池至河

(福建三鋼閩光股份有限公司煉鋼廠，福建三明 365100)

1 引言

三鋼本部年產(chǎn)600萬t鋼產(chǎn)能布局，現(xiàn)有的五套制氧機總裝機容量61500m3/h無法滿足，經(jīng)論證新建一套32000m3/h制氧機。目前，同一等級制氧機行業(yè)通常配置為空分系統(tǒng)國產(chǎn)，空壓機、氮壓機、膨脹機（其中一臺）進(jìn)口。考慮大型空壓機、氮壓機、膨脹機采用進(jìn)口設(shè)備，投資大、訂貨周期長、檢修備件費用高，又有本單位20000m3/h等級制氧機配套的國產(chǎn)空壓機、氮壓機成功運行經(jīng)驗。32000m3/h制氧機空分系統(tǒng)、液體貯槽、氧壓機、2臺膨脹機由杭氧成套國產(chǎn)配置，空壓機、氮壓機由西安交大賽爾機泵成套設(shè)備有限責(zé)任公司成套國產(chǎn)配置，儀、電控系統(tǒng)及其它設(shè)備也基本采用國產(chǎn)設(shè)備，實現(xiàn)大型制氧機全流程設(shè)備國產(chǎn)化。

2 流程組織

2.1 流程技術(shù)特點

制氧流程采用國產(chǎn)空壓機、分子篩凈化空氣、增壓透平膨脹機制冷，上塔采用規(guī)整填料塔，氧氣部分自增壓、部分外壓縮，全精餾無氫制氬工藝流程（見圖1）?；诂F(xiàn)有向化工廠提供9000m3/h的氧氣是從1.6M Pa減壓到40k Pa，能耗消耗大。本套流程8000～15000m3/h氧氣采用液氧自增壓，增壓至60k Pa經(jīng)換熱氣復(fù)熱后直接送往化工廠。24000～17000m3/h氧氣復(fù)熱后經(jīng)氧壓機壓縮3.0 M Pa送入管網(wǎng)。

2.2 產(chǎn)品產(chǎn)量及純度設(shè)計指標(biāo)

表132000m3/h制氧機產(chǎn)量及純度

3 主要設(shè)備國產(chǎn)化配套情況

3.1 空氣過濾器

空氣過濾器采用無錫中盛凈化設(shè)備有限公司的三層自潔式空氣過濾器，處理空氣量（按2.3倍計算）≥412000m3/h（101.3k Pa(A)0℃），≥2μm的顆粒，過濾效率≥99.9%，≥1μm的顆粒，過濾效率≥99.5%，正常運行阻力為400～650P a。自潔方式由自動、壓差、手動三種方式，目前采用自動控制方式，周期為1m i n，用氮氣分6組對過濾筒進(jìn)行反吹。濾筒更換周期為18個月。最大優(yōu)點：過濾效率高，分三層整體安裝便捷快速，占地面積小。

圖132000m3/h制氧空分流程

3.2 空壓機

空壓機采用西安交大賽爾機泵成套設(shè)備有限責(zé)任公司生產(chǎn)的4 D I 120單軸等溫型壓縮機。設(shè)計排氣量 177000m3/h，排氣壓力 0.62M Pa（A），電機功率17000k W，調(diào)節(jié)范圍75%～105%。機組采用雙層布置，壓縮機主機、增速機、電機布置在二層平臺。壓縮機主機和增速機共用一個底座，電機單獨一個底座。中間冷卻器及油站布置在底層，高位油箱布置在機組軸心線以上5m處。結(jié)構(gòu)特點：（1）采用單軸等溫四級離心式壓縮機型式；（2）采用二體焊整體銑制結(jié)構(gòu)“全可控渦”三元流葉輪；（3）機殼采用樹脂砂鑄造，有較光潔的外觀及內(nèi)部組織，水平剖分型式；（4）迷宮密封；（5）徑向軸承采用錯位瓦軸承，推力軸承采用均壓止推軸承；（6）縮機與電動機之間采用疊片式聯(lián)軸器。

