一、杭州杭氧股份有限公司簡介
杭州杭氧股份有限公司(以下簡稱杭氧)是以深冷技術為依托，制造空氣分離設備，低溫石化裝備，承接空分設備工程總承包項目和運營工業氣體為主的大型上市公司。先后被列為中國制造企業500強、中國大企業大集團競爭力500強和中國機械工業100強行列。
杭氧具有65年生產空分設備及低溫設備的歷史，是我國大、中、小型空分及液化設備研究開發中心和制造基地，是國家經貿委認定的全國520家重點國有企業之一、機械工業百強企業、國家21家重大裝備制造業國產化基地，是我國空分設備行業唯一一家國家級重點新產品開發、制造基地，擁有國家級技術中心，享有國家外貿自營權。目前是世界最大的空分設備設計和制造基地，國際上少數幾個能設計制造特大型空分設備的廠商之一。
杭氧空分產品覆蓋全國各地和世界40多個國家和地區，有超過30套大中型空分在歐洲順利成功投運，特別是大型空分4.7萬 Nm3/h (氧)空分設備已進入了北美市場，3.2萬Nm3/h (氧)空分設備已進入了德國市場，并一直穩定滿負荷低能耗運行。近年來，杭氧進入氣體行業，形成了空分設備制造和工業氣體運行相輔相成的經營模式，在多個省份建立了27家氣體公司。同時，杭氧依托在空分和低溫石化上的技術優勢，實施工程總承包業務。杭氧的產品和服務從設計、制造、銷售空分設備向上延伸至工程總承包，向下延伸至工業氣體的生產、銷售，形成了一條完整的產業鏈。
二、杭氧特大型空分設備發展現狀
(一)杭氧的特大型空分設備已取得突破性進展
杭氧作為國內空分行業的龍頭企業自主研發頂尖空分技術，創造了多個“國內第一”，填補了多項國內空白。
隨著我國大石化、大化肥、大型煤化工和冶金工業的不斷發展，我國已成為世界上建設空分設備項目最多、空分技術發展最活躍的國家。隨著大型冶金工業項目的建設，空分設備規模向特大型方向和智能化方向發展，特大型空分設備在節約資源、能源、管理成本等方面有著重大優勢，6萬及以上等級空分設備成為空分發展新的方向。2005年以來，以杭氧為代表的中國空分設備制造業，通過自主創新、自主研發，在特大型空分設備國產化方面得到了快速發展，迅速占領國內特大型空分市場的制高點，產品性能受到廣大用戶的好評。繼6萬等級空分設備開發完成并成功投產，8萬空分也順利投入運行。
至2015年3月，杭氧擁有6萬以上空分設備40多套，包括上海寶鋼6萬等級空分、大唐國際3套5.8萬空分、神華包頭4套6萬空分、中煤榆林4套6萬空分、防城港8萬等級空分等均一次性投產成功。此外，杭氧在建6套10萬等級空分以及12萬等級空分。
(二)杭氧的成套能力已具有世界一流水平
1、國家級的企業技術中心和強大的技術團隊
杭氧技術中心是國家級企業技術中心，設有博士后工作站，通過與眾多國外公司和國內高校的長期技術合作，接受技術培訓，自主開發設計等，杭氧已擁有了一支由15人教授級高工、170多名高級工程師和700多名專職研發人員組成的經驗豐富，技術水平很高的開發設計隊伍，他們高質量的工作是設備成功運行的保證。
2、具有廣泛的成功運行業績和大型成套空分性能優越的經驗
杭氧每年生產40-45套大中型空分設備，具有廣泛的成功運行業績和成套空分性能優越的經驗。近年來，杭氧開發出的采用規整填料塔及全精餾無氫制氬技術的新一代大中型空分設備均一次投入正常運行并通過性能考核。到目前為止，杭氧已有19套6萬等級以上空分設備在成功的運行。
3、自動控制方案先進可靠
