首钢氧气厂实习报告.doc

毕 业 设 计（论 文）【目录】一、北京首钢氧气厂氧气厂简介 3二、空分基础知识 41.温度 41.1摄氏温标 41.2华氏温标 41.3热力学温标 51.4各温标之间的换算关系 52.压力 52.1常用的压力单位 52.1.1物理大气压（at） 52.1.2工程大气压 62.1.3mmH2O柱和mmHg柱 62.2压力单位换算 63.工业制氧的方法 6三、空分设备流程 11四、DCS控制系统 13五、空分的安全技术 16六、我所在的三万五空分机组 181.三万五空分机组所具有的流程特点 182.空分机组运行工况 20七、总结 21参考文献 22实习总结通过近两个月在首钢氧气厂的实习，我对首钢氧气厂有了进一步的认识，在师傅的指导下，学习了空分的基础知识，空分系统的组成，制氧原理，DCS系统的运用等课本上学不到的东西，现将本人在氧气厂的实习经历总结如下：一、北京首钢氧气厂氧气厂简介北京首钢氧气厂1958年建成投产，1975年11月正式建厂。1997年10月9日与首钢总公司分立成为独立法人企业。企业注册资金6551.2万元人民币，现有固定资产净值3.6亿元。氧气厂坚持诚信经营，被北京市工商行政管理局公示为“守信企业”。氧气厂共有中、日、德、法等国生产制造的十套制氧机组，主要生产经营氧气、氮气、氩气、氦气、氖气、氪气、氙气、液氧、液氮、液氩、医用氧11种气、液体产品。氧气厂标准物质配器中心可承揽多种组分的标准气和组合气配制。拥有国内、外先进气体分析仪器，确保产品质量合格。稀有产品氦气、氖气、氪气、氙气曾获第五届亚洲及太平洋国际贸易金奖。各种优质产品在国内外享有较高信誉，远销华北、华南等16个省和直辖市，出口日本、美国、德国。氧气厂“一业多地”的生产、经营发展格局已初步形成。河北迁安、秦皇岛建有制氧分厂和制氧站；天津、河北多地建有液体产品储罐基地；大型液体运输槽车10余辆，运输能力达220m/天,可为国内用户提供优质服务。氧气厂下属氧通气体设备检修中心，具有高压阀门和钢瓶检测资质，可提供优质可靠的气体设备检修、维护和检测服务。北京首钢氧气厂占地面积98551平方米，厂内保存有北京市石景山区区级重点保护文物“雍正御碑”。厂区比邻首钢“群明湖”，冬季有上千只候鸟嬉戏过冬。风景靓丽，环境优美。二、空分基础知识1.温度表示物质的冷、热程度；温度是物质分子热运动平均动能的度量；温度越高，分子热运动的平均动能就越大；温度的数值用“温标”来表示；温标是衡量物质温度的标尺；常用的温标有：摄氏温标（）、华氏温标（）、热力学温标（K）三种。1.1摄氏温标标准大气压下，纯水的冰点是摄氏零度，沸点是100度，将其分为100等分，每一等分代表摄氏1度，用符号标记。仪表指示的温度通常为摄氏温标。1.2华氏温标标准大气压下，纯水的冰点是华氏32度，沸点是212度，将其分为180等分，每一等分代表华氏1度，用符号标记。西方国家常用华氏温标。1.3热力学温标热力学温标又称绝对温标或开尔文温标。绝对温标规定：在标准大气压下纯水的三相点为273.16度，沸点与三相点间分为100格，每格为1度，用符号K表示。-273.16 定为绝对零度。从绝对零度算起，绝对温标与摄氏温标的刻度相同。绝对零度只能接近，无法达到。工程常用绝对温标。1.4各温标之间的换算关系同一温度的摄氏温标数值为t，华氏温标数值为F，热力学温标的数值为T，各温标之间的换算关系为：tT-273.16t（F-32）/1.8Tt273.16 F1.8t32摄氏温标与绝对温标的刻度值大小相同，其温差值也是相同的，不用换算。