一、前言
篩板塔的高氮裝置的操作彈性為75～110%，當用戶的實際用氮量少于75%是靠產品氣放空來維持整個裝置的穩定運行。這就使得用戶實際用氮的能耗增加，如何提高整套裝置的操作彈性就顯得很重要了。
二、變負荷高氮裝置使用環境
根據用戶的詢價信息以及與用戶的充分溝通，對變負荷型高氮裝置的具體要求有了一定的認識。
第一種是最終用戶的項目分兩到四期投產，每期投產需1～2年，裝置的用氮量也會跟著越來越大；分兩期投產的用氮量為每期50%，分三期投產的用氮量為每期33%，分四期投產的用氮量為每期25%，并且每期的用氮量完全一樣；這種情況有些用戶按一期的產量上幾套相同的高氮裝置，有的用戶按總產量上一套高氮裝置通過產品放散來實現；
第二種情況是最終用戶用氣比較特殊，一段時間用氣量大，一段時間用氣量小，成周期性變化且周期較長。這種情況有些用戶按小氣量上一套高氮裝置來滿足氣量小工況，同時采用液氮汽化來補充高氮裝置滿足用氣量大工況；也有用戶采用一套大氣量裝置直接滿足氣量大工況，通過減負荷并放散部分產品來實現氣量小工況；也有用戶按平均使用量來上高氮裝置，氣量小工況時將多余的氮氣經氮壓機加壓儲存，氣量大工況時將加壓氮氣釋放補充到產品中。
第二種情況不同用戶方案差別較大，氣量的變化大小、周期長短、液體價格、周邊液體市場、裝置投資以及能效比均需要考慮，進行綜合評估確定可靠的技術方案。第一種情況相對簡單，主要因素是投資價格、電耗。本文以第一種情況（四期項目）為例進行設計理念闡述，并將實際運行的裝置與同行分享。
三、分期變負荷高氮裝置流程敘述
分期變負荷高氮裝置的主要配置為空氣過濾器（AF1001）、空壓機（C1001）、預冷機（RU1101）、吸附器（MS1201和MS1202）、電加熱器（E1201）、消音器（SL1201）、主換熱器（E1）、過冷器（E2）、氮精餾塔（C1）、冷凝蒸發器（K1）、膨脹機（EXP1）。
空氣進入AF1001，濾去塵埃和機械雜質，進入C1001進行壓縮，經末級冷卻器冷卻到約40℃后進入RU1101，冷卻到8℃后進入純化系統（主要有MS1201、MS1202、E1201、SL1201和閥門、管件等組成）；出RU1101的空氣進入用來吸附除去水份、二氧化碳、碳氫化合物的純化系統；純化系統中的MS1201和MS1202為兩臺立式容器組成，均采用雙層床結構，當一臺運行時，另一臺則由來自冷箱系統（主要有E1、E2、C1、K1、EXP1和閥門、管件等組成，見虛線框內部分）的部分富氧空氣通過E1201加熱后進行再生，再生后的富氧空氣和冷箱系統來的其余部分富氧空氣匯合后進入SL1201放空。
來自純化系統的空氣進入冷箱系統內的E1被返流氣體（富氧空氣和氮氣）冷卻到露點的空氣進入C1的底部進行精餾。在C1中，上升氣體與下流液體在塔板上充分接觸，傳熱傳質后，上升氣體中氮的濃度逐漸增加，在C1的頂部抽出部分氮氣經E1復熱后作為產品氮氣供用戶，C1頂部的其余氮氣進入C1頂部的K1被冷凝成液氮后除部分作為液氮產品外其余作為C1的回流液返回C1參加精餾，在C1底部產生的富氧液空被K1返回的富氧空氣經E2過冷，節流后進入K1為C1提供冷量（將C1頂部的氮氣冷凝成液氮）；在進入K1中的氣氮被冷凝成液氮的同時，節流后進入K1中的富氧液空被汽化為富氧空氣，富氧空氣經過E2復熱后進入E1被復熱后到適當溫度后再送入膨脹機進行膨脹制冷，膨脹制冷后的富氧空氣再返回E1被復熱后進入純化系統。
四、分析找出高氮裝置變負荷的瓶頸