3.3 氮水預(yù)冷系統(tǒng)

空冷塔和水冷塔采用散堆填料，具有傳熱傳質(zhì)效率高、操作彈性大、阻力降小等優(yōu)點；同時充分利用污氮氣的不飽和吸濕性，取消冷凍機，節(jié)省投資及運行費用。空氣冷卻塔頂部設(shè)置不銹鋼絲網(wǎng)除霧器，防止水分帶出并除去空氣中的水滴?？諝獬隹绽渌臏囟扰c上段進(jìn)塔冷水的溫差≤2℃，并且空氣出空冷塔的溫度≤17℃，空氣溫降效果好。

3.4 分子篩系統(tǒng)

分子篩吸附器采用臥式雙層床結(jié)構(gòu)（活性氧化鋁+分子篩），底層活性氧化鋁有較強的吸水性及硬度可有效地保護(hù)上層分子篩，同時也降低了純化器再生阻力和再生溫度，節(jié)約再生能耗。吸附器筒體內(nèi)部設(shè)有分隔板，防止分子篩和氧化鋁混床?？諝膺M(jìn)口處設(shè)有下氣體分布器，改善空氣流的均勻性。污氮氣進(jìn)口處設(shè)有上氣體分布器，改善再生污氮氣流動的均勻性，同時也可過濾吸附劑可能產(chǎn)生的粉末。兩只分子篩交替使用，運行周期為4h。配有3臺（2用1備）立式圓筒加熱器，電加熱器電熱元件為直管式，總功率為1014k W，使用功率為868k W。

3.5 透平膨脹機

兩臺透平膨脹機為三元流增壓透平膨脹機，均采用杭氧生產(chǎn)的。葉輪采用三元流釬接閉式葉輪，等熵效率86.5%。增壓空氣進(jìn)口采用錐型過濾氣器。膨脹量為25900m3/h，進(jìn)口壓力0.92M Pa(A)，出口壓力0.14M Pa(A)。

3.6 分餾塔

下塔采用四溢流篩板塔，上塔、粗氬Ⅰ塔、粗氬Ⅱ塔、精氬塔均采用規(guī)整填料塔（蘇爾壽填料），具有變工況迅速，氧、氬提取率高，能耗低等優(yōu)點。主冷凝蒸發(fā)器采用浴式結(jié)構(gòu)，全浸式操作。本套空分帶有液氧蒸發(fā)器，冷箱內(nèi)部流程有變動。進(jìn)入主換熱器空氣，被返流氣體冷卻至飽和溫度后又分為兩部分：一部分直接進(jìn)入下塔參與精餾，另一部分進(jìn)入液氧蒸發(fā)器與液氧換熱后進(jìn)入下塔精餾。上塔精餾后，在冷凝蒸發(fā)器底部得到液氧，進(jìn)入液氧蒸發(fā)器增壓并汽化，經(jīng)過主換熱器復(fù)熱后得到60k Pa氧氣，液氧從液氧蒸發(fā)器底部抽出送入貯存系統(tǒng)。另一部分氧氣直接從上塔底部抽取，流程取消了粗氬液化器。

3.7 液體貯存汽化系統(tǒng)

液體貯存汽化系統(tǒng)配置1臺1000m3立式常壓低溫液氧貯槽（珠光砂絕熱），1臺1000m3立式常壓低溫液氮貯槽（珠光砂絕熱），3臺100m3立式真空絕熱液氬貯槽。配置1套輸送流量6000m3/h（壓力3.0 M Pa）液氧加壓汽化系統(tǒng)，1套輸送流量3000m3/h（壓力3.0M Pa）液氮加壓汽化系統(tǒng)，1套輸送流量1200m3/h（壓力3.0M Pa）液氬加壓汽化系統(tǒng)。配有20m3/h液氧、液氮槽車轉(zhuǎn)注泵。整套系統(tǒng)由杭氧提供。

