空压装置两种流程能耗与 NPV比较

在空分行业中，流程设计的综合水平在很大程度上决定了空分设备的能耗水平，因此如何组织流程成为空分行业的一个重点研究对象。国内前一段时期的空分设备需求主要集中在冶金行业，如果不是规模很大，往往选择简单、可靠的外压缩流程。但是，近阶段国内冶金行业、化工行业对大型空分设备的需求增加，尤其内压缩流程空分设备的国内市场需求在2000年之后突然增大。由于内压缩流程的可选择方向比外压缩流程多，比如是空气增压还是氮气循环，是单独氧气内压缩还是氧、氮都内压缩，是选择多少压力的高压气源与液氧换热，是膨胀空气进下塔还是膨胀空气进上塔等，这些选择无疑增加了用户对于流程选择的难度，甚至使得空分生产厂家也产生迷惑。

因此，内压缩流程的可研究方向非常广泛。笔者有幸拜读2006年第1期《深冷技术》刊登的林德工程（杭州）有限公司张燕、杨学申合著的《带氮气循环增压机的液氧泵内压缩流程》（以下简称：《流程》）一文，深受启发，但对文中一些观点不敢苟同。下面笔者就氮气循环流程与空气增压流程进行比较，与业内同行探讨一下两者的区别。

1两种流程能耗与NPV比较111对《流程》一文提出氮气循环流程能耗高有异议20世纪70年代，分子筛吸附流程还没有被使用，空分行业中广泛使用的是切换式流程，为了避免水和二氧化碳在换热器中凝结，不管是内压缩流程还是外压缩流程，都采用塔内气体（空气或氮气）回流膨胀的方式。因此，在内压缩流程中，如果要采用空气增压流程，则必须采用来自下塔的空气在换热器中复热后，再经空气增压机压缩后进行膨胀，这样就导致流程复杂、损失增大，因此林德公司向我国提供的3套28000m 3 / h空分设备采用了氮气循环的流程。但是，氮气循环采用的12MPa高压氮气压力则有些偏高，实际上在氧、氮压力超过临界状态很多之后，与916MPa氧气换热的氮气，将其增压到12MPa比之增压到8MPa ，其换热性能并不能改善很多。

《流程》一文指出“氮气用于换热和冷凝，其性能比空气差。例如空气冷凝温度比氮气冷凝温度高”。空气中的主要成分是氧气和氮气，按摩尔分数分析，氧气约占空气总量的21 %，而氮气为78 %，因此氧、氮的基本性质很大程度上决定了空气的性质。一般情况，压力相同时，氧气的潜热要比氮气高，冷凝温度也比氮气高。在普通状态下，空气的冷凝温度确实要比氮气高，但是由此就说氮气的换热性能差，似乎有些偏颇。在设计流程时，根据用户的具体需求，可能要用比较高的冷凝温度，也可能要使用比较低的冷凝温度，一种媒质的本身并不能构成换热好坏的区分。另外，在内压缩流程中，不管是使用空气增压流程，还是使用氮气循环流程，使用的高压热源基本都处于超临界状态，不存在冷凝点的说法。由此《流程》作者想证明氮气循环流程能耗高的说法，更是值得讨论。

112分析氮气循环流程能耗高的原因《流程》一文一开始就引入氮气循环流程比空气增压流程能耗高的概念，而所说的原因都是从换热和精馏两方面来说明。

从精馏方面说，氮气循环流程一般来说确实要从下塔抽取大量的氮气，从而减少主冷的蒸发热量和进入上塔的液氮量，由此导致上塔液气比的降低，使得上塔精馏效率降低。但是在空气增压流程中，也往往要从下塔顶部大量抽取液氮，这同样也减少了上塔的液气比，导致上塔精馏效率的降低。根据液氮抽取量的不同，空气增压流程中氧的提取率也会不同，可能比氮气循环流程高，也可能低，两者相比较并没有绝对的高低。在氩的提取率方面，空气增压流程倒是往往能比氮气循环流程高出一截，这得益于空气增压流程中主冷的蒸发量要大一点。另外，《流程》作者所理解的氮气循环流程都是从下塔抽取氮气，实际上这不是氮气循环流程的**模式，完全可以从上塔抽取低压氮气来循环，也可以从上塔、下塔混合抽取，这样由于有液氮的回灌，精馏塔内的氧、氩提取率不仅不会降低，反而会达到一个非常高的程度。杭氧给佛山梅塞尔公司设计、制造的183t/ d液体设备就是采用从上、下塔混合抽取氮气的流程，精馏塔的氧提取率接近100 % ，氩的提取率也达到90 %左右。