2.压力单位面积上所受的垂直作用力称为压力。压力的名称是“帕斯卡”，单位符号为Pa。每平方米面积上作用1牛顿的力而产生的压力为1 Pa。2.1常用的压力单位2.1.1物理大气压（at）：温度0、纬度45海平面上大气的平均压力。物理大气压也称标准大气压。1标准大气压1.013105Pa2.1.2工程大气压工程技术上常用的压力单位。工程大气压指每平方厘米面积上作用1千克力而产生的压力，单位可用kgf/cm2表示。1工程大气压9.81104Pa2.1.3mmH2O柱和mmHg柱在压力测量中，往往直接读出水柱和水银柱的高度，因此就直接用mm水柱和mm水银柱来表示压力的大小。如一个工程大气压就是1000mm水柱，正常人的血压值是125/85，其实就是高压125mm水银柱，低压85mm水银柱。1mmH2O9.81PammHg133.32Pa2.2压力单位换算1MPa=106Pa1 kgf/cm2=9.81104Pa0.1MPa1MPa 10kgf/cm21bar=105Pa=0.1MPa 1kgf/cm23.工业制氧的方法1.氧气的生产方法水电解法；化学法；空气分离法：低温法、吸附法、膜分离法1.1水电解法：将水电解而产生氧气：2H2O=O22H2水电解的特点：可以同时生产氧气和氢气；较危险，氢气属于易燃易爆气体；每生产1M3的氧气同时可以生产氢气2M3；纯度高；耗电量大，每生产1M3的氧气耗电量约1215度；不适宜大量生产氧气。1.2化学法：将氯酸钾加热分解出氧气，1公斤氯酸钾能放出270升氧气；氧化钡加热生成过氧化钡，再加热放出氧气，2BaO+O2=2BaO2 2BaO2=2BaO+O2，1公斤氧化钡可以制取100升氧气。化学法的特点：原料贵重，消耗量大；生产能力小；不适宜大量生产氧气。1.3空气分离法1.3.1低温法将空气压缩、冷却，使空气饱和液化，利用氧、氮组分的沸点差，用精馏的方法将氧氮分离，从而获得高纯度的氧和氮。低温法是实现空气分离是深冷与精馏的组合，是目前应用最为广泛的空气分离方法，在国内外的制氧行业中占统治地位。低温法的特点：产量大：目前国内最大的制氧机在宝钢，制氧能力为72000M3/h，国外最大的制氧机在巴西，制氧能力为110000M3/h。氧气和氮气纯度高：氧气的纯度可达99.6%以上，氮气纯度可达99.999%；电耗低；适宜大规模生产；可以同时生产氩气等稀有气体。1.3.2吸附法让空气通过分子筛吸附塔，利用分子筛对空气中的氧、氮组分选择性吸附而使空气分离获得氧气。吸附法流程图：吸附法的特点：流程简单，常温运行，设备便易，投资少；全自动控制，制氧快速，能耗低，生产1M3氧气的能耗只有0.4KWH；产品单一，不能同时生产氧和氮；纯度低，氧纯度只有90%93%；分子筛体积大，不适合大型化生产，一般用在小于4000M3/H氧气的场合；分子筛切换时间太短（两分钟），系统容易出故障，不适合连续运转。1.3.3膜分离法利用有机聚合膜的选择渗透性，从气体混合物中将氧、氮分离，获得富氧气体。膜分离法原理氧、氮、氩透过膜的速率不同，氧氩氮，氧气透过膜的速度约为氮气的45倍；分离膜很薄，而且具有很多的微孔 ；分离膜对不同的气体组分具有选择透过性 ；不同气体组分在分离膜中的溶解度和扩散系数不同 ；在膜中形成气体浓度梯度；膜分离法的特点产品纯度低，氧纯度只有4050%；可以生产高纯度的氮气；装置简单，操作方便；运动元件及易损件少，运行较平衡；分离膜易堵塞；分离膜制造困难，价格高；不适合大型化生产。