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十年 · 蜕变丨逐梦“大空分” 创新铸就“大国重器”
发布时间: 2022-10-21

“富煤贫油少气”的资源禀赋决定了发展煤炭深加工可以使我国减少对进口石油和天然气的依赖,也是调整能源结构的重要选择。大型煤化工项目中,大型、超大型空分装置是必不可少的关键装备,但其核心技术被少数外国公司所垄断,而其配套的大型空分装置压缩机组更是长期依赖进口。随着我国大型空分装置逐步实现国产化,十万等级以上超大型空分装置的国产化,就是通用机械行业人追逐的最大梦想。

 

逐梦“大空分” 创新铸就“大国重器”
——十万等级空分装置国产化的自主突破历程

 

宁夏回族自治区,贺兰山下,黄河岸边,银川灵武,在这片戈壁荒原上,矗立着两个“全球之最”:

一个是全球单套规模最大的煤炭间接液化装置——神华宁煤400万吨/年煤炭间接液化(俗称“煤制油”)项目,每天将数万吨的煤炭气化、合成再液化,变成万余吨煤基液体燃料,包括最优质的航空燃油等;

另一个是为这个“煤制油”项目提供生产所需氧气的12套十万等级空分设备。这12套十万等级空分设备是当今全球最大的空分集群,每小时可产生120多万立方米的氧气,足以充满1.4个“北京水立方”场馆。

12套十万等级空分装置中与国际领先同台竞技的6套装置由我国自主研发制造,这一“国之重器”横空出世,以实测能耗指标优于当时世界上任何十万等级空分装置的国际先进水平,打破国外企业对十万等级空分装置的垄断,堪称我国重大技术装备国产化的里程碑成就。

不就是制氧机吗,十万等级空分到底牛在哪?

制氧机确切地来说应该称空分设备,或者叫气体分离与液化设备,是冶金、化工等行业重要辅助生产装置,为生产提供充足的氧气、氮气等工业用气,被称为“现代工业之肺”。

十万空分装置国产化,一直是我国通用机械行业人长久以来追逐的最大梦想。——中国通用机械工业协会名誉会长隋永滨如此说。

中国能源结构富煤贫油少气,油气资源短缺一直是困扰我国经济社会发展的重大问题,煤制油这一煤炭清洁利用路径已成为我国能源战略的重要一环。早在2004年,国家发改委就批复神华宁煤集团建设煤炭间接液化示范项目,希望通过煤制油缓解我国石油资源紧缺问题。神华宁夏煤业集团400万吨/年煤炭间接液化项目是国家“十二五”煤炭深加工示范项目,也是全球一次建设规模最大的煤制油项目。它承担着“后石油时代”为我国能源装备制造提供技术战略储备的使命。

空分装置是煤化工的核心装置,作为煤化工的核心设备,一套每年400万吨煤间接液化制油装置,需要12套十万等级空分设备。此时的全球十万等级空分装置市场刚刚拉开序幕,即使欧洲两大空分巨头德国林德集团和法国液化空气集团也仅有少数业绩,而在中国的运行业绩为“零”。面对中国这个巨大的十万等级空分潜在市场,国际空分巨头们谁都想抢先一步。

此刻,中国装备制造业再次面临“买”与“造”的决策。——“只有掌握了核心技术,才能为国家经济安全、能源安全筑起一道防线。”隋永滨的话代表了行业的决心!

十年磨一剑,与世界领先同台竞技的中国制造!

在上世纪90年代,我国空分设备制造业在引进、消化、吸收国外技术的基础上,自主研发了新一代的大膨胀比增压透平膨胀机、常温分子筛净化、规整填料精馏塔技术、全精馏(无氢)制氩流程空分设备。

此时的国内企业也突破了流程组织、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,拥有了自主知识产权,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世界一流水平。

但此时国产空分装置在机械方面(特别是三机一泵)与国外相比还有不小差距,尤其是对于内压缩流程技术所需要的高压的3MPA以上的空气增压机来说,基本上还需要靠进口。

为与国际空分巨头在同一赛道上一较高下,杭氧扛起了空分装置国产化的示范大旗。空分领域的市场竞争,既有业绩至关重要。杭氧的六万等级空分装置虽然已是当时国内空分制造业的最高水平,但放眼全球,国外企业制造的八万等级、十万等级已投入运行。