裝置中管道、切換閥、截止閥一般對變負荷的不是很敏感，空氣過濾器（AF1001）對變負荷同樣也不敏感，換熱設備（E1、E2、K1）在工況變小時復熱會更好（溫差會自動減小）；C1001、RU1101、MS1201/MS1202、E1201、EXP1、C1、節流閥對變負荷非常敏感，以下就各設備進行分析。
1）空壓機一般有三種形式，無油離心式壓縮機的操作為75~105%、價格較貴、適用于大型機組，無油活塞式壓縮機原則上不能調負荷、價格非常便宜、適用于小型機組，無油螺桿式壓縮機調負荷能力較小、價格較貴、適用于中小型機組。并且在相同氣量下，采用四臺無油活塞壓縮機與采用
一臺無油活塞機價格相差不大，而四臺無油離心式或螺桿式壓縮機比單臺價格要高2～3倍。經過綜合評估采用四臺無油活塞式壓縮機來滿足用戶的需求。
2）預冷常規有兩種形式，活塞式預冷機適用于中小型機組，調節范圍較小（75%～100%），一般采用多機頭（同規格）形式來滿足大范圍的負荷調節，價格較低；螺桿式與冷劑適用于大型機組，調節方位較大（50%～100%），價格較高。本方案采用四個機頭的活塞式預冷機來達到用戶的工況。
3）氣量減小對吸附器的吸附工況沒有影響，但是再生氣量減小首先是再生不徹底，再者氣量減少電加熱器出口溫度會升高。一般空分裝置的再生氣量為加工氣量的20%，高氮裝置的再生氣量為加工氣量的30%。以100Nm3/h的加工空氣量、空氮比按2.5:1進行分析計算。
根據上表數據，只有25%工況下再生氣量不能滿足；這是可以利用吸附器的吸附量總量不變特性，當處理量減少時延長吸附時間和加溫再生時間，這樣也能保證再生徹底。
4）電加熱器在氣量減少時會導致出口溫度偏高，為了解決這個問題可以將電加熱器的電加熱管進行分組；本文四期項目可將電加熱管分成兩組、也可分成三組和四組來滿足變負荷的需要。
5)膨脹機的制冷效率和制冷量在變負荷（減負荷）是如何保證顯得很重要，一般膨脹氣量的設計點為100%時，在70%～130%負荷之間膨脹機的效率基本保持不變；本文四期項目中將設計點定位77%，這樣在54%～100%負荷之間膨脹機的效率保持不變。根據表1數據也只有25%工況不能滿足要求，這是又可利用膨脹機的高溫高焓降（膨脹機的進口溫度提高制冷量增加）特性和換熱器（E1）在小氣量下換熱更充分（復熱更徹底，溫差更小）的結果來滿足25%工況下的冷量平衡。
6)氮精餾塔一般采用篩板塔或規整填料塔，篩板塔的操作彈性理論上為2～4，實際裝置中一般控制在1.5；規整填料塔操作彈性理論上為5.1【2】，實際裝置中一般控制在2。采用篩板塔25%工況和50%工況的分離效率不能滿足要求，采用規整填料塔只有25%工況難以滿足。故而決定采用規整填料方案，同時與天津大學進行溝通如何保證25%工況能夠很好運行，最后確定采用特殊（專門設計）液體分布器結構來滿足小工況下氣液充分接觸，確保換熱換質效率。
選擇長閥芯的節流閥門來滿足操作需要，選擇不到長閥芯的節流閥就要求閥門廠家開發出滿足要求的特殊節流閥。
五、合理選擇設計方案
1.本項目按四期投產設計，整個高氮裝置的設計點按100%，校核四期的負荷分別為25%、50%、75%、100%；工藝上能夠滿足要求。同時進行系統的物料平衡和冷量平衡核算也能達到預期效果。
2.空壓機采用四臺無油活塞式；預冷機選用活塞式四機頭結構形式；吸附器根據操作工況調整切換周期，電加熱器采用分組（分為四組）設計；要求膨脹機廠家在低負荷是盡量保證膨脹機的效率；節流閥采用特殊結構來滿足流量的大范圍調節；精餾塔采用特殊設計，用高效的規整填料代替篩板，要求填料廠家設計特殊的液體分布器來滿足低負荷工況，使得所有單元設備均能在低負荷下正常運行。