3.8 氧壓機

氧壓機采用杭氧生產(chǎn)的3 T Y S 85+2 T Y S 68氧氣透平壓縮機，設(shè)計排氣量16000m3/h，排氣壓力3.0 M Pa，電機功率4000k W，調(diào)節(jié)范圍75%～100%。機組采用雙層布置，壓縮機主機、增速機、電機布置在二層平臺。低壓缸、高壓缸和增速機共用一個底座，電機單獨一個底座。5個中間冷卻器及油站布置在底層。雙缸、8級壓縮、水平剖分式型式。1級、2級單獨各配置一個冷卻器，3級至8級每2級配置一個冷卻器。設(shè)有氮氣自動防火保護(hù)措施，當(dāng)壓縮機出現(xiàn)溫度異常升高時，可自動充氮滅火停機，保證壓縮機安全高效運行。

3.9 氮壓機

氮壓機采用西安交大賽爾機泵成套設(shè)備有限責(zé)任公司生產(chǎn)的2臺國產(chǎn)6 G H 42多軸等溫型壓縮機。設(shè)計排氣量 16000m3/h，排氣壓力 2.3M Pa（A），電機功率2800k W，調(diào)節(jié)范圍75%～105%。整套機組為單層布置，整體采用齒輪箱體布置，典型的三軸六級等溫離心式壓縮機。二號中間冷卻器布置在壓縮機底座上，其余5個中冷器布置在壓縮機兩側(cè)，油站布置在壓縮機底座旁。結(jié)構(gòu)特點：（1）布置緊湊，占地面積小。（2）葉輪采用二體焊整體銑制結(jié)構(gòu)“全可控渦”三元流葉輪，葉輪與軸的聯(lián)結(jié)采用三角圓弧聯(lián)結(jié)方式，此聯(lián)結(jié)傳遞面積大，拆裝簡單、方便。（3）箱體采用焊接齒輪箱體，分底層大齒輪軸水平剖分、頂層5、6級小齒輪軸水平剖分兩層剖分。（4）蝸殼采用樹脂砂鑄造，有較光潔的外觀及內(nèi)部組織；（5）迷宮軟密封；（6）徑向大齒輪軸承采用錯位瓦軸承；徑向小齒輪軸承采用可傾瓦軸承；推力軸承采用米切爾式滑動軸承；（7）壓縮機與電機之間采用膜片式聯(lián)軸器。

3.10氧氣球罐

2臺1000m3氧氣球罐，1臺1000m3氮氣球罐，設(shè)計壓力3.15M Pa，2臺50m3氬氣球罐，設(shè)計壓力3.3M Pa。

3.11 低溫液體輸送管

液體輸送管采用四川活力生產(chǎn)的高真空多層絕熱低溫液體輸送管，絕熱性能好，液體汽化率低。

3.12儀控

和利時D C S集散控制系統(tǒng)，配有4臺操作站和2臺上位機，實現(xiàn)空壓機、氧壓機、氮壓機、空分系統(tǒng)及液體貯存系統(tǒng)等的遠(yuǎn)程控制。

冷箱內(nèi)低溫調(diào)節(jié)閥采用無錫工裝，常溫氣體調(diào)節(jié)閥采用重慶川儀。

在線分析儀器由北京凱龍成套提供。

3.13 電氣設(shè)備

空壓機、氧壓機、氮壓機電機采用上海電機廠異步電機。空壓機采用國產(chǎn)高壓降補固態(tài)軟啟動器，氧壓機、氮壓機采用國產(chǎn)高壓晶閘管軟啟動器。無功就地補償裝置及配電高低壓成套開關(guān)均選用國產(chǎn)的元器件。變壓器、直流屏、調(diào)功屏也都有國內(nèi)廠家提供。