2009年9月25日,杭氧为宝钢配套的第一套六万等级空分装置出氧,杭氧迈出大型空分设备制造的第一步。但瓶颈随之而来,2009年到2011年,杭氧一直徘徊在六万等级。与此同时,神华宁煤项目进入调研论证阶段,时间不等人。

2012年1月,杭氧投资的广西杭氧气体公司准备上马六万等级空分装置,此时距离神化宁煤招标仅剩一年时间。广西项目计划报上来,杭氧管理层反复研究,开会讨论,最终做出了一个至今看来至关重要的决策:广西项目直接上已完成技术储备的八万等级空分。

仅过一年,八万等级装置成功出氧,杭氧在规模上有了与国际公司同台竞标的资本,拿到了入场券。

2013年4月26日,杭氧与神华宁煤在杭州隆重举行了6套十万等级空分装置设计、供货和服务合同的签约仪式,十万等级空分装备国产化大幕正式拉开!

为研制神华宁煤十万等级空分装置,杭氧采用大量数据分析方法,对当时10年间投产运行的上百套空分设备进行分析研究,进行了一系列关键技术及装备的研发和创新,包括十万等级特大型空分工艺包和成套集成关键技术、自动变负荷先进控制技术、特大型径向流分子筛吸附器等,以便从中寻找到如何开发出国际领先水平的十万等级空分装置的技术路径。杭氧团队不断进行技术论证和沙盘推演,在32种流程方案中选出最优方案。

2017年3月15日下午2时58分,第一套神华宁煤杭氧十万等级空分装置成功出氧!实时数据显示,氧纯度达到99.6%,氮纯度达到99.999%,且系统运行稳定。

2017年8月25日,杭氧的6套空分装置全部开车成功,单套设备蒸汽消耗量低于设计值6吨/小时,成为当时世界上同规模在运行的能耗最低的空分设备。

在国产十万等级空分装置在国产化过程中,杭氧攻克了一系列技术难关,并形成了多项创新技术和专利成果,自主开发了十万等级空分设备流程设计和计算技术、工艺系统集成技术,解决了超大型精馏塔陆路运输受限的难题。对于煤化工行业来说,安全稳定运行始终是设备首要要素。为了能给下游能提供稳定的氧气和氮气,杭氧6套空分设备单元和后备系统实现一体化控制,实现 “零缝隙”后备。

杭氧研制成功了铝制高压板翅式换热器,其设计压力提高到10.0MPa,达到了国际先进水平。这些关键部机国产化示范的应用,不仅为未来特大型空分设备实现100%的国产化率奠定了基础,还能在其他相关领域应用,大大提升了我国重大能源装备的附加值水平。

创新铸就“大国重器”,“大空分”装备“中国心”!

早在2011年10月底,针对神华宁煤400万吨/年煤炭间接液化项目,国家能源局组织了关键设备国产化的工作会议。会议决定将十万空分装置用压缩机组的国产化任务托付给沈阳鼓风机集团股份有限公司,十万空分压缩机国产化成功与否将关系到我国煤炭深加工的发展,也关系到此类十万空分装置能否实现完全自主制造生产的成败,因为压缩机是核心设备,是整个装置中最关键的“心脏”设备。

十万立方米等级的大型空分压缩机,要保障每小时从50万立方米的空气中,压缩分离出10万立方米的氧气,技术非常复杂,制造工艺难度大,一直被国外少数几家公司垄断。作为中国大型空气压缩机研制的领军企业沈鼓一直在针对“大型空分压缩机”进行了自主攻关,并在辽宁省营口市投资建立了专门的生产试验基地。

沈鼓自上世纪九十年代初就开展了2万-12万等级空分压缩机的自主研发工作。2004年,第一套国产大型空分装置用压缩机问世于沈鼓,结束了我国不能生产4万以上等级空分装置用压缩机的历史。2006年,沈鼓再获突破,生产了5.2万等级空分装置用压缩机组,成为运行时间最长、能力最大的国产化空分压缩机,再次打破了国外几十年的技术垄断,填补了国内空白。