杭氧空分設備儀控系統在保證可靠性的前提下，充分考慮先進性，確保設備長期穩定運行，操作維護方便。在空分設備DCS控制方案和壓縮機組的ITCC控制方案的常規控制方面具有豐富的經驗。在自動變負荷先進控制方案上，杭氧開發出ALC自動變負荷控制系統，即以MPC (Model Predictive Control，基于測試模型的多變量預測控制)和RTO (Real Time Optimization，廣義上的實時操作模擬與優化)相結合的專家控制系統。操作人員僅僅通過對幾個主要產品的產量設定值的改變來實現自動變負荷，使工藝參數的設定點在其控制之下，從而實現對整個工藝過程的自動變負荷。MPC與RTO相結合的方式大大提高了變負荷的速度，有效改善了變負荷過程中產品質量，優化了平穩變負荷過程，并消除了因人工變負荷而產生的人為影響。變負荷速度能達到1%~1.2%/min，屬于世界先進水平。
(三)杭氧擁有世界最強的空分設備整體制造能力
杭氧臨安制造基地具有年產大中型空分設備150-180萬Nm3/h制氧容量，其中已建單套空分設備的制氧容量達12萬Nm3/h，是世界一流的空分設備制造基地。2012年10月京杭大運河邊的重跨廠房投入運行，廠房帶有自備碼頭，設備可以直接通過運河下海，在國內同類碼頭中能力最大。
1、熔焊和釬接設備
擁有亞洲最大的大型真空釬接爐，該釬接爐的真空系統配備了國際先進的系統，控制系統配備了國際先進的Honeywell最新的控制系統，其釬接的高壓板翅式換熱器已應用于神華10萬等級空分及北美和歐洲多個大型空分。擁有最先進的自動化翅片沖制流水線，氦檢設備。使杭氧在裝備水平居世界前列，很好滿足了各類等級空分設備以及百萬噸乙烯冷箱等石化設備的配套需要。
2、國內首創全自動填料生產線
全自動填料生產線集精密沖孔、平面糙化、精確成型、在線清洗、表面處理、脫水烘干、程控剪切于一體，確保產品成型參數準確性，同時避免生產過程中人為因素對產品造成損傷，有效保障產品質量。并擁有國內最大的自動空分內件水力學試驗裝置。
3、檢測設備
擁有國家級計量理化中心，具有完備的檢測手段和儀器。配備了滿足產品質量控制所需的美國熱電的ARL3460直讀光譜儀、100t萬能電子拉力試驗機、日本島津的AA-6650原子吸收儀、紅外線水平垂直測定儀、在線露點分析儀、最大能穿透110毫米厚度鋼板的德國移動式X射線機、每小時洗片上萬張的進口AGFA自動洗片機、數字式超聲波探傷儀等產品檢測、理化分析設施，具有長度、熱工、力學、電學四大類17種量值溯源標準器資質，先進和完備的檢測設備和檢測手段，保證了杭氧大型空分設備的生產從原料到工藝再到成品每個環節的可靠性，產品質量保持國內領先水平。
(四)杭氧擁有目前世界上最大空分群的建設經驗
杭氧制造的神華包頭4套6萬等級空分，中煤榆林4套6萬空分，大唐多倫3套5.8萬空分，大唐克期6套4.8萬空分，寧夏寶豐3套5.2萬空分，新疆伊犁3套5.1萬空分均為空分群模式建設。
2012年杭氧中標神華寧煤B標段的6套10萬空分，是目前世界上最大的空分群。單套規模和空分群整體規模均非常大，需要空分廠家考慮配套機組等的成熟度、性價比及空分群集成效應和組合問題。這些大型空分群的建設，杭氧都為用戶做了細致而周到的考慮，大大提升了此類超大型空分群的建設經驗。
(五)杭氧擁有擁有強大的部機制造能力
1、壓縮機系統
杭氧壓縮機已有四十多年的設計制造歷史，對空分配套的氧壓機、氮壓機、空壓機、增壓機均有系列產品，空壓機已有配套4萬空分的業績，循環增壓機最高排壓可做到6.0MPa，而我們的氧氣透平壓縮機，采用機殼內部流道杭氧專有的鍍銅技術、小流道葉輪金基釬焊技術及大量氧透特殊材料，最大限度確保氧透的安全性;葉輪方向的特殊布置，多腔自動差壓密封控制，確保氧氣純度，有效降低氧氣泄漏量和轉子止推軸承耗功，提升機組運行效率，目前可以做到最大流量10萬Nm3/h、最高壓力4.0MPa的氧氣透平壓縮機。杭氧具有各種加工測試設備，如五軸加工中心、大型數控龍門鏜銑床、最大工作轉速達40000 rpm的高速動平衡機、葉輪超速試驗臺、最大驅動電機為5000kW的機械性能測試臺，嚴格保證設計優化和制造精度。
