代宗剑
（安徽晋煤中能化工股份有限公司，安徽 临泉236400）
［摘 要］ 空分装置冷态启动耗时较长、能耗高，且操作调控难度较大。为解决传统空分装置冷态启动主要依赖操作人员经验判断带来的诸多问题，安徽晋煤中能化工股份有限公司对其54 000 m3/h空分装置（氧氮内压缩流程）冷态启动过程之膨胀机联锁启动、分馏塔冷却、主冷积液以及氩系统投运等一系列关键技术环节展开系统剖析，基于其实际运行数据构建了分阶段压力-温度耦合调节思维模型，创新性地提出双膨胀机出口压力平衡控制、液空节流动态调整及氩馏分浓度梯度管理等工艺操作优化策略，并总结了预防膨胀机喘振、主换热器过冷及氮塞现象的实用安全控制方法，构建了一套标准化、科学化的空分装置冷态启动操作体系。2024年8月底54 000 m3/h空分装置的实际冷态启动实践表明，冷态启动时长由72 h大幅缩减至40 h，主冷液化效率提升15%，膨胀机故障率下降约60%，氩提取率大致由83%提升至89%，各项工艺指标均达到设计要求，生产效率大幅提升。
［关键词］空分装置；冷态启动；操作优化；膨胀机联锁控制；分馏塔冷却；主冷积液；氩系统投运；安全控制体系
［中图分类号］TB657.7 ［文献标志码］B ［文章编号］1004-9932（2026）05-0077-04
0 引 言
空分装置作为现代煤化工、冶金等行业的关键配套设施，其冷态启动过程面临诸多复杂技术难题。一方面，热应力的精准控制极具挑战，冷态启动过程中各部件因温度急剧变化产生不均匀热胀冷缩，易引发结构损坏；另一方面，相变节点繁多，涉及气态到液态的多次转变，不同相态下工质的热力学性质差异大，对系统运行参数影响复杂；再者，整个系统耦合性极强，各子系统如膨胀机、分馏塔、主冷、氩系统等相互关联、相互制约，一处参数波动极易引发连锁反应，导致整套装置运行不稳定。传统的空分装置冷态启动操作主要依赖操作人员的经验判断，这种方式存在诸多弊端。例如：膨胀机启动时，由于难以精准掌控双膨胀机出口压力平衡，极易引发喘振风险，严重时可能导致膨胀机轴承损坏甚至停机；分馏塔冷却过程中，若热交换网络调节不精细、液空/液氮节流控制不当，会使液化周期大幅延长，降低生产效率；主冷积液阶段，若缺乏科学的过冷预防机制与精准的液化节点控制，不仅会影响积液速度，还可能导致主换热器过冷损坏；氩系统投运时，若工艺优化不到位，会出现氩馏分浓度波动大、精氩塔精制效果差等问题，影响氩产品质量与提取率。
安徽晋煤中能化工股份有限公司（简称中能化工）54 000 m3/h（标态，下同）空分装置采用杭氧分子筛吸附净化、增压透平膨胀机制冷、氧氮内压缩流程，于2019年5月底投运，整体运行情况较好。空分装置冷态启动耗时较长（一般在72 h）、能耗高，且操作调控难度较大。为解决传统空分装置冷态启动主要依赖操作人员经验判断带来的诸多问题，中能化工对空分装置冷态启动过程之膨胀机联锁启动、分馏塔冷却、主冷积液以及氩系统投运等一系列关键技术环节展开系统剖析，即对冷态启动的关键控制节点进行深入量化分析，基于54 000 m3/h空分装置实际运行数据构建了分阶段压力-温度耦合调节思维模型，创新性地提出双膨胀机出口压力平衡控制、液空节流动态调整及氩馏分浓度梯度管理等工艺操作优化策略，并总结了预防膨胀机喘振、主换热器过冷及氮塞现象的实用安全控制方法，构建了一套标准化、科学化的空分装置冷态启动操作体系，成功将54 000 m3/h空分装置冷态启动时长由72 h大幅缩减至40 h，主冷液化效率提升15%，为大型空分装置的安全、高效启动提供了理论支撑与实践指导，为空分装置的高效稳定生产提供了有力保障。以下对有关情况作一介绍。
