综述
SUMMARY

大型空分及压缩机设备国产化现状与展望

   空分设备广泛应用于机械、冶金、石化、新型煤化工、建材、航天、医疗等国民经济各个领域,10000m³/h氧以上的大型空分设备更成为了冶金、石化、煤化工项目不可缺失和重要的组成部分,是国家的重大装备之一。
 
  随着我国冶金、石化、煤化工等产业十多年来对空分设备大型化需求的日益增加,空分设备规格朝着大型、特大型方向发展。据统计,2000年以来我国新增的空分设备制氧能力就高达3300万m³/h,其单台容量也从2-3万m³/h,发展到目前的10-12万m³/h。
 
  以杭州制氧机集团有限公司为代表的中国空分设备制造业经过几十的发展,一跃成为了“我国乃至全球最大的空分设备制造基地之一”,行业一年中制造的空分设备制氧能力总量从2000年的15万m³/h上升至300多万m³/h左右,大型、特大型空分设备的主要制造厂商有见下表所示。
 
大型空分及压缩机设备国产化现状与展望
 
  在上述的厂商中有3家外资企业,来自世界500强企业,代表当今空分设备的世界先进水平,此外,还有开封迪尔、河南开利、杭州世亚德、杭州凯德、苏州制氧机等厂商设计、制造20000m³/h等级及以下的中大型空分设备,目前在国产的60000等级及以下的空分设备市场占有率已达到90%以上,制氧容量已达世界首位,而在60000等级以上市场中,国内企业与外资的竞争则相当激烈。
 
  大型空分设备的国产发展现状
 
  我国大中型空分设备的设计制造迄今已有60多年的历史,走过仿制、引进技术、自主研发三个阶段。
 
  第一阶段为上世纪改革开放前,在计划经济的指令下,走过了仿制俄罗斯空分机型的石头蓄冷器切换流程、铝带式蓄冷器切换式流程、板翅式换热器切换流程的空分设备等阶段,主要产品等级为1000、3350、6000m³/h空分设备,当时的设备存在着产品产量、纯度达标难、能耗高、可靠性差的各种不足。
 
  第二阶段为上世纪八十年代,我国引进了德国林德公司的大型空分设备设计制造技术,使我国的中大型空分设备设计、制造水平迅速提高,空分流程进步到分子筛吸附的全低压流程,这一时期空分设备等级主要为6000、10000m³/h,其用户为冶金工业企业居多。
 
  第三阶段上世纪九十年代后,以杭氧为代表的我国空分设备制造业在消化吸收引进技术的基础上,自主研发了新一代的带增压透平膨胀机分子筛吸附、规整填料精馏塔技术流程空分设备,国内企业突破了流程组织、流程计算、精馏计算等空分设备设计技术的难关,掌握了空分设备设计制造的全部技术要领,并拥有自主知识产权,使国产空分设备的产量、纯度、氧提取率、单位氧能耗等技术参数指标均达到了世界一流水平,国产空分产品最大规格从10000m³/h上升到了15000m³/h。这一期间林德、液空等国际大牌企业看好中国的大型空分设备市场,在国内建合资或独资公司,并向市场推出20000m³3/h及以上规格的大型空分设备,而后又推出30000、60000等级及以上规格的大型空分设备。
 
  2000年以后,随着我国冶金、石化、煤化工等产业对大型、特大型空分设备需求的迅速增长,促进了我国空分设备行业的快速发展,以杭氧、川空、开封空分等为代表的一大批民族空分设备制造企业紧跟世界空分技术发展的步伐,通过自主创新、自主研发,开发出了适用冶金、石化、新型煤化工需要的不同内压缩流程的大型空分设备,设备最大规格迅速地从20000m³/h提高到了30000、40000、50000、60000m³/h,又从60000等级上升到了8~12万等级,满足了国民经济发展的需求。据了解,国产大型空分设备发展过程取得的阶段性成果主要有:
 
  2002年12月,杭氧通过自主创新、自主研发,开发的首套国产30000m³/h空分设备顺利开车,其主要技术指标达到同类型空分设备的国际先进水平,首次实现了我国从“七五”就开始攻关的“3万”等级大型空分设备的国产化。
 
  2004年9月,开封空分集团研制的国内首套4万内压缩空分装置在山东华鲁恒升一次开车成功。
 
  2009年7月,杭氧提供给大唐国际多伦煤化工3套58000Nm³/h内压缩空分设备一次开车成功;
 
  2010年,杭氧研制的4套60000m³/h在神华包头烯烃项目开车成功,同年10月21日6万等级内压缩空分装置在北京顺利通过中国机械工业联合会组织的鉴定,该项目并于2013年获得中国机械工业科技进步一等奖。
 
