力有关，与出口温度无关，空分用空压机一般为多级压缩，若冷却效率低，每级压缩进口温度高，则所需的功要大。假设空压机为三段压缩，每段压缩比都为，冷却后温度提高1℃,则空压机消耗功率增加0.4%。在实际运行中，可以降低水温，控制冷却器的结垢，提高冷却器的效率，降低冷却后温度，减少空压机功耗。另一方面，空压各级进气温度条件及空分装置进气温度条件要求，必须进行冷却，由冷却前温度降低到温度 ，带来有效能损失为
在图2中，1-3为绝热压缩过程，设绝热效率为： ，那么，因摩擦损失引起热量为 ，假定绝热可逆压缩后状态为3，绝热不可逆压缩后状态为4，它们等温不等压，由于摩擦损失以热形式加给气体，引起所需的压缩功增加为三角形134 面积。
图2 图上的与无热交换压缩过程
三角形面积。 摩擦损失引起热量为
由绝热方程：
由于绝热可逆压缩过程为等熵过程，不可逆压缩过程为熵产生过程，熵产生为
则空压机的有效能损失为
从上式分析，空压机效率越低，有效能损失越大。
2．3阻损带来有效能损失
在定态流动过程中，如果物系和环境不发生功和热的交换，
阻损带来的有效能损失为
对于理想气体来说，
上述公式而知，相同压力下，阻力损失越大，有效能损失也大，相同阻力损失下，压力越大，有效能损失越小。要尽量减少管路的阻力来降低有效能损失。
2．4精馏系统有效能损失
以塔板精馏为例，从下面上升进入某块板的温度要比上面流下的液相温度高些，而易挥发组分的含量则低于与下降液体相平衡的浓度，两股物流在温度和组成上都不平衡，在塔板上发生热量和质量传递过程是不可逆的，必然造成有效能的损失，这就是精馏过程中有效损失的主要部分。
当物质摩尔由化学位的相Ⅰ传到相Ⅱ时，产生的有效能损耗，由热力学分析得（在等温等压下），精馏过程中有效损失为
精馏过程中，化学位是传质的推动力，正是由于两相化学位的差异而导致传质过程，从产生有效能的损失。要减少每块塔板上传热和传质推动力，就要使操作线与平衡线接近，过程趋于可逆，是降低有效能损失的主要途径。
2．4．1下塔及粗氩塔分析
图3 操作线示意图
空分下塔和粗氩塔一般操作线方程为
，即回流比； 为某组成在塔顶的浓度。从图3和操作线方程可知，操作线的斜率为，当越大时，操作线越靠近平衡曲线，这时回流越小。可见，要减少有效能损失，必须使回流比尽可能的小，但当操作回流比为最小回流比时，需要无穷多理论塔板数，所以一般控制回流比。
2．4．2上塔分析
上塔精馏段操作线和提馏段操作线的在平衡曲线图上交于一点，交点的轨迹为一条直线，通常称为线。线的斜率不同，液空进料口的状态也不同，回流比与线关系：（1）当精馏段操作线和线的交点落在平衡曲线上时，回流比最小，最节能。（2）当精馏段操作线和线的交点落在平衡图的对角线上时，回流比最大，能耗最高。
图4 上塔操作线示意图
图4 操作线示意图
3 节能改造与操作
通过对空分设不同过程的有效能损失的分析，寻找到节能潜力最大的环节，对新钢公司气体厂的两套空分设备进行挖潜改造和优化操作：
（1）管路的阻力损失来减少有效能损失。2005年7月25000m3/h空分投产，18000m3/h空分停机全面检修的机会，把18000m3/h空分用空压机出口止回阀，由原来DN400的更换成一与管道通径相同的DN600的，使空压机到氮水预冷段的压力损失减少了25Kpa。2005年底对25000m3/h空分的分子筛再生氮、产品氧气、产品氮气等三个流量孔板重新设计并更换，取消了进空分装置流量孔板，以降低系统阻力损失，从而达到降低有效能损失，降低情况见表1。
降低系统循环水温和控制机器冷器系统结垢，提高压缩机冷器的效率，减少温差带来的有效能损失。18000m3/h空分系统，随着夏季气温的升高，水温达32～33℃，制约了空分设备的满负荷生产，增加设备电量能耗，通过与老系统管网联通（原3200m3/h空分冷却水循环系统），充分利用两台老冷却的能力，使给水温度能保持在28～29℃。25000m3/h空分运行不到一年，发现氮压机的冷却器结垢很严重，制约了设备运行效率，水系统进行加约处理。25000m3/h空分循环冷却水系统使用两台喷雾冷却塔，处理水量3000t/h，夏季运行时给水温度达36.5℃，冷却温差仅有5.5℃（回水温度为42℃时），严重制约了整个装置效率的发挥，通过增加两台600t/h的玻璃钢冷却塔以加强冷却效果，循环水泵达不到出力，经厂家对叶轮改造，使水流量及压力增大到设计值。尽管如此，还是没有达到预期的效果，06年，进一步对冷却塔进行改造：（1）两台冷却塔各加装一台190000m3/h风量的冷却风机；（2）塔内增加厚1000mm的聚丙烯波纹填料。（3）收水器
（2） 给水与冷却后气体的温差控制在设计范围内。
（3） 优化空分操作，减少精馏系统的有效能损失。（1）主冷液面在保证全浸的安全要求下，尽量降低，缩小主冷两则的温差，从而达到减少因传热温差引起的有效能损失；（2）在保证空分塔精馏工况，尽量减小回流比，减少因塔板上相之间浓度差偏大所产生的物理扩散有效能损失。
（4） 降低操作压力。保证主冷液面稳定情况下，降低上塔压力，从而达到降低空压机的排压。以25000m3/h空分为例，通过主冷两侧的汽液平衡计算出下塔压与上塔压的关见表2
表2 25000m3/h空分主冷液面为3200mm时，上下塔操作压力
上塔底部压力（A）/kPa
主冷底部压力（A）/kPa
主冷上部温度/K
主冷底部温度/K
主冷平均温度/K
下塔顶部温度/K
下塔顶部压力（A）/kPa
从图5中可知，在保证空分正常精馏工况的主冷换热温差情况下，上塔最低要求压力与下塔压力成线性关系。为了操作方便，对表2中的数据进行回归得关联式
4结论
根据热力学第二定律，对空分设备的几个生产过程进行了有效能损失分析，寻找到最佳的节能途径，提出了节能措施，通过改造和优化操，使18000m3/h和25000m3/h空分生产能耗有效的降低。
参考文献
[1] 何耀文.深冷过程的有效能分析 [J]. 深冷技术,1981,（6）: 1～19
[2] 张哲．空气分离装置的有效能分析及节能研究．硕士论文．华东理工大学．2003
[3] 沈维道 郑佩芝 蒋淡安.工程热力学[M] . 北京：高等教育出版社，1983.9
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