杭州制氧機集團研制的十萬等級空分裝置國產(chǎn)化的自主突破歷程

“富煤貧油少氣”的資源稟賦決定了發(fā)展煤炭深加工可以使我國減少對進口石油和天然氣的依賴，也是調(diào)整能源結(jié)構(gòu)的重要選擇。大型煤化工項目中，大型、超大型空分裝置是必不可少的關(guān)鍵裝備，但其核心技術(shù)被少數(shù)外國公司所壟斷，而其配套的大型空分裝置壓縮機組更是長期依賴進口。隨著我國大型空分裝置逐步實現(xiàn)國產(chǎn)化，十萬等級以上超大型空分裝置的國產(chǎn)化，就是通用機械行業(yè)人追逐的最大夢想。

逐夢“大空分” 創(chuàng)新鑄就“大國重器”
——十萬等級空分裝置國產(chǎn)化的自主突破歷程

寧夏回族自治區(qū)，賀蘭山下，黃河岸邊，銀川靈武，在這片戈壁荒原上，矗立著兩個“全球之最”：

一個是全球單套規(guī)模最大的煤炭間接液化裝置——神華寧煤400萬噸/年煤炭間接液化（俗稱“煤制油”）項目，每天將數(shù)萬噸的煤炭氣化、合成再液化，變成萬余噸煤基液體燃料，包括最優(yōu)質(zhì)的航空燃油等；

另一個是為這個“煤制油”項目提供生產(chǎn)所需氧氣的12套十萬等級空分設(shè)備。這12套十萬等級空分設(shè)備是當今全球最大的空分集群，每小時可產(chǎn)生120多萬立方米的氧氣，足以充滿1.4個“北京水立方”場館。

12套十萬等級空分裝置中與國際領(lǐng)先同臺競技的6套裝置由我國自主研發(fā)制造，這一“國之重器”橫空出世，以實測能耗指標優(yōu)于當時世界上任何十萬等級空分裝置的國際先進水平，打破國外企業(yè)對十萬等級空分裝置的壟斷，堪稱我國重大技術(shù)裝備國產(chǎn)化的里程碑成就。

不就是制氧機嗎，十萬等級空分到底牛在哪？

制氧機確切地來說應該稱空分設(shè)備，或者叫氣體分離與液化設(shè)備，是冶金、化工等行業(yè)重要輔助生產(chǎn)裝置，為生產(chǎn)提供充足的氧氣、氮氣等工業(yè)用氣，被稱為“現(xiàn)代工業(yè)之肺”。

十萬空分裝置國產(chǎn)化，一直是我國通用機械行業(yè)人長久以來追逐的最大夢想?！袊ㄓ脵C械工業(yè)協(xié)會名譽會長隋永濱如此說。

中國能源結(jié)構(gòu)富煤貧油少氣，油氣資源短缺一直是困擾我國經(jīng)濟社會發(fā)展的重大問題，煤制油這一煤炭清潔利用路徑已成為我國能源戰(zhàn)略的重要一環(huán)。早在2004年，國家發(fā)改委就批復神華寧煤集團建設(shè)煤炭間接液化示范項目，希望通過煤制油緩解我國石油資源緊缺問題。神華寧夏煤業(yè)集團400萬噸/年煤炭間接液化項目是國家“十二五”煤炭深加工示范項目，也是全球一次建設(shè)規(guī)模最大的煤制油項目。它承擔著“后石油時代”為我國能源裝備制造提供技術(shù)戰(zhàn)略儲備的使命。

空分裝置是煤化工的核心裝置，作為煤化工的核心設(shè)備，一套每年400萬噸煤間接液化制油裝置，需要12套十萬等級空分設(shè)備。此時的全球十萬等級空分裝置市場剛剛拉開序幕，即使歐洲兩大空分巨頭德國林德集團和法國液化空氣集團也僅有少數(shù)業(yè)績，而在中國的運行業(yè)績?yōu)椤傲恪?。面對中國這個巨大的十萬等級空分潛在市場，國際空分巨頭們誰都想搶先一步。