  2011年,杭氧取得了广西杭氧盛隆的1套80000m³/h空分设备合同,于2013年8月底成功出氧,工况变负荷范围50%—100%,至今已连续运行多年。
 
  2012年,杭氧取得了伊朗卡维12万m³/h成套空分设备的合同订单,空气处理量达到61万m³/h,运行稳定良好。
 
  2013年初,杭氧一举取得了神华煤制油项目中12套10万m³/h空分设备大订单中的6套特大型空分设备,目前10万m³/h空分均已在现场安装完毕,等待试车,投入运行,这是国产特大型空分设备与国际品牌在同一场合、同一工况下的竞技,必将成为近期我国乃至全球空分设备制造业的热点。
 
  随杭氧、开封空分集团有限公司(以下简称:开封空分)之后,四川空分设备集团有限责任公司(以下简称:川空)、河南开元、开封东京、开封黄河、开封迪尔、杭州福斯达等8家单位也相继开发了20000Nm³/h、30000Nm³/h空分设备,有的也已设计、制造40000Nm³/h、50000Nm³/h、60000m³/h等级的成套空分设备的业绩。
 
  国产大型、特大型空分设备在容量规格不断增大的过程中,并经上百套大型空分设备的实践,设计制造水平也取得了很大进步,杭氧流程掌握了空分流程组织、流程计算、精馏计算、精细制造、安全评估等空分设备设计制造技术,在配套部机基本相同的情况下,国产化设计、制造、成套的大型、特大型的空分设备如:产品产量、纯度、品种、达到压力、氧提取率、能耗、运行周期等技术性能指标,已经达到了国际一流水平,与外资企业的产品势均力敌,以致于外资品牌产品成套价格也大幅度地下降,与国产设备处在同一水平线上。
 
  值得自豪的是,这十多年来杭氧生产的大型空分设备除国内市场使用外,已有30多套万立以上大型空分设备远销国际市场,其中:3万、4万、5万空分设备已出口欧洲、北美,在德国、西班牙等发达国家投入运行。6万、8万、12万空分设备出口伊朗、土耳其等国,这是我国空分设备制造业一大进步。另外由梅塞尔、AP、普莱克斯、林德、法液空等外资企业在中国境内投资的工业气体项目,也大量选用了杭氧、川空、福斯达、苏氧等企业的国产空分设备,充分证明了国产空分的技术性能指标接近甚至达到了国外水平。
 
  国产化的现状与差距
 
  在实现大型、特大型空分设备成套技术国产化的同时,空分设备关键核心部机完成从“成套”到“国产化配套”转型的有:
 
  1)沈鼓、陕鼓近年来均成功研制出6万空分配套用的大型空压机、增压机,投入运行;陕鼓研制的8万空分配套用大型空压机、增压机已通过机械性能试车;沈鼓为神华宁煤10万空分配套的大型空压机、增压机也已研制成功,并于2015年8月在沈鼓营口制造基地连同杭州汽轮机公司制造的工业汽轮机一起进行了全负荷试车,试车结果表明性能达到合同要求,实现了大型空压机组的国产化,目前该空压机已在安装中;
 
  2)为适应大型、特大型空分的需要,杭氧在卧式分子筛吸附器的基础上研制出了立式径向流分子筛吸附器;以上海恒业、洛阳建龙为代表的国产分子筛企业在研制新型分子筛方面取得了较大突破,其中高效锂分子筛产品在深冷空分中得到成功应用;
 
  ① 杭氧、川空研制的各种板翅式换热器,包括低阻高效高压(10MPa)的板翅式换热器成功应用在大型、特大型空分设备中;
 
  ② 杭氧研制出了8万、10万、12万空分用高效低阻力精馏塔;
 
  ③ 杭氧研制出了大型空分用的全浸式低液位节能型主冷凝蒸发器;
 
  ④ 杭氧、开封空分研制出了大型、特大型空分用高性能多系列膨胀机组,包括液体透平膨胀机;
 
  ⑤ 杭氧研制出了分子筛吸附器用的大口径切换阀门(三杆阀)、高压液空节流阀、高压液氧回流阀、高压氧特种合金阀等关键配套阀门;
 
  ⑥ 杭氧研制出了大流量、高压(流量60000Nm³/h 出口压力8.7MPa)低温液体泵,已投入实际运行;
 
  ⑦ 杭氧、川空研制的大容积低温液体贮槽及汽化器,已得到广大用户的认可;
 
  ⑧ 浙江中控、和利时为大型、特大型空分研发的DCS控制系统,其技术水平完全可与进口控制系统媲美。
 
  诚然,大型、特大型空分设备是由多机组、多部机组成,而配套于大型、特大型空分设备各机组、部机的国产化水平参差不一,与国际先进水平相比,还存在一定的差距,表现在:
 
  空分配套的大型压缩机组及增压机组是空分设备中关键运转部机,投资额大,占大型、特大型空分设备投资额的40%左右,其效率高低直接影响成套空分设备的效率与能耗,国产大型空压机、增压机组与曼透、西门子公司的机器尚存在一定的差距,且国产机业绩不多,无法取得成套厂商和广大用户的认可,这也是大型、特大型空分国产化率不高的关键。空分配套的透平膨胀机、低温液体泵也存在与压缩机一样的囧境。
 