2.氧、氮、氩的用途2.1氧气的用途：钢铁行业：将高纯氧吹入转炉使铁中的碳、硫、磷、硅等杂质氧化，可以大缩短冶炼的时间，提高钢的质量；有色金属行业：用富氧代替空气进行熔炼，可以降低能耗，减少有害烟气量，提高设备生产能力；化学工业：合成氨生产化肥过程中使用氧气可以强化工艺过程，提高化肥产量；能源工业：煤气化及煤气化联合发电等。机械工业：金属切割及焊接；国防工业；液氧可做火箭和超音速飞机的助燃剂，液氧浸泡的可燃物可做炸药；医疗部门：病人的急救及辅助治疗。2.2氮气的用途冶金、电子与石油工业：保护气；化学工业：合成氨生产化肥、硝酸、炸药、塑料等；食品工业：食品的速冻、保鲜与防腐；医疗部门：冷冻剂；高科技行业：利用液氮的低温可使某些材料获得超导性能。2.3氩气的用途金属冶炼：用于置换气体防止工艺流程中的氧化 ，用于搅拌钢水来保持恒定的温度和成份的同一，不锈钢精炼中去除一氧化碳和减少铬的损失 ；机械工业：铝、镁、铜及合金和不锈钢的焊接保护气；电子工业：保护气和热传导；照明：用于白炽灯和荧光灯泡的充气，在氖灯中制造蓝光 。三、空分设备流程1.1系统组织空分设备是一个大型的复杂系统，主要由以下子系统组成：动力系统、净化系统、制冷系统、热交换系统、精馏系统、产品输送系统、液体储存系统和控制系统等。 空分设备系统流程图动力系统：主要指原料空气压缩机。空分设备将空气经低温分离得到氧、氮等产品，从本质上说是通过能量转换来完成的。而装置的能量主要是由原料空气压缩机输入的。相应地，空气分离所需的总能耗中局大部分是原料压缩机的能耗。净化系统：由空气预冷系统（空冷系统）和分子筛纯化系统（纯化系统）组成。经压缩后的原料空气温度较高，空气预冷系统通过接触式换热降低空气的温度，同时可以洗涤其中的酸性物质等有害杂质。分子筛纯化系统则进一步去除空气中的水分、二氧化碳、乙炔、重烃和氧化亚氮等对空分设备运行有害的物质。制冷系统：空分设备是通过膨胀机制冷的，整个空分设备的制冷严格遵循景点的制冷循环。不过通常提到空分设备的制冷系统，主要是指膨胀机。热交换系统：空分设备的热平衡是通过制冷系统和热交换系统完成的。随着技术的发展，现在换热器主要使用铝制板翅式换热器。精馏系统：空分设备的核心，实现低温分离的重要设备。通常采用高、低压两级精馏方式。主要由低压塔、中压塔和冷凝蒸发器组成。产品输送系统：空分设备生产的氧气和氮气需要有一定的压力才能满足后续系统的使用。主要有不同规格的氧气压缩机和氮气压缩机组成。液体储存系统：空分设备能生产一定的液氧和液氮等产品挤入液体贮存系统，已备需要时使用。主要有不同规格的贮槽、低温液体泵和汽化器组成。控制系统：大型空分设备都采用计算机集散控制系统，可以实现自动控制。四、DCS控制系统DCS(Distributed Control System),既分散型控制系统，集控制技术、显示技术、计算机技术和通信技术于一体，实现控制分散、故障率分散及危险性分散，操作集中，解决了常规模拟仪表功能单一、操作分散的问题。利用DCS的冗余技术，使控制器、电源及通讯总线采用双机热备的形式，控制的可靠性得到进一步提高。能够实现连续控制、顺序控制、逻辑控制、先进控制、数据采集及网络之间的互相通讯等功能，将生产的过程控制、监视操作和工厂管理有机的结合起来。在DCS系统中，冗余结构指的是采用主备双模冗余结构。