若上多套設備投資會增加很多，操作維護比較麻煩，同時占地面積也會很大；使用液氮汽化能耗明顯增加（一般液氮的能耗是氣氮產品能耗的3～4倍）；采用放散方式不符合節能減排要求。
4.裝置停車后4-6小時再啟動到產品純度達標一般需要1～2小時，時間顯得較長。
鑒于以上原因和理論分析開發出分期變負荷高氮裝置來滿足分期投資用戶的需要。首套用戶為內蒙古1 600Nm3/h（每期400Nm3/h共四期）高氮裝置。
六、分期變負荷調試結果
1.經過設計、生產制造、現場安裝，最終調試出了合格的氮氣。
注：*的能耗是根據設計計算得出，由于用戶的用氣變化，首期用氮大約800Nm3/h，故而檢測時只能測50%工況和75%工況以及100%工況；檢測25%的工況會影響用戶的正常生產，故而沒有檢測25%工況。篩板塔高氮裝置的耗電是根據設計計算得到。
**的耗電量是根據篩板塔高氮裝置75%算得，小于75%的負荷是靠產品氣放空來實現的。
2.100%工況和75%工況節能1.2%，50%工況節能26.8%，25%工況沒有檢測，根據設計計算數據可節能63%。
3.裝置調試完成后又承接了一套3 000 Nm3/h高氮裝置，要求前3年只產800Nm3/h氮氣，最大產量為3 300Nm3/h氮氣，原料空氣由管網提供。根據首套裝置的經驗，半年后裝置建成，順利調試出800Nm3/h氮氣，空氮比控制在2.5以內；兩年后用戶的氮氣用量達到3 000 Nm3/h，調整工況后系統穩定，同時用戶按3 300 Nm3/h氮氣產品進行裝置調試也能穩定運行。
七、結論
針對新的課題敢于創新思路，對系統中的每一個細小單元進行分析，找出制約因素；針對每個細小問題找到合理有效的解決方案；通過實實在在的裝置來檢驗方案的合理性。
篩板塔的高氮裝置的操作彈性為75～110%，當用戶的實際用氮量少于75%是靠產品氣放空來維持整個裝置的穩定運行。這就使得用戶實際用氮的能耗增加，如何提高整套裝置的操作彈性就顯得很重要了。
二、變負荷高氮裝置使用環境
根據用戶的詢價信息以及與用戶的充分溝通，對變負荷型高氮裝置的具體要求有了一定的認識。
第一種是最終用戶的項目分兩到四期投產，每期投產需1～2年，裝置的用氮量也會跟著越來越大；分兩期投產的用氮量為每期50%，分三期投產的用氮量為每期33%，分四期投產的用氮量為每期25%，并且每期的用氮量完全一樣；這種情況有些用戶按一期的產量上幾套相同的高氮裝置，有的用戶按總產量上一套高氮裝置通過產品放散來實現；
第二種情況是最終用戶用氣比較特殊，一段時間用氣量大，一段時間用氣量小，成周期性變化且周期較長。這種情況有些用戶按小氣量上一套高氮裝置來滿足氣量小工況，同時采用液氮汽化來補充高氮裝置滿足用氣量大工況；也有用戶采用一套大氣量裝置直接滿足氣量大工況，通過減負荷并放散部分產品來實現氣量小工況；也有用戶按平均使用量來上高氮裝置，氣量小工況時將多余的氮氣經氮壓機加壓儲存，氣量大工況時將加壓氮氣釋放補充到產品中。
第二種情況不同用戶方案差別較大，氣量的變化大小、周期長短、液體價格、周邊液體市場、裝置投資以及能效比均需要考慮，進行綜合評估確定可靠的技術方案。第一種情況相對簡單，主要因素是投資價格、電耗。本文以第一種情況（四期項目）為例進行設計理念闡述，并將實際運行的裝置與同行分享。
三、分期變負荷高氮裝置流程敘述
分期變負荷高氮裝置的主要配置為空氣過濾器（AF1001）、空壓機（C1001）、預冷機（RU1101）、吸附器（MS1201和MS1202）、電加熱器（E1201）、消音器（SL1201）、主換熱器（E1）、過冷器（E2）、氮精餾塔（C1）、冷凝蒸發器（K1）、膨脹機（EXP1）。