2、閥門系統
在分子篩切換閥門上，杭氧已研制出了大口徑三桿閥，是世界上三家大口徑分子篩切換三桿閥門之一，專門為空分的分子篩系統針對性設計，具有本質防止沖擊床層功能，且使用壽命長超過20年。改進了進口閥門的劣勢，防腐性能更優，從而提升了使用壽命。目前已有20多套空分設備，160多臺杭氧的三桿閥在平穩運行，且運行多年，性能優異。通過測試比較，比進口的同類閥門阻力小，提高了空分節能。
對于高壓差調節閥由于壓力下降過快，在某一時刻壓力會低于蒸汽壓，產生氣泡，發生氣蝕現象，而杭氧的開發了籠式結構的高壓差調節閥，多孔多級降壓結構，抗氣蝕能力強、噪音小的特點。由于采用平衡式閥芯，既滿足大壓差的要求，又振動小;且是可抽芯式閥芯，實現免扒砂清洗閥芯、維修閥門的要求。用于高壓氧氣調節閥采用特種合金制造，安全性高。目前該類閥門已廣泛應用于低溫高壓液空節流閥、高壓氧氣產品送出閥等。
伊朗12萬的高壓氧送出閥(PN110、DN300閥內件Monel)
3、板式換熱器
杭氧不斷開發先進高效翅片，擁有先進的翅片開發平臺，已制造生產出的10.0MPa壓力的高壓板翅式換熱器，經英國勞氏和德國TUV的現場見證，驗證了超高壓板式的釬焊技術。杭氧已成功實現了超大尺寸高壓產品的研制，在神華寧煤項目中應用。神華寧煤高壓板翅式換熱器單臺尺寸6000×1220×~1832mm，最高設計壓力為8.2MPa，根據合同1.5倍水壓試驗要求，試驗壓力達12.3MPa，按照現行板翅式換熱器標準規定為1.3倍水壓試驗的要求換算成設計壓力，實際設計壓力可達9.46MPa。
4、增壓透平膨脹機
杭氧膨脹機采用引進的葉輪設計軟件，增壓機模型級軟件，應用CFD、ANSYS、動力學分析等多種手段對產品設計進行分析、優化，采用AutoCAD、UG等手段進行高效設計開發。葉輪直徑15-450mm，轉速5000-260000r/min，產品范圍可配套小型空分至如十萬、十二萬等級特大型空分，目前已成功為日照鋼鐵六萬、廣西盛隆鋼鐵八萬、伊朗卡維十二萬、雙鴨山龍煤天泰煤制芳烴項目數十套大型、特大型空分設備配套。
杭氧膨脹機目前已運行的最大低壓膨脹機葉輪直徑為450mm，中壓膨脹機葉輪直徑為360mm。葉輪采用德國五軸聯動數控加工中心加工，具有良好的加工精度，軸承采用世界上最可靠的可傾瓦軸承，保障良好的運行穩定性和較大的承載能力。這些機器在現場運行穩定，狀態良好，性能達到設計要求。
5、低溫液體泵
杭氧6萬Nm3/h，8.0MPa（G）高壓液氧泵，經72小時測試。
杭氧已制造的低溫液氧泵流量已達6萬Nm3/h、壓力達8.0MPaG，并根據API標準完成了72小時液氮連續壽命試驗，該泵無論從流量上還是壓力上完全能滿足10萬以上空分流程液氧泵兩用一備的要求。該泵的成功開發，使杭氧泵產品系列范圍覆蓋了目前絕大部分空分的需求，目前杭氧具有生產流量10-100Nm3/h，揚程350-1100Nm3/h的離心式高壓迷宮密封液體泵的能力，密封等級能滿足高純度介質的3級要求。循環液氧泵30Nm3/h,已在8萬空分中使用，比國外同類型泵運行更平穩。
三、杭氧針對冶煉行業空分的技術方案
到目前為止，杭氧已為冶煉行業生產300多套大型空分設備，為大型鋼鐵和冶煉廠家提供了30000-60000Nm3/h空分設備50多套，如提供給廣西防城港8萬空分、寶鋼6萬空分、北臺鋼鐵5萬空分、包鋼4萬空分、南京鋼鐵3萬等空分設備均已經一次投運成功出氧，在有色冶煉中也擁有大量的業績，如銅陵有色3.5萬、紫金銅業2.5萬空分設備、南方有色1.5萬等空分設備。