当主模块正常进行时，由其输出控制指令，而备模块虽然也在热运行（即也进行数据采集和运算），但并不输出控制指令。当主模块发生故障时，则由冗余切换模块通知备模块，控制权由主模块交至备模块，保证控制功能无扰动地正常运行。DCS系统的主要硬件构成包括I/O卡件、控制器、操作站/工程师站及通讯网等。I/O卡直接与现场仪表相连，实现A/D、D/A的转换及部分的输入输出处理，采集来自检测仪表的信号，输出模拟或数字信号至执行器。部分或全部I/O卡可采用冗余结构。控制器完成I/O信号的部分输入输出处理，运用各种控制算法，实现控制策略，完成连续的PID调节、顺序控制、逻辑计算及先进的过程控制等功能。通过串口接口，可以实现与PLC子系统的单向或双向通讯，例如符合MODIBUS、PROFIBUSDP等协议的PLC和AB的PLC等。具有冗余和容错应用技术。通讯网包括过程控制网、I/O链和信息管理网，控制器、操作站均是过程控制网的一个节点，过程控制网以令牌或冲突检测方式进行数据的通讯，速率一般为5Mb/s或10Mb/s。过程控制网实现了控制器与控制器之间、控制器与操作站之间、操作站与操作站之间的点对点的数据通讯，一般采用冗余结构。I/O链是控制器与I/O卡件之间的通讯链，I/O链一般不采用通用的通讯协议，为各DCS厂家自己开发，其速度一般在25Mb/s，可采用冗余I/O链。信息管理网实现控制层与工厂管理层之间的数据通讯。操作站/工程师站是我们通常所说的人机界面。操作站的主要功能，通俗地说，就是从控制器读取过程采集来的数据，同时操作人员把操作站设定的数据通过控制网写到控制器里。总之，操作站完成了过程数据的实时监视各种画面显示、操作命令的输入、报警和事件、报表及打印、系统诊断和维护、系统组态。同时，开放的OPC接口可以实现不同DCS之间或DCS与上位管理机之间的数据通讯，通过网间服务器可以实现远程访问。人家界面一般分为工程师站和操作员站。一般DCS必须至少有一个工程师站，已用于工程的组态，数据的管理及第三方的系统进行文件和图形传输等功能。工程师站兼具操作员站的功能。不同的DCS操作界面有所不同，但完成的基本功能相同。总结起来，一般的操作界面有如下几种功能：（1） 组态画面：用于工程师进行应用软件的组态、文件拷贝和下装等。（2） 流程图画面：带测点的流程图动态显示，包括过程数据的实时显示，管道、阀门及设备的颜色动态变化，液位的动态显示等。（3） 调整画面或点的详细画面：可以在该画面上进行点的具体参数设定。例如报警限值的设定，P、I和D参数的整定，控制回路的手自动切换，控制回路的输出设定等。（4） 仪表棒图：用模拟仪表图相近的形式来显示某一工位号的主要参数，并可以在该点的仪表棒图上进行操作。（5） 控制分组画面：把8个或16个控制上相关联的仪表棒图集中在一个控制分组画面中显示，以便于集中显示比较和操作。（6） 报警画面：显示过程参数的越限报警、联锁报警、系统的状态报警和事件报警等。（7） 操作记录画面：对操作人员所作的操作进行记录的画面。（8） 系统维护画面：显示系统硬件运行状态，是维护人员及时地发现系统存在的硬件问题，尽快排除故障。（9） 历史趋势画面：可以显示某点的历史趋势。（10） 报表画面：显示生成的过程参数报表文件，并进行打印。五、空分的安全技术空分设备的设计安全性是放在第一被考虑的，有了安全的保障，才能谈空分设备的先进性。