王海亮，郑福林，李浩浩
（宁夏和宁化学有限公司，宁夏 灵武750411）
［摘 要］宁夏和宁化学有限公司2×40 000 m3/h空分装置（企业内部习称04/05空分装置，两开无备）空压机（离心式）与增压机均采用1台双出轴汽轮机拖动（两开无备）。自2014年投运以来，05空分装置空压机中冷器冷却效果差，导致其出口气温度超标、压缩功耗增加、夏季高温环境下打气量不足等。每年利用大修机会对05空压机中冷器进行抽芯清洗，并先后实施了增设循环水上水直排管线、加装篮式过滤器等优化改进措施，虽取得一定成效，但问题始终未能根除。2025年10月大修期间，通过专项测试与深入排查及对比试验，最终查明了症结所在——循环水流量不足并非主因，设备本体缺陷（如密封不良、严重结垢、老化严重）才是导致其换热效率低下的主因。通过更换三级中冷器并优化中冷器清洗策略等，最终彻底解决了05空压机中冷器换热不佳的问题，有效降低了生产成本。
［关键词］空压机；中冷器；换热效果差；常规应对措施；原因排查；专项测试；优化改进；效益分析
［中图分类号］TQ051.5 ［文献标志码］B ［文章编号］1004-9932（2026）03-0048-04
0 引 言
宁夏和宁化学有限公司（简称宁夏和宁）醇氨联产装置主产品产能为440 kt/a合成氨、700 kt/a尿素、300 kt/a甲醇，配套2×40 000 m3/h（标态，下同）空分装置（企业内部习称04/05空分装置，两开无备，型号均为KDON-40000/32875）采用开封空分集团分子筛吸附净化、增压透平膨胀机制冷、氧氮内压缩流程，（离心式）空压机与增压机均采用双出轴汽轮机（两开无备）拖动，为全厂提供氧气、氮气、仪表空气等。据统计，2套空分装置满负荷运行状态下，2台汽轮机驱动的空压机组消耗高压蒸汽高达约217 t/h、耗电约6 500 kW·h/h、耗循环水量约16 000 m3/h。空分装置运行的稳定性与能效水平直接关乎整套醇氨联产装置的生产效率与经济效益，降低空分装置的运行能耗成为提升企业效益的重要手段。
空压机作为空分装置的核心耗能设备之一，提升其运行效率尤为关键。空压机多级压缩过程中会产生大量压缩热，若不能有效移除，将导致气体温度升高、体积膨胀、密度下降，进而增加后续级次的压缩功耗，影响其整体打气量与安全运行，为此，空压机各级之间均设置中间冷却器（简称中冷器），利用循环水将压缩热带走，确保进入下一级的空气温度控制在合理范围内（通常低于50 ℃）。理想状态下，中冷器应具备高效的换热能力，以维持空气压缩过程接近等温压缩，最大限度减少能量损失，但宁夏和宁05空分装置05空压机自2014年原始开车后即表现出中冷器冷却效果差的问题（循环水回水温度异常升高及循环水流量明显低于设计值），南侧二级中冷器、三级中冷器换热效果不佳问题尤为突出，导致其出口气温度超标（中冷器壳程空气进出口温差小，造成05空压机四级入口气温度超标）、压缩功耗增加与高压蒸汽消耗上升，且夏季高温环境下05空压机导叶长期处于全开状态，打气量难以达到设计值210 700 m3/h，严重影响氧气产品的稳定供应及系统运行的经济性与稳定性。尽管宁夏和宁每年利用大修机会对05空压机中冷器进行抽芯清洗，并先后实施了增设循环水上水直排管线、对循环水上水总管开孔检查、加装篮式过滤器等多项技改，虽取得一定成效，但问题始终未能根除。2025年10月大修期间，通过专项测试（全面检测）与深入排查及对比试验，最终查明了症结所在——循环水流量不足（循环水系统压力分布不均）并非主因，而是05空压机中冷器密封结构存在缺陷，尤其是三级中冷器管束结垢、老化严重，最终通过更换三级中冷器并优化中冷器清洗策略等，彻底解决了05空压机中冷器换热不佳问题。以下对有关情况作一介绍。