此刻，中國裝備制造業(yè)再次面臨“買”與“造”的決策。——“只有掌握了核心技術(shù)，才能為國家經(jīng)濟安全、能源安全筑起一道防線。”隋永濱的話代表了行業(yè)的決心！

十年磨一劍，與世界領(lǐng)先同臺競技的中國制造！

在上世紀90年代，我國空分設(shè)備制造業(yè)在引進、消化、吸收國外技術(shù)的基礎(chǔ)上，自主研發(fā)了新一代的大膨脹比增壓透平膨脹機、常溫分子篩凈化、規(guī)整填料精餾塔技術(shù)、全精餾（無氫）制氬流程空分設(shè)備。

此時的國內(nèi)企業(yè)也突破了流程組織、流程計算、精餾計算等空分設(shè)備設(shè)計技術(shù)的難關(guān)，掌握了空分設(shè)備設(shè)計制造的全部技術(shù)要領(lǐng)，擁有了自主知識產(chǎn)權(quán)，使國產(chǎn)空分設(shè)備的產(chǎn)量、純度、氧提取率、單位氧能耗等技術(shù)參數(shù)指標均達到世界一流水平。

但此時國產(chǎn)空分裝置在機械方面（特別是三機一泵）與國外相比還有不小差距，尤其是對于內(nèi)壓縮流程技術(shù)所需要的高壓的3MPA以上的空氣增壓機來說，基本上還需要靠進口。

為與國際空分巨頭在同一賽道上一較高下，杭氧扛起了空分裝置國產(chǎn)化的示范大旗?？辗诸I(lǐng)域的市場競爭，既有業(yè)績至關(guān)重要。杭氧的六萬等級空分裝置雖然已是當時國內(nèi)空分制造業(yè)的最高水平，但放眼全球，國外企業(yè)制造的八萬等級、十萬等級已投入運行。

2009年9月25日，杭氧為寶鋼配套的第一套六萬等級空分裝置出氧，杭氧邁出大型空分設(shè)備制造的第一步。但瓶頸隨之而來，2009年到2011年，杭氧一直徘徊在六萬等級。與此同時，神華寧煤項目進入調(diào)研論證階段，時間不等人。

2012年1月，杭氧投資的廣西杭氧氣體公司準備上馬六萬等級空分裝置，此時距離神化寧煤招標僅剩一年時間。廣西項目計劃報上來，杭氧管理層反復研究，開會討論，最終做出了一個至今看來至關(guān)重要的決策：廣西項目直接上已完成技術(shù)儲備的八萬等級空分。

僅過一年，八萬等級裝置成功出氧，杭氧在規(guī)模上有了與國際公司同臺競標的資本，拿到了入場券。

2013年4月26日，杭氧與神華寧煤在杭州隆重舉行了6套十萬等級空分裝置設(shè)計、供貨和服務合同的簽約儀式，十萬等級空分裝備國產(chǎn)化大幕正式拉開！

為研制神華寧煤十萬等級空分裝置，杭氧采用大量數(shù)據(jù)分析方法，對當時10年間投產(chǎn)運行的上百套空分設(shè)備進行分析研究，進行了一系列關(guān)鍵技術(shù)及裝備的研發(fā)和創(chuàng)新，包括十萬等級特大型空分工藝包和成套集成關(guān)鍵技術(shù)、自動變負荷先進控制技術(shù)、特大型徑向流分子篩吸附器等，以便從中尋找到如何開發(fā)出國際領(lǐng)先水平的十萬等級空分裝置的技術(shù)路徑。杭氧團隊不斷進行技術(shù)論證和沙盤推演，在32種流程方案中選出最優(yōu)方案。

2017年3月15日下午2時58分，第一套神華寧煤杭氧十萬等級空分裝置成功出氧！實時數(shù)據(jù)顯示，氧純度達到99.6%，氮純度達到99.999%，且系統(tǒng)運行穩(wěn)定。

2017年8月25日，杭氧的6套空分裝置全部開車成功，單套設(shè)備蒸汽消耗量低于設(shè)計值6噸/小時，成為當時世界上同規(guī)模在運行的能耗最低的空分設(shè)備。