常规的外压缩流程空分设备最不安全的因素是主冷和氧气透平压缩机，在这方面主要采取的措施是排放1%的液氧及定期分析液氧中乙炔等碳氢化和物的含量。而内压缩流程空分设备做不安全因素是主冷和换热器。可燃组分主要是乙炔等碳氢化合物，乙炔最危险，乙炔在液氧中的溶解度很低，很容易以固态析出并爆炸。堵塞组分主要是二氧化碳、水分和氧化亚氮等，他们本身虽不可燃，但结晶析出后容易堵塞主冷通道，造成主冷“干蒸发”和“死端沸腾”，进而造成乙炔等碳氢化合物可燃组分浓缩、积聚和析出，引发主冷爆炸事故。尤其是氧化亚氮的危险，日渐引起关注。氧化亚氮在主冷浓缩析出，堵塞氧通道，容易引起碳氢化合物的“干蒸发”和“死端沸腾”，造成主冷爆炸。主冷和主换热器内的液氧是强氧化剂。引爆源有多种因素构成：爆炸性杂质固体微粒的机械撞击引爆，如液氧中析出的固态乙炔微粒互相摩擦、与器壁摩擦及受液氧冲击等；静电放电引爆，液氧中含有微量冰粒、固态二氧化碳会产生静电荷化学敏感特强的物质引爆气流冲击、压力冲击和气蚀现象引起的压力脉冲，造成局部压力升高而温度升高引爆。防爆原则：清除和防止乙炔等碳氢化合物可燃组分和二氧化碳、水分及氧化亚氮等堵塞组分的积聚，消除激发能源即多种引爆因素。内压缩流程空分设备中（高）压氧压力一般在2.0MPa以上。液氧在中（高）压换热器中复热蒸发，在此压力和温度下碳氢化合物不可能出现固态析出，它们是随着液氧的蒸发而蒸发，不会聚集。也就是说在此状态中（高）压换热器是安全的。氧的临界压力为5MPa，因此当供氧压力高于氧的临界压力时，溶解的碳氢化合物也转化为气相溶解状态，不会出现所谓的“干蒸发”现象，也不会形成固相碳氢化合物。在此状态下主换热器是安全的。然而碳氢化合物沸点高，而在实际中液氧的压力常低于氧的临界压力，当液氧在中（高）压换热器中产生气化时，会引起碳氢化合物在液相中的浓缩，甚至出现碳氢化合物的固态析出。如果这种情况发生，则中（高）压主换热器爆炸的可能性和危险性远大于主冷。内压缩流程的空分设备，由于主冷中的液氧被大部分抽取去液氧泵加压，因此，在正常运行之中主冷液氧中碳氢化合物大量浓缩积聚几乎是不可能的。但是在某些情况下，尤其是供氧压力特别低或空分设备突然临时停车时，主冷液氧中碳氢化合物大量浓缩积聚非常迅速，此时内压缩流程空分设备的安全性比外压缩流程空分设备安全性更小。内压缩流程取消了氧压机，采用了液氧泵，因而无高温气氧，火险隐患小、安全性好。主冷大量抽取液氧，保证碳氢化合物积聚的可能性降到最低程度。特殊设计的液氧泵自动启动与运行程序可有效地保证装置连续运行与连续供氧。六、我所在的三万五空分机组三万五能源优化装置是北京首钢氧气厂为了响应首钢总公司在“十五”期间压缩规模、淘汰落后、环境治理、产品结构调整；炼铁高炉喷煤技术改造，降低焦比，增大高炉喷煤量的精神而做出的英明决策。该项目由法国液空公司（杭州）于设计制造并进行调试试车的，于2006年9月试车成功并网投入使用。该项目不同于北京首钢氧气厂其他机组的工艺流程，采用的是世界上先进的全低压、全板式、规整填料空分塔及采用无氢制氩、氧气及氩气内压缩工艺，本套制氧机组的工艺特点是：安全可靠、操作稳定、维修少、寿命长、能耗低。一、 三万五空分机组所具有的流程特点：原料空气经空气过滤器去除机械杂质后进空气压缩机压缩，压缩至0.45MPa后，经分子筛吸附器将空气中的水分和二氧化碳吸附掉送入空气增压机压缩至5.45MPa后，经办板式换热器与返流产品换热后，使温度降低经液体膨胀机膨胀后进入下塔参与精馏。