《流程》在换热方面所说的原因有些道理，但是仅从换热器热端复热不足冷损出发，就作出氮气循环能耗高的结论，显然不能令人信服。从换热角度来看，一种流程的换热能耗不仅要看热端温差，还要看换热器的积分温差，所以换热器中的流股设计、膨胀机的膨胀压力和膨胀温度设计都成为影响能耗的重要因素。

113举例说明两种流程能耗与NPV比较《流程》一文以林德公司的某套50000m 3 / h空分设备举例进行流程对比讨论。按照文中描述的流程，对这套空分设备进行对比模拟，可以得到能耗值。

40kW不到总体消耗的1‰，而各种消耗估算会有一点偏差，因此可以认为两种流程能耗基本相同。这个结果与《流程》一文所说的相差2 %能耗的结论差别不小。

《流程》作者提供了评价投资和能耗的NPV方法。NPV ，是Net Present Value的缩写，通常译作“净现值”，主要用于长期投资的收益分析，在财务中有比较复杂的计算方法。在气体投资中，用NPV法可以将各种消耗和产出折算成资金价值，从而将具有不同物理量单位的数据折算成一种以资金为基础的可比数据。在进行这种比较之前，必须先确定各种NPV数值，比如蒸汽、电的计算价格以及运行年限（有别于投资回收年限）等，这是一个基础。

在此，为了更具客观公正性，笔者并不使用《流程》中提供的NPV数据，而是采用了一个与林德公司齐名的国际性气体公司于2005年提供的华东地区NPV数据表，其中运行年限以15年计。

由于没有910MPa高压蒸汽的NPV ，这里只能使用410MPa左右的中压蒸汽NPV来代替。考虑到目前410MPa左右蒸汽轮机的应用场合非常广泛，因此这种替代也不乏代表性。综合可以算出林德公司某套50000m 3 / h空分设备两种不同流程的NPV，其中中压蒸汽功率按每1t折合成240kW？h计算，低压蒸汽按每1t 450kW？h计算。

显示的结果有些出人意料，因为这个数值表明采用空气增压流程比氮气循环流程少投资约3330万元，按《流程》中计算的压缩机、液体泵价格，这个差值足够弥补空气增压流程在压缩机和液氮泵上的投资差距，从这个角度来看，空气增压流程是一种更合理的选择。可以发现这种巨大差值来自于液氩产品， 300m 3 / h的液氩产量导致了3000多万元的NPV差值，这也从一个侧面反映了液氩的价值。现通过计算来看液氩106000元/ m 3的NPV是否合理：按1年运行8000h、每1t液氩价格2000元计算，则1m 3 / h×8000h×11784kg/ m 3×2元/ kg = 28544元/年， 106000/ 28544 = 3171年，就是说，表面来看，如果投资106000元来换取1m 3 / h液氩产量的话，那么这笔投资在3171年后就可收回，年投资回报率为20154 %.考虑到实际情况，这笔投资可能会在5年后收回，投资回报率约为15 %.这么一算， 106000元/ m 3的NPV可以说还是很合理的。

2两种流程综合比较对于两种不同形式的内压缩流程，《流程》一文提到了一些区别，在此，笔者将补充一些文中没有提及的方面。

211压缩机空气增压流程需配备原料空压机和增压空压机，视产品情况设置氮气压缩机。而氮气循环流程可以将循环氮压机和产品氮压机结合在一起，视产品情况再设置其他氮压机。简单情况下，氮气循环流程可以只有1台氮压机和1台原料压缩机，正好适合蒸汽轮机“一拖二”的驱动方式。而在《流程》提到的实例中，空气增压流程需要配备3台压缩机，至少需要2台驱动设备，在汽轮机价格昂贵的今天，这是一个必须考虑的问题。