在國產(chǎn)十萬等級空分裝置在國產(chǎn)化過程中，杭氧攻克了一系列技術(shù)難關(guān)，并形成了多項創(chuàng)新技術(shù)和專利成果，自主開發(fā)了十萬等級空分設(shè)備流程設(shè)計和計算技術(shù)、工藝系統(tǒng)集成技術(shù)，解決了超大型精餾塔陸路運輸受限的難題。對于煤化工行業(yè)來說，安全穩(wěn)定運行始終是設(shè)備首要要素。為了能給下游能提供穩(wěn)定的氧氣和氮氣，杭氧6套空分設(shè)備單元和后備系統(tǒng)實現(xiàn)一體化控制，實現(xiàn) “零縫隙”后備。

杭氧研制成功了鋁制高壓板翅式換熱器，其設(shè)計壓力提高到10.0MPa，達到了國際先進水平。這些關(guān)鍵部機國產(chǎn)化示范的應用，不僅為未來特大型空分設(shè)備實現(xiàn)100%的國產(chǎn)化率奠定了基礎(chǔ)，還能在其他相關(guān)領(lǐng)域應用，大大提升了我國重大能源裝備的附加值水平。

創(chuàng)新鑄就“大國重器”，“大空分”裝備“中國心”！

早在2011年10月底，針對神華寧煤400萬噸/年煤炭間接液化項目，國家能源局組織了關(guān)鍵設(shè)備國產(chǎn)化的工作會議。會議決定將十萬空分裝置用壓縮機組的國產(chǎn)化任務托付給沈陽鼓風機集團股份有限公司，十萬空分壓縮機國產(chǎn)化成功與否將關(guān)系到我國煤炭深加工的發(fā)展，也關(guān)系到此類十萬空分裝置能否實現(xiàn)完全自主制造生產(chǎn)的成敗，因為壓縮機是核心設(shè)備，是整個裝置中最關(guān)鍵的“心臟”設(shè)備。

十萬立方米等級的大型空分壓縮機，要保障每小時從50萬立方米的空氣中，壓縮分離出10萬立方米的氧氣，技術(shù)非常復雜，制造工藝難度大，一直被國外少數(shù)幾家公司壟斷。作為中國大型空氣壓縮機研制的領(lǐng)軍企業(yè)沈鼓一直在針對“大型空分壓縮機”進行了自主攻關(guān)，并在遼寧省營口市投資建立了專門的生產(chǎn)試驗基地。

沈鼓自上世紀九十年代初就開展了2萬-12萬等級空分壓縮機的自主研發(fā)工作。2004年，第一套國產(chǎn)大型空分裝置用壓縮機問世于沈鼓，結(jié)束了我國不能生產(chǎn)4萬以上等級空分裝置用壓縮機的歷史。2006年，沈鼓再獲突破，生產(chǎn)了5.2萬等級空分裝置用壓縮機組，成為運行時間最長、能力最大的國產(chǎn)化空分壓縮機，再次打破了國外幾十年的技術(shù)壟斷，填補了國內(nèi)空白。

2014年12月5日，十萬等級空分壓縮機轉(zhuǎn)子在南京汽輪機廠完成了高速動平衡，各項參數(shù)全部達標，性能合格；

2015年1月，十萬等級空分項目完成研發(fā)設(shè)計、加工制造等流程，進入機組整體試驗階段；機組試驗在沈鼓營口透平基地、國內(nèi)唯一十萬千瓦試車臺位上進行；

2015年8月23日凌晨1點30分，機組完美地經(jīng)歷了暖機、越過臨界轉(zhuǎn)速、升速等一系列實驗，空壓機、增壓機、汽輪機三機聯(lián)動試驗成功完成，十萬空分壓縮機試車成功！

2017年5月15日，十萬等級空分裝置壓縮機組(空壓機、汽輪機、減速機、增壓機)在神華寧夏現(xiàn)場一次開車成功。機組振幅值、軸承溫度、軸位移等軸系監(jiān)測數(shù)據(jù)均符合合同規(guī)定，空壓機和增壓機的流量、壓力等工藝參數(shù)等性能指標均滿足裝置需求。運行數(shù)據(jù)表明，機組的各項機械性能及氣動性能指標均達到國際先進水平。運行數(shù)據(jù)表明，機組各項性能數(shù)據(jù)均達到裝置工藝要求，十萬等級空分裝置壓縮機組整機聯(lián)動試車一次合格!