部分被净化的干燥空气经板式换热器与返流产品气体换热后，温度降至接近液体温度后进入下塔内达到初步分离，在下塔顶部取出氖氦不凝缩气体作为最终生产氖氦气产品原料气。而下塔顶部取出部分氮气作为产品气体送出。空气在上塔进一步分离，最后再上塔顶部取出纯氮及部分液氮产品。从上塔取出液氧产品送入液体储罐经液氧泵加压、换热后作为气氧产品送出。液氩产品送到液氩储槽。从液氩储槽出来加压至2.5MPa经主换热器复热后进入原有氩气管网。氧气产品经液氧泵加压到3.0MPa进主换热器复热后送球罐，然后进氧气调压站调到1.6MPa送入区管网。一部分氮气产品经液氧泵加压到3.0MPa，送至原溅渣护炉氮气管网。另一部分氮气产品经氮压机加压到1.0MPa送球罐，然后进氮气调压站调到0.6MPa送厂区综合管网。氩气制取主要是由于氩气采用了无氢制氩新工艺，氩馏分在粗氩塔进一步精馏将氧洗涤为液体氧回主塔再次精馏。在粗氩塔顶部取出含氧小于1ppm/02液体氩送入精氩塔进一步精馏取出氮，在精氩塔底部得到99.999%氩气产品，送入液氩储罐经泵压缩、换热后作为气氩产品送出。氪氙连续部分的制取，氪氙原料来自于粗氩冷凝器底部富氧液空合主冷底部液体氧经氪氙积聚塔初步浓缩后，经氪氙净化系统将甲烷除掉后，送入氪氙初级净化塔和二级氪氙混合塔进一步提纯，最终使送出的氪氙原料气的流量为0.1717Nm/h，氪+氙的含量为98%、含氧量为2%。具体工艺流程特点如下：（1） 氧气产品由装置内直接取液氧经液氧泵加压到3.0MPa气化复热后送出，取消了氧压机，提高了安全性和可靠性；（2） 采用全精馏填料塔工艺，实现了无氢制氩，减少传统流程配备氢气系统的不安全因素；（3） 装置变负荷能力大大增强，能更好的适应不均衡的氧气需求，装置所具有的快速变负荷能力目前在全国同行业中属于首先采用的新技术，而其常规变负荷范围之大也是各钢厂所不能比拟的；（4） 采用DCS和上位计算机进行工艺流程的检测、控制、优化和负荷跟踪调节，实现自动操作。可以运行多种模式，根据需要选定模式生产。（5） 氖、氦、氪、氙稀有气体全提取，提高装置产品品种，提高综合经济性。（6） 高压液空入下塔前采用液体膨胀机回收能量，进一步降低装置运行能耗。二、 空分机组运行工况： 三万五空分机组还具有没有任何旁通或放空的前提下有超大的调节范围的特性，在全国同行业中是唯一可大范围进行变负荷操作的空分机组。同时，三万五空分组保证了在设计点上每个设备的效率都处于最高点，从而使整套装置的能耗处于最优化状态。其具有以下可变工况特点：1、 正常变工况：在正常变负荷时，负荷的调节是通过调节冷箱进口空气流量来实现的，再不外加任何设备和增压机出口气体不打回流的情况下，以设计氧产量的70%105%的范围内调节，即调节主控压机进口导叶的开度，其调节速度为每分钟75立。2、 快速变负荷时建立在正常变负荷工况某一固定操作点的基础上的，即在正常变负荷从70%105%范围内的任何一正常运行点上，保持主空压机处理气量不变并充分利用已有的3000 m液氧储槽，根据用氧量的需求，通过调节送入储槽液氧量，控制进入高压液氧泵加压的液氧量，使氧气产量的增减量在4000-4000Nm/h的范围内快速变化，变化持续时间可在04小时或大于4小时，满足用户工艺用氧快速变化的需要。 此流程有以下特点： 精馏塔操作基本稳定，有利于氩产品的提取； 变负荷迅速，能及时响应氧气产量的快速、大范围变动。而保持产品纯度不变，由于利用了外液氧、液氮槽，变化持