1 膨胀机联锁启动控制策略
1.1 双膨胀机出口压力动态平衡控制
空分装置冷态启动初期，确保双膨胀机出口压力平衡至关重要。为此，需建立双膨胀机出口压力动态平衡控制，其关系式为Δp=｜p1-p2｜ /p0≤5%（式中：Δp——双膨胀机出口压差， %；p0——设计压力，通常取值0.45 MPa；p1——膨胀机A喷嘴压力，MPa；p2——膨胀机B喷嘴压力，MPa）。通过高精度压力传感器实时监测喷嘴背压，将压力信号传输至控制系统，采用先进的PID调节器精准控制喷嘴开度；当监测到双膨胀机出口压差有超限趋势时，优先采取降低高背压机组转速的措施，降幅控制在200～300 r/min，可有效避免气流倒灌引发的膨胀机轴承失效问题，保障膨胀机的稳定运行。
实际运行案例：在一次54 000 m3/h空分装置冷态启动过程中，初始启动时未精准控制双膨胀机出口压力，导致其压差（Δp）迅速增大至8%，喷嘴压力低的膨胀机出现增压段蜗壳发热发烫现象，气流剧烈波动，操作人员及时察觉到此异常状况，按照既定控制策略迅速调整喷嘴开度并降低高背压机组转速250 r/min，使Δp在5 min内恢复至正常范围，成功避免了设备故障。
1.2 膨胀机转速分段控制
为适应空分装置冷态启动过程中不同阶段的热负荷变化，对膨胀机转速实施分段精细控制：① 初始阶段（0～60 min），塔内主换热器仍处于热态，空气热负荷大且膨胀机运转稳定性欠佳，将其转速控制在额定转速（20 000 r/min）的60%（约12 000 r/min），既能保证一定的制冷量，又可降低设备运行风险；② 降温阶段（60～120 min），随着空分装置逐步冷却，热负荷逐渐降低，按5 r/s的速率稳步提升膨胀机转速至额定转速的85%（约17 000 r/min），确保制冷量与系统需求匹配，加速冷却进程；③ 稳定阶段（＞120 min），当系统运行趋于稳定后，维持膨胀机转速在额定转速的98%～102%（约19 600～20 400 r/min），保证持续高效的制冷效果，满足分馏塔等后续设备的冷量需求。膨胀机采取此转速分段控制策略，不仅能使其在启动全过程稳定运行，还能根据空分装置实际工况优化制冷量输出，提升整个启动过程的效率与稳定性。
2 分馏塔冷却过程优化
2.1 中抽阀渐进关闭法
分馏塔冷却过程中，热交换网络的合理动态调节对系统冷却效率提升起着关键作用。采用中抽阀渐进关闭法：① 初始状态——中抽阀开度设定为100%，低抽阀开度同样为100%，确保最大程度的热量交换，加速分馏塔塔体冷却；② 温度梯度控制——通过分布在分馏塔内关键部位的高精度温度传感器实时监测下塔温度变化，当下塔降温速率＜1.5 ℃/min时，表明热交换效率下降，需及时调整，此时，每30 min精准关闭中抽阀5°，逐步优化热交换过程，使冷量分配更加合理；③ 终态调整——经多次动态调节，控制冷态启动后4～5 h中抽阀全关，此时热交换网络达到最佳状态，分馏塔冷却效果显著提升，可为后续系统启动奠定良好的基础。实际操作数据显示，分馏塔冷却过程优化前冷却至目标温度耗时约8 h，优化后冷却时间缩短至6.5 h以内，极大地提高了生产效率。
2.2 液空/液氮节流阀协同控制
更多内容详见《中氮肥》2026年第5期