空氣進入AF1001，濾去塵埃和機械雜質，進入C1001進行壓縮，經末級冷卻器冷卻到約40℃后進入RU1101，冷卻到8℃后進入純化系統（主要有MS1201、MS1202、E1201、SL1201和閥門、管件等組成）；出RU1101的空氣進入用來吸附除去水份、二氧化碳、碳氫化合物的純化系統；純化系統中的MS1201和MS1202為兩臺立式容器組成，均采用雙層床結構，當一臺運行時，另一臺則由來自冷箱系統（主要有E1、E2、C1、K1、EXP1和閥門、管件等組成，見虛線框內部分）的部分富氧空氣通過E1201加熱后進行再生，再生后的富氧空氣和冷箱系統來的其余部分富氧空氣匯合后進入SL1201放空。
來自純化系統的空氣進入冷箱系統內的E1被返流氣體（富氧空氣和氮氣）冷卻到露點的空氣進入C1的底部進行精餾。在C1中，上升氣體與下流液體在塔板上充分接觸，傳熱傳質后，上升氣體中氮的濃度逐漸增加，在C1的頂部抽出部分氮氣經E1復熱后作為產品氮氣供用戶，C1頂部的其余氮氣進入C1頂部的K1被冷凝成液氮后除部分作為液氮產品外其余作為C1的回流液返回C1參加精餾，在C1底部產生的富氧液空被K1返回的富氧空氣經E2過冷，節流后進入K1為C1提供冷量（將C1頂部的氮氣冷凝成液氮）；在進入K1中的氣氮被冷凝成液氮的同時，節流后進入K1中的富氧液空被汽化為富氧空氣，富氧空氣經過E2復熱后進入E1被復熱后到適當溫度后再送入膨脹機進行膨脹制冷，膨脹制冷后的富氧空氣再返回E1被復熱后進入純化系統。
四、分析找出高氮裝置變負荷的瓶頸
裝置中管道、切換閥、截止閥一般對變負荷的不是很敏感，空氣過濾器（AF1001）對變負荷同樣也不敏感，換熱設備（E1、E2、K1）在工況變小時復熱會更好（溫差會自動減小）；C1001、RU1101、MS1201/MS1202、E1201、EXP1、C1、節流閥對變負荷非常敏感，以下就各設備進行分析。
1）空壓機一般有三種形式，無油離心式壓縮機的操作為75~105%、價格較貴、適用于大型機組，無油活塞式壓縮機原則上不能調負荷、價格非常便宜、適用于小型機組，無油螺桿式壓縮機調負荷能力較小、價格較貴、適用于中小型機組。并且在相同氣量下，采用四臺無油活塞壓縮機與采用
一臺無油活塞機價格相差不大，而四臺無油離心式或螺桿式壓縮機比單臺價格要高2～3倍。經過綜合評估采用四臺無油活塞式壓縮機來滿足用戶的需求。
2）預冷常規有兩種形式，活塞式預冷機適用于中小型機組，調節范圍較小（75%～100%），一般采用多機頭（同規格）形式來滿足大范圍的負荷調節，價格較低；螺桿式與冷劑適用于大型機組，調節方位較大（50%～100%），價格較高。本方案采用四個機頭的活塞式預冷機來達到用戶的工況。
3）氣量減小對吸附器的吸附工況沒有影響，但是再生氣量減小首先是再生不徹底，再者氣量減少電加熱器出口溫度會升高。一般空分裝置的再生氣量為加工氣量的20%，高氮裝置的再生氣量為加工氣量的30%。以100Nm3/h的加工空氣量、空氮比按2.5:1進行分析計算。
根據上表數據，只有25%工況下再生氣量不能滿足；這是可以利用吸附器的吸附量總量不變特性，當處理量減少時延長吸附時間和加溫再生時間，這樣也能保證再生徹底。
4）電加熱器在氣量減少時會導致出口溫度偏高，為了解決這個問題可以將電加熱器的電加熱管進行分組；本文四期項目可將電加熱管分成兩組、也可分成三組和四組來滿足變負荷的需要。