  国产空分设备成套和配套部机在整体技术水平能达到国外同类产品水平,但国产设备往往存在可靠性不高的问题,设计、制造过程中的精细化管理不够,各种小错误不断,从而使小问题酿成大问题,这也是用户在同等条件下选择进口的主要因素。另外,总体设计、结构设计、管道布置等考虑上,存在粗、大、笨,既浪费材料又不美观的通病。
 
  从空气过滤器到压缩机、增压机、换热器、容器、泵、阀、各种管材、板材、吸附剂、仪器仪表,需要各行各业众多单位的配合协调,针对空分设备所需的特别是低温环境下和氧介质环境下的特殊配套,专门设计、专业制造,国内未形成系统的产业链,特别是在大型、特大型空分的开发上,许多环节缺乏,造成只能依赖进口或无法满足成套性能的要求。
 
  技术发展趋势与展望
 
  气体分离设备行业中在经历了高速发展阶段,进入了“新常态”的发展期,需求在萎缩,但空分设备是国家重大装备的组成部分,大工业的发展离不开空分设备,空分设备大型、特大型、机组集群化成为一种趋势。特大型化的空分设备可以直接减少大型冶金、化工项目的空分设备台数,进而减少设备投资、设备用地和设备运行、维护的人工工作量,空分设备大型化与机组集群化,有利于设备的统一管理,但同时也必将对现场布置优化提出更高的要求。
 
  空分流程的多样化也是大型空分设备的发展趋势之一,由于随着工业工艺发展,特别是煤化工领域中空分设备,用户对空分产品的纯度、压力、时长等规格,如:煤化工中各种工艺流程不同,对气体产品的需求品种就不一样,又因不同的气化炉的类型、规格,对气体产品要求又不一样,有高压氧、中压氧、高压氮、中压氮、低压氮、仪表空气、液氧、液氮等多种规格,而且用气量变化也很大,这就对空分设备流程设计、运行提出更高要求,将要求空分设备厂商,以工艺包模式,对各类流程实现整体开发。此外,开发IGCC等空分新应用领域的流程、大型空分稀有气体全提取流程、混合塔制取低纯度氧流程、超高纯氧、氮提取流程等也是大型空分的研究方向。
 
  随着“互联网+”的发展,工业4.0体系日趋成熟,充分运用互联网远程监控,建立远程监控系统,实时收集大型空分设备运行数据,并进入大数据分析,进行自动故障诊断,为用户提出优化操作建议,及时发现问题,改进设计方案。
 
  在一些用户企业中,尤其是钢铁企业中,存在着用氧不均衡的状况,而空分设备生产又是必须连续性运行的,因此就造成了钢厂用氧量减小时,大量的氧气被放空,造成能源的巨大浪费,特别是在随着空分的超大型化,空分设备的设计能力与供求量之间矛盾更为突出。同时,随着市场竞争日益加剧,企业对成本的控制越来越严,而降低氧气放散率成为了降低制氧成本的关键。空分设备的智能化,自动变负荷技术的推广应用成为大型空分设备发展的必然趋势。
 
  空分设备设计、制造的精细化是大型空分设备的发展趋势,空分设备技术已发展到了一定的水平,进一步的提高与发展的空间有限,需要从细节做起,因此提高大型空分设备设计的精确化,制造的精细化程度,是大型空分设备发展关键。另外,大型、特大型空分设备在大型工业化中的重要性,牵一发而动全身,一个细节就会影响整套空分,乃至整个工程,也决定了对大型空分设备越来越高的制造要求。
 
  在大型、特大型空分设备国产化的同时带动相关机组、配套部机、配套元器件的国产化,如:开发低阻高效高压板式换热器,承压可达12.5MPa以上,强化翅片的换热效果和承压能力;开发高效节能的主冷凝蒸发器,在保证安全的情况下尽可能降低液位温差,保证能耗最优;开发低温关键配套阀门,满足各种工况下开关及调节要求;开发透平膨胀机及全液体高压膨胀机,提高运转效率,适应各类流程;开发全系列高效产品压缩机,提高运转效率,适应各类流程。
 
  通过与风机、泵阀等行业共同研发,形成国产空分设备的产业链,进一步提高大型、特大型空分设备的国产化率,其中:60000m³/h等级及以下成套空分设备的国产化率从现在的50~70%提高到85%以上,主要是配套空压机、增压机的效率与可靠性提高,实现真正的国产化;60000m³/h以上等级成套空分设备的国产化率从现在的40%提高到65%以上。
 
  《中国制造2025》提出了通过“三步走”实现制造强国的战略目标:第一步,到2025年迈入制造强国行列;第二步,到2035年中国制造业整体达到世界制造强国阵营中等水平;第三步,到新中国成立一百年时,综合实力进入世界制造强国前列。应当看到,现阶段我国大型、特大型空分设备国产化制造水平已通过自身的努力实现迈入了制造强国的行列,因此今后十年中,应努力实现大型、特大型空分设备成套设计制造及关键配套机组达到世界先进水平,整体达到世界制造强国中等水平。
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