摘要
制氮机的生命周期成本取决于一次性投资（CAPEX）与运行费用（OPEX）的组合，而纯度（Purity）、流量（Capacity）与露点（Dew Point）是驱动两者的核心自变量。本文建立一个以回收率、压缩功、干燥与再生损失为核心的定量模型，给出可估算的单位能耗 kWh/Nm³与单位氮气完全成本 TCO的计算路径，并通过对比算例说明当纯度由 99% 提升至 99.9%、露点从 −40 °C 降至 −60 °C 时，CAPEX/OPEX 的耦合放大效应及其优化策略。
符号与定义（关键量）
表 1 符号表
1 成本分解与基本关系式
1.1 空气耗量与回收率
PSA 系统中，单位氮气所需压缩空气近似由氮回收率
与空气中氮含量决定：
当纯度提高时，RRR 通常下降，导致压缩空气需求上升。
1.2 压缩比功与单位能耗
在多级带中冷的工业压缩中，可用等熵近似得到单位空气压缩比功（工程化折算）：
其中
为气体常数，
为从理想功到电机输入的等效系数（含机械/电机/变频/管网损失，工程上取 1.15–1.35）。由此得到单位氮能耗：
其中
为干燥再生、冷却水泵/风机等辅机功率折算至 kWh/Nm³_N₂。
1.3 单位氮气完全成本（TCO）
年折旧可按 8–10 年线性计提，年产氮量=
× 年运行小时（典型 7,500–8,400 h）。
2 纯度对 CAPEX/OPEX 的影响
纯度提高意味着更严格的穿透控制与更长的有效传质区，工程上体现为塔体与 CMS 装填量加大、阀组通径与响应升级、在线分析精度提升，从而抬升 CAPEX；同时 RRR 下降使公式 (1)(3) 中的空气比与能耗同步上升。
表 2 纯度提升的典型区间（PSA）
| 目标纯度（vol%） | 典型回收率 RRR | Fair/QN2F_{air}/Q_{N_2}Fair/QN2（Nm³/Nm³） | 单位能耗 EEE（kWh/Nm³） | 对 CAPEX 的影响 |
|---|---|---|---|---|
| 99.0 | 0.45–0.55 | 2.3–2.8 | 0.45–0.60 | 基线配置 |
| 99.9 | 0.25–0.35 | 3.8–5.1 | 0.70–0.90 | 塔体/CMS 25–40% 放大 |
| 99.999 | 0.18–0.25 | 5.7–7.1 | 1.10–1.50 | 小中流量可行，大流量建议评估深冷/液供 |
工程提示：把 99% 拉到 99.9% 常见使 E 上升 30–60%；冲 5N 时，需与深冷或液氮汽化的 TCO 做并行比选。
3 流量规模与“0.7 次方”规律
这意味着放大流量会降低单位产能 CAPEX；同时大机组的等效比功与压降管理更优，单位能耗常有 5–15% 的改进空间。
表 3 流量放大对 CAPEX/能耗的影响（99% 纯度，示意）
| QN2Q_{N_2}QN2（Nm³/h） | 总 CAPEX（相对 100=1.00） | 单位产能 CAPEX（相对） | 典型 EEE（kWh/Nm³） |
|---|---|---|---|
| 100 | 1.00 | 1.00 | 0.50–0.65 |
| 200 | 1.62 | 0.81 | 0.47–0.62 |
| 500 | 3.09 | 0.62 | 0.45–0.60 |
| 1000 | 5.01 | 0.50 | 0.42–0.55 |
4 露点指标与干燥/再生的代价
露点包含进塔空气露点与产品氮露点两个层级。前者保护 CMS 免于水中毒，后者服务终端工艺。露点越低，干燥 CAPEX 与再生能耗越高，且再生吹扫会在式 (3) 中以
形式抬升单位能耗。
表 4 露点方案与能耗/成本影响（工程化）
| 露点等级 | 典型干燥配置 | CAPEX 影响 | 再生/吹扫影响 | 适用场景 |
|---|---|---|---|---|
| −20 °C（PDP） | 冷干 | +0–3% | 可忽略 | 一般惰化 |
| −40 °C（PDP） | 无热吸干 | +5–8% | 吹扫 12–15%，等效能耗 +8–12% | PSA 进塔保护 |
| −60 °C（PDP） | 微热/鼓风再生 | +8–12% | 电加热或鼓风功率 + 吹扫 5–7% | 电子/锂电/光伏 |
| ≤−70 °C（产品） | 追加产品侧干燥 | +10–18% | 视方案 | 极低水分需求 |
5 综合算例与灵敏度
能耗上升约 64%。同时因为塔体/CMS/在线分析升级，CAPEX 约上浮 25–40%。
6 模块化 CAPEX 构成（投标可用）
表 5 典型 CAPEX 组成比例
| 模块 | 占比（常见范围） | 设计要点 |
|---|---|---|
| 空压机与驱动 | 35–45% | 等效比功、余热回收、变频策略 |
| 吸附系统（塔/阀/CMS） | 20–30% | 塔径高径比、阀组通径/寿命、切换逻辑 |
| 预处理（过滤/干燥/冷却） | 8–15% | 进塔油水控制、ΔP\Delta PΔP 管理 |
| 控制与分析 | 8–12% | 在线纯度/露点/流量、联锁与报警 |
| 管路与撬架 | 8–12% | 压降、噪声、维护空间 |
| 安装调试/文档 | 5–10% | SAT 指标、FAT/校准 |
7 优化与选型建议（面向工程落地）
（1）纯度“刚好够用”原则。 将终端工艺收益与能耗上升做边际对比；若 99.9% 对质量提升有限，应回落到 99–99.5%。
（2）露点分层设计。 进塔稳定 −40 °C；仅当终端确需 −60 °C 时，采用微热/鼓风再生或产品侧追加吸附，避免全流程过度设计。
（3）多撬并联系统。 以 2+1 或 N+1 方式实现部分负荷高效运行与不停产检修。
（4）压缩系统优先级。 选择高效主机与合理级数/中冷，优化进气温度与滤器压降，通常比“堆高纯度”更省钱。
（5）在线监测闭环。 将纯度、露点、压力、流量与能耗接入 PLC/DCS，设置异常阈值与联锁，提前识别 CMS 中毒、阀卡滞与过滤器堵塞。
结论
制氮机的成本不是单点报价，而是由纯度–流量–露点三参耦合塑形的曲面。用式 (1)–(5) 可把“回收率—压缩功—再生损失”量化到kWh/Nm³与 TCO；算例显示：把纯度从 99% 拉到 99.9% 往往带来 30–60% 的单位能耗增量与显著的 CAPEX 放大，而在相同纯度下放大规模可获得单位投资与能耗的双下降。工程实践中，应优先保证空气端露点与压降，对纯度与产品侧露点实施**“必要即充分”的分层设计**，再以多撬并联与高效压缩机组实现生命周期成本最小化。
浙公网安备33018302001289号