212加工空气量正如《流程》作者所说的那样，氮气循环流程由于从下塔大量抽取氮气，破坏了精馏塔的精馏效率，因此，一般氮气循环流程需要的加工空气量要比空气增压流程要多，这就使得前端处理系统，包括空气过滤器、空气预冷系统及分子筛纯化系统，相对来说要大一点，消耗也多一点。当然，这也不是绝对的，如果在空气增压流程中，压力氮气全部采用抽取下塔压力氮气或用下塔液氮经液氮泵加压生产（这样能避免使用氮压机） ，由于在下塔大量抽取液氮和氮气，同样也会破坏精馏塔的精馏效率，从而降低氧、氩的提取率。

213主换热器对于空气增压流程来说，由于不涉及循环，空气流程较短，需要的换热器体积要小很多，配置起来也比较方便。

214膨胀机在空气增压流程中，可以自由选择膨胀机的工作压力。而对于大多数氮气循环流程来说，膨胀机的工作压力往往要受到某种氮气产品的影响，从而也影响到换热器中的温差设置。当然，总的来说，这种影响还是非常微弱的。

215液体泵高压低温液体泵也是很昂贵的设备，空气增压流程一般要多用两台液氮泵。

216精馏塔氮气循环流程中几乎所有的加工空气都以气体方式进入下塔，而空气增压流程中很大一部分空气以液体方式进入下塔，所以空气增压流程的下塔直径要比氮气循环流程的小许多。

同时，由于氮气循环流程在下塔大量抽取氮气，使得主冷负荷减小，因此主冷的直径也相对较小，甚至可能比下塔直径还小。同样道理，由于主冷负荷降低，在主冷中蒸发的液氧流量也有所降低，因此上塔的直径相对较小。

217液氩产量由于下塔大量抽取氮气，因此氮气循环流程的氩提取率普遍较低，相对空气增压流程的氩产量要低。由于液氩的经济价值比较高，因此这也成为比较两种流程时需要关注的一个重要方面。正如前面所述的，如果不考虑液氩带来的差别，林德公司的这套50000m 3 / h空分设备选择氮气循环流程就显得理所当然，但是一旦考虑到液氩的经济价值，这种选择就没有如此简单。当然，对于液氩的经济价值，不同的企业有不同的想法，一般气体公司会更注重液氩的经济效益，而空分设备直接用户如钢铁厂等就没有如此重视液氩。

218产品由于氮气循环流程中的氮气循环压缩机能够兼做产品氮气压缩机，因此氮气循环流程更适合于产品氮气品种繁多的项目。在这些项目中，如果采用空气增压流程，就必然需要多个转动设备，不是增加液氮泵就是增加氮气压缩机，这往往会增加一次性投资。

219能耗《流程》中没做实质性的分析就说氮气循环流程的能耗要比空气增压流程要高，笔者有不同观点。根据笔者的模拟，氮气循环流程的能耗也能比空气增压流程低，具体就要依据产品情况来分析，特别是产品中中、高压氮气的需求量，或者是中、高压氮气与内压缩氧气的比例。但是，有另外一种言论是：在液体设备中，氮气循环流程的能耗要低于空气增压流程，尽管在这种设备的设计工况中根本没有液氮或中压氮气的需求。

2110投资两种流程的设备投资差别主要在于压缩机、液体泵和换热器上。对于氮气产品要求比较复杂的设备，比如前边所述林德公司的50000m 3 / h空分设备，由于循环氮压机能兼作多种产品氮气的压缩机，从而能节省1台压缩机，因此选择氮气循环流程能相对减少投资。但是在某些特定的产品要求下，情况可能有所不同，比如只生产1种高压产品氮气和1种内压缩氧气的空分设备，无论选择氮气循环流程还是选择空气增压流程，都只需要1台增压压缩机，而在其他设备上，空气增压流程需要增加的液氮泵投资可能与氮气循环流程中主换热器增加带来的额外投资相当。

3结束语综上所述，从流程形式来看，采用氮气循环流程还是空气增压流程，并没有绝对的选择，要选择哪种流程，*终决定于具体的产品要求，以及投资方对投资和产出的利益权衡。