1 空分装置简介
1.1 空分装置主要子系统
1）空气过滤压缩系统。外界空气首先经过自洁式过滤器去除灰尘、颗粒物等杂质，随后进入由汽轮机驱动的离心式空压机进行多级压缩，空压机出口空气压力约0.6 MPa。
2）预冷系统。高温压缩空气进入预冷系统（水冷塔+空冷塔），利用循环水和返流污氮气进行两级冷却，将空气温度降至约15 ℃，同时去除部分水分和CO2。
3）分子筛纯化系统。冷却后的空气进入分子筛吸附器，吸附器采用双床层结构（下层为活性氧化铝，上层为13X分子筛），深度吸附残余的水分、CO2及碳氢化合物，确保入冷箱空气的洁净度满足深冷分离要求。
4）膨胀机及分馏塔系统。出分子筛纯化系统的净化空气分为两路，一路直接进入主换热器冷却至接近液化温度后送入主精馏塔下塔底部；另一路经增压机增压后再经膨胀机膨胀降温，产生的冷量用于补偿冷箱冷损。在精馏塔系统中，利用氧、氮组分沸点差异实现分离，主精馏塔上塔顶部产出低压氮气，底部抽出液氧，侧线抽出污液氮回流至下塔，并通过粗氩塔提取氩组分使主塔精馏效率更高。
5）液氮储存及汽化系统。部分液氮储存于低温储罐中，在空分装置停车或负荷波动时，液氮可通过汽化器汽化为0.8 MPa低压氮气供全厂使用。
6）仪表空气后备系统。正常工况下，全厂仪表空气由空压机一段中抽气经干燥处理后供给；当2套空分装置同时停车时，启动备用螺杆式仪表空压机，保障关键仪表用气不间断。
1.2 主要产品及其用途
单套空分装置设计产氧气40 000 m3/h、氮气32 875 m3/h，主要产品及其去处：① 高压氧气（8.0 MPa），液氧经高压液氧泵加压并汽化后送往多元料浆气化系统用作气化剂；② 低压氮气（0.05 MPa），由主精馏塔下塔抽出，用作全厂吹扫、置换、保护气；③ 中压氮气（2.5 MPa），经氮压机加压后送至合成氨装置液氮洗系统作为原料气；④ 仪表空气（0.8 MPa），为全厂自动化控制系统提供稳定、干燥的气源；⑤ 液氮（-196 ℃），作为冷源或备用气源储存。
1.3 能源消耗概况
单套空分装置主要能耗为高压蒸汽约108.5 t/h、电能约3 250 kW·h/h、循环水约8 000 m3/h；其中，高压蒸汽主要用于驱动空压机和增压机的汽轮机，是空分装置最大的能源支出项，降低空压机的轴功率需求，成为削减高压蒸汽消耗的关键突破口。
2 05空压机中冷器换热效果差及常规应对措施
2.1 问题描述
05空压机是空气压缩系统的核心设备，采用四级压缩，各级之间设有中冷器，用于冷却压缩后的高温空气，按设计要求各级中冷器应将压缩空气温度降至50 ℃以下，以保证压缩效率与设备安全运行。但自05空分装置投运以来，05空压机南侧的二级中冷器和三级中冷器持续表现出换热效果差的现象，三级中冷器换热效果差尤为明显，具体表现主要有：① 三级中冷器出口气温度超标——其空气侧冷却后温度高达94 ℃，壳程空气进出口温降仅约7 ℃，远低于正常温降（一般要求温降＞20 ℃）；② 三级中冷器换热效率低下——计算得出其实际换热效率不足15%，严重偏离设计值；③ 空压机运行参数异常——四级排气温度最高达117 ℃，超过设计上限105 ℃；④ 空压机打气量不足——其打气量最大仅约205 000 m3/h，低于设计值210 700 m3/h；⑤ 运行调节困难——夏季环境温度较高时（如气温36 ℃），入口导叶长时间处于全开状态，仍无法提升流量，表明空压机已接近喘振边界，运行裕度不足。上述问题直接导致05空压机轴功率上升，驱动汽轮机所需蒸汽量增加，进而推高了单位产品高压蒸汽消耗。
2.2 常规应对措施
更多内容详见《中氮肥》2026年第3期