5)膨脹機的制冷效率和制冷量在變負荷（減負荷）是如何保證顯得很重要，一般膨脹氣量的設計點為100%時，在70%～130%負荷之間膨脹機的效率基本保持不變；本文四期項目中將設計點定位77%，這樣在54%～100%負荷之間膨脹機的效率保持不變。根據表1數據也只有25%工況不能滿足要求，這是又可利用膨脹機的高溫高焓降（膨脹機的進口溫度提高制冷量增加）特性和換熱器（E1）在小氣量下換熱更充分（復熱更徹底，溫差更小）的結果來滿足25%工況下的冷量平衡。
6)氮精餾塔一般采用篩板塔或規整填料塔，篩板塔的操作彈性理論上為2～4，實際裝置中一般控制在1.5；規整填料塔操作彈性理論上為5.1【2】，實際裝置中一般控制在2。采用篩板塔25%工況和50%工況的分離效率不能滿足要求，采用規整填料塔只有25%工況難以滿足。故而決定采用規整填料方案，同時與天津大學進行溝通如何保證25%工況能夠很好運行，最后確定采用特殊（專門設計）液體分布器結構來滿足小工況下氣液充分接觸，確保換熱換質效率。
選擇長閥芯的節流閥門來滿足操作需要，選擇不到長閥芯的節流閥就要求閥門廠家開發出滿足要求的特殊節流閥。
五、合理選擇設計方案
1.本項目按四期投產設計，整個高氮裝置的設計點按100%，校核四期的負荷分別為25%、50%、75%、100%；工藝上能夠滿足要求。同時進行系統的物料平衡和冷量平衡核算也能達到預期效果。
2.空壓機采用四臺無油活塞式；預冷機選用活塞式四機頭結構形式；吸附器根據操作工況調整切換周期，電加熱器采用分組（分為四組）設計；要求膨脹機廠家在低負荷是盡量保證膨脹機的效率；節流閥采用特殊結構來滿足流量的大范圍調節；精餾塔采用特殊設計，用高效的規整填料代替篩板，要求填料廠家設計特殊的液體分布器來滿足低負荷工況，使得所有單元設備均能在低負荷下正常運行。
若上多套設備投資會增加很多，操作維護比較麻煩，同時占地面積也會很大；使用液氮汽化能耗明顯增加（一般液氮的能耗是氣氮產品能耗的3～4倍）；采用放散方式不符合節能減排要求。
4.裝置停車后4-6小時再啟動到產品純度達標一般需要1～2小時，時間顯得較長。
鑒于以上原因和理論分析開發出分期變負荷高氮裝置來滿足分期投資用戶的需要。首套用戶為內蒙古1 600Nm3/h（每期400Nm3/h共四期）高氮裝置。
六、分期變負荷調試結果
1.經過設計、生產制造、現場安裝，最終調試出了合格的氮氣。
注：*的能耗是根據設計計算得出，由于用戶的用氣變化，首期用氮大約800Nm3/h，故而檢測時只能測50%工況和75%工況以及100%工況；檢測25%的工況會影響用戶的正常生產，故而沒有檢測25%工況。篩板塔高氮裝置的耗電是根據設計計算得到。
**的耗電量是根據篩板塔高氮裝置75%算得，小于75%的負荷是靠產品氣放空來實現的。
2.100%工況和75%工況節能1.2%，50%工況節能26.8%，25%工況沒有檢測，根據設計計算數據可節能63%。
3.裝置調試完成后又承接了一套3 000 Nm3/h高氮裝置，要求前3年只產800Nm3/h氮氣，最大產量為3 300Nm3/h氮氣，原料空氣由管網提供。根據首套裝置的經驗，半年后裝置建成，順利調試出800Nm3/h氮氣，空氮比控制在2.5以內；兩年后用戶的氮氣用量達到3 000 Nm3/h，調整工況后系統穩定，同時用戶按3 300 Nm3/h氮氣產品進行裝置調試也能穩定運行。
七、結論
針對新的課題敢于創新思路，對系統中的每一個細小單元進行分析，找出制約因素；針對每個細小問題找到合理有效的解決方案；通過實實在在的裝置來檢驗方案的合理性。