2014年12月5日,十万等级空分压缩机转子在南京汽轮机厂完成了高速动平衡,各项参数全部达标,性能合格;

2015年1月,十万等级空分项目完成研发设计、加工制造等流程,进入机组整体试验阶段;机组试验在沈鼓营口透平基地、国内唯一十万千瓦试车台位上进行;

2015年8月23日凌晨1点30分,机组完美地经历了暖机、越过临界转速、升速等一系列实验,空压机、增压机、汽轮机三机联动试验成功完成,十万空分压缩机试车成功!

2017年5月15日,十万等级空分装置压缩机组(空压机、汽轮机、减速机、增压机)在神华宁夏现场一次开车成功。机组振幅值、轴承温度、轴位移等轴系监测数据均符合合同规定,空压机和增压机的流量、压力等工艺参数等性能指标均满足装置需求。运行数据表明,机组的各项机械性能及气动性能指标均达到国际先进水平。运行数据表明,机组各项性能数据均达到装置工艺要求,十万等级空分装置压缩机组整机联动试车一次合格!

为满足“10万大空分”装置的大流量、大压比、高效率要求,沈鼓研发团队首创了空压机“轴流+离心”共轴结构,增压机创新采用多轴多级齿轮组装结构,解决了叶轮直径大、效率低等难题,并实现一键式启车、黑屏式稳定运行。

此后,沈鼓空分产品持续创新提升,全新一代超大型“轴流(6级)+离心(1级)空气压缩机组”,对比之前实现了结构和气动性能的全面优化,并实现工业化应用,各项性能指标国际领先。全新一代“6+1”机组为10.5万空分压缩机组,已在厂内成功试车,并已顺利交付用户现场!

运行周年“答卷”,从国际先进到国际领先!

2018年4月,国产十万等级空分装置迎来运行一年后的“大考”——中国机械工业联合会与中国通用机械工业协会共同组织对十万等级空分装置几压缩机组鉴定:

4月18日至19日,“特大型空气分离设备关键技术开发及产业化和101,500m3/h(氧)空气分离设备应用”成果鉴定会召开,鉴定专家组一致认为,国产十万等级空分设备的研制成功,是我国重大装备国产化的又一突破,其主要技术性能达到了国际领先水平,可以满足国内大型煤化工、石油化工及冶金等重大工程对十万及以上等级空分装置的需要。

4月26日,“十万等级空分装置用空气压缩机组”产品鉴定会召开,最终鉴定意见为,十万等级空分装置用空气压缩机组填补了国内空白,是装备国产化的重大技术突破,机组技术性能达到了国际同类产品先进水平,其中机组操作性和工况适应能力等居国际领先水平。

“十年磨一剑”,十万等级空分装置打上“中国制造”标签。

从国际先进到国际领先,国产十万等级空分装置用指标和性能彰显了“中国制造”的实力,国际公司在规模和技术指标上压国产空分设备一头的时代宣告结束。

2021年11月3日,2020年度国家科学技术奖励大会在北京人民大会堂隆重召开。“400万吨/年煤间接液化成套技术创新开发及产业化”荣获国家科技进步一等奖,杭氧与沈鼓双双上榜。十分等级空分装置的成功应用运行,打破了多项国外关键技术、重大装备及材料的技术垄断,为我国煤制油产业化发展奠定了坚实的技术基础,带动了一大批装备制造企业跻身国际一流行列,对支撑国家能源多元供给,保障我国能源安全具有重大战略和现实意义。

为什么我们如此热切地要在产业链的各个领域都要实现国产替代?

因为只有这样,才能避免被别人卡脖子,才能避免在关键时刻被彻底断供的风险。

越基础,越重要;基础不牢,地动山摇。

十万等级空分装置国产化历程表明:重大技术装备事关国家经济安全与能源安全,核心技术买不来、化缘不来,也用市场换不来,自古只有华山一条路——坚定不移推进重大技术装备国产化!

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