不同于煤化工行業，對氧氮產品壓力等級高的要求，冶煉行業配套的空分設備對氧氣和氮氣的壓力要求都較低。如有色冶煉所需的氧氣壓力一般只有50 kPa到1.0 MPa左右;高爐煉鐵所需氧氣壓力不高于2.0MPa;轉爐煉鋼所需氧氣壓力不高于3.0MPa。由于氮氣作為保護氣，使用間斷而壓力不高，因此氮氣產品通常由氮氣壓縮機壓縮得到的。而對于50kPa到3.0MPa的氧氣產品，流程形式常采用外壓縮流程、自增壓流程和內壓縮流程。
(一)常規外壓縮流程
如某銅業廠家采用氧氣底吹熔煉銅法工藝，所配套的15000Nm3/h空分設備主要性能指標如下表：
表一：某銅業廠家配套的15000Nm3/h外壓縮空分設備主要性能指標
圖一：某銅業廠家配套的15000Nm3/h外壓縮空分設備流程簡圖
產品氧氣由從上塔底部抽取的氣氧經主換熱器復熱出冷箱后進入氧氣透平壓縮機壓縮到0.8 MPa(G)獲得，產品氮氣從上塔頂部抽取的氣氮經過冷器和主換熱器復熱出冷箱后進入氮氣壓縮機壓縮到1.6 MPa(G)獲得。并生產少量液體產品作后備和外賣。
外壓縮流程由于流程簡潔明了，在液體產量不大的情況下可以做到無膨脹空氣去污氮管旁通，整個空分設備提取率高，且易于操作，為廣大冶煉廠家所歡迎。因此，杭氧開發了系列標準外壓縮空分設備，產品規模涵蓋標準15000-50000Nm3/h空分，產品氮氣和產品氧氣量最高可達3:1，采用設備單元設計精細化、標準化;冷箱總體布置合理優化;空分設備可根據用戶需要隨時投產，有效地保證項目進度及空分設備產品的質量穩定，為用戶實現經濟利益最大化。
(二)內壓縮流程
某大型銅冶煉企業新上項目需要兩種不同壓力的氧氣產品：50KPa和1.0MPa，且需要較多的液體產品以市場銷售，提升企業的經濟效益。產品指標如表二：
表二：某銅業廠家配套的25000Nm3/h內壓縮空分設備主要性能指標
圖二：某銅業廠家配套的25000Nm3/h內壓縮空分設備流程簡圖
針對用戶的產品需求，我們選擇了分子篩凈化空氣、部分氧氣自增壓、部分氧氣內壓縮、膨脹空氣進下塔，采用規整填料上塔，全精餾無氫制氬的工藝流程。
(三)自增壓流程
廣西盛隆配套鋼廠的80000Nm3/h空分設備的主要性能指標見表三：
表三：廣西盛隆配套的80000Nm3/h內壓縮空分設備主要性能指標
因鋼廠用戶用氧流量大(8萬)、壓力較高(3.0MPaG)，為提高氧壓機的入口壓力, 從而減小氧壓機的壓縮比，降低氧壓機的負荷。我們采用了液氧自增壓流程, 使得氧氣出冷箱的壓力達到50kPa。由于上下塔全采用了規整填料塔，工況變負荷范圍可從50%到100%。該空分設備又額外配置了杭氧自有稀有技術貧氪氙裝置以提高經濟收益。該項目由杭氧化醫總承包，于2013年8月一次開車成功，一直平穩運行至今。
四、總結
冶煉行業空分設備的產品結構比較簡單，產品壓力較低，完全可以實現全面國產化。杭氧已成熟掌握了8萬~12萬Nm3/h等級特大型空分設備設計技術和關鍵設備制造技術及工藝，并開發出1.5萬~5萬Nm3/h標準空分，根據用戶不同的用氣需求提供從空分設備、工程設計到EPC高效的解決方案，保證項目平穩有序地推進，實現雙方的共贏。
參考文獻：
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[2]艾紹華. 液氧自增壓空分設備的流程選擇[J]. 深冷技術， 2011( 3) : 32-36
聲明：
“杭氧冶煉型空分設備技術發展現狀” 該技術專利(論文)所有權利歸屬于技術(論文)所有人。僅供學習研究，如用于商業用途，請聯系該技術所有人。
我是此專利(論文)的發明人(作者)
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編輯：吉利娜
來源：杭州杭氧股份有限公司
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