為滿足“10萬大空分”裝置的大流量、大壓比、高效率要求，沈鼓研發(fā)團隊首創(chuàng)了空壓機“軸流+離心”共軸結(jié)構(gòu)，增壓機創(chuàng)新采用多軸多級齒輪組裝結(jié)構(gòu)，解決了葉輪直徑大、效率低等難題，并實現(xiàn)一鍵式啟車、黑屏式穩(wěn)定運行。

此后，沈鼓空分產(chǎn)品持續(xù)創(chuàng)新提升，全新一代超大型“軸流（6級）+離心（1級）空氣壓縮機組”，對比之前實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)和氣動性能的全面優(yōu)化，并實現(xiàn)工業(yè)化應用，各項性能指標國際領(lǐng)先。全新一代“6+1”機組為10.5萬空分壓縮機組，已在廠內(nèi)成功試車，并已順利交付用戶現(xiàn)場！

運行周年“答卷”，從國際先進到國際領(lǐng)先！

2018年4月，國產(chǎn)十萬等級空分裝置迎來運行一年后的“大考”——中國機械工業(yè)聯(lián)合會與中國通用機械工業(yè)協(xié)會共同組織對十萬等級空分裝置幾壓縮機組鑒定：

4月18日至19日，“特大型空氣分離設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化和101,500m³/h(氧)空氣分離設(shè)備應用”成果鑒定會召開，鑒定專家組一致認為，國產(chǎn)十萬等級空分設(shè)備的研制成功，是我國重大裝備國產(chǎn)化的又一突破，其主要技術(shù)性能達到了國際領(lǐng)先水平，可以滿足國內(nèi)大型煤化工、石油化工及冶金等重大工程對十萬及以上等級空分裝置的需要。

4月26日，“十萬等級空分裝置用空氣壓縮機組”產(chǎn)品鑒定會召開，最終鑒定意見為，十萬等級空分裝置用空氣壓縮機組填補了國內(nèi)空白，是裝備國產(chǎn)化的重大技術(shù)突破，機組技術(shù)性能達到了國際同類產(chǎn)品先進水平，其中機組操作性和工況適應能力等居國際領(lǐng)先水平。

“十年磨一劍”，十萬等級空分裝置打上“中國制造”標簽。

從國際先進到國際領(lǐng)先，國產(chǎn)十萬等級空分裝置用指標和性能彰顯了“中國制造”的實力，國際公司在規(guī)模和技術(shù)指標上壓國產(chǎn)空分設(shè)備一頭的時代宣告結(jié)束。

2021年11月3日，2020年度國家科學技術(shù)獎勵大會在北京人民大會堂隆重召開?！?00萬噸/年煤間接液化成套技術(shù)創(chuàng)新開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化”榮獲國家科技進步一等獎，杭氧與沈鼓雙雙上榜。十分等級空分裝置的成功應用運行，打破了多項國外關(guān)鍵技術(shù)、重大裝備及材料的技術(shù)壟斷，為我國煤制油產(chǎn)業(yè)化發(fā)展奠定了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)，帶動了一大批裝備制造企業(yè)躋身國際一流行列，對支撐國家能源多元供給，保障我國能源安全具有重大戰(zhàn)略和現(xiàn)實意義。

為什么我們?nèi)绱藷崆械匾诋a(chǎn)業(yè)鏈的各個領(lǐng)域都要實現(xiàn)國產(chǎn)替代？

因為只有這樣，才能避免被別人卡脖子，才能避免在關(guān)鍵時刻被徹底斷供的風險。

越基礎(chǔ)，越重要；基礎(chǔ)不牢，地動山搖。

十萬等級空分裝置國產(chǎn)化歷程表明：重大技術(shù)裝備事關(guān)國家經(jīng)濟安全與能源安全，核心技術(shù)買不來、化緣不來，也用市場換不來，自古只有華山一條路——堅定不移推進重大技術(shù)裝備國產(chǎn)化！