4 設(shè)備投資

4.1 電氣設(shè)備投資。包括4臺軟啟動器、無功就地補償裝置、調(diào)功屏、直流屏、變壓器、配電高低壓成套開關(guān)（不包括電纜）510萬左右。

4.2 主體設(shè)備投資。包括空氣過濾器、空壓機、空分成套（包括2臺膨脹機）、1臺氧壓機、2臺氮壓機、3個1000m3球罐、液體貯存汽化系統(tǒng)、高真空多層絕熱低溫液體輸送管及其他小設(shè)備9720萬左右。

4.3 儀控系統(tǒng)投資。包括D C S成套、調(diào)節(jié)閥、變送器、流量計等650萬左右。

整個工程設(shè)備投資約為10880萬左右。

5 工程安裝問題處理、質(zhì)量監(jiān)控及優(yōu)化設(shè)想

整套設(shè)備的安裝、調(diào)試過程總體來說比較順利，但也出現(xiàn)一些問題，這里列出工程中一些問題的解決方法及優(yōu)化設(shè)想。

5.1 空壓機系統(tǒng)

（1）進(jìn)口導(dǎo)葉

空壓機導(dǎo)葉傳動部分整體安裝在蝸殼以內(nèi)，通過一連軸與機殼外執(zhí)行機構(gòu)連接。在試車過程發(fā)現(xiàn)，無論導(dǎo)葉開大還是關(guān)小，氣量都在150000m3/h左右?，F(xiàn)場對外部執(zhí)行機構(gòu)調(diào)試、校對都正常，判斷是內(nèi)部執(zhí)行機構(gòu)有問題。停機揭蓋檢查，發(fā)現(xiàn)機殼內(nèi)執(zhí)行機構(gòu)軸與傳動連接件上的定位螺栓脫滑，導(dǎo)致導(dǎo)葉無法調(diào)節(jié)。后在執(zhí)行機構(gòu)軸上，與傳動連接件上的定位螺栓接觸處，鉆一定位孔洞，并鎖死，解決問題。

（2）放空閥原廠家設(shè)計選型為D N 400，當(dāng)流量為177000m3/h，出口壓力為0.52M Pa的壓縮空氣緊急放空時無法滿足，工程設(shè)計增加一路D N 300手動調(diào)節(jié)閥，并在兩個調(diào)節(jié)閥前增設(shè)手動蝶閥，便于放空閥檢修、調(diào)校。

（3）空壓機出口壓力變送器按通常都在出口管下方就近布置，這樣出口飽和空氣沿儀表銅管逐漸冷凝，出口壓力指示偏高，造成空壓機偷放空。后把壓力變送器改裝在二樓出口管上方，解決問題。

（4）中間冷卻器冷凝水原為D N 25，冷凝水排不干凈，改為D N 50解決問題。

5.2 預(yù)冷系統(tǒng)

（1）水冷塔應(yīng)多設(shè)一路氮氣進(jìn)口管，便于操作及冷量回收。

（2）流程配套設(shè)備的最高進(jìn)水點在水冷塔上部28m處，供水管網(wǎng)最低壓力取決于此處，壓力太高。流程設(shè)計時可以考慮從空冷塔常溫水泵出口增設(shè)去水冷塔補水管路，補充水的量列入常溫水泵選型考慮。這樣，可以降低供水管網(wǎng)壓力，節(jié)約能耗。

（3）空冷塔頂部容器內(nèi)捕水器的連接法蘭，應(yīng)重點檢查，此處法蘭密封不好，向上噴射的水流比較容易隨氣流帶入分子篩。

（4）系統(tǒng)預(yù)留有一臺冷水機組接口，根據(jù)需要配備冷水機組。

5.3 分子篩系統(tǒng)

（1）V 1205、V 1206調(diào)節(jié)閥動作頻繁，實際運行中，故障較高，檢修更換需臨時停車。V 1205、V 1206閥前各增設(shè)一個截止閥，隨時可在線進(jìn)行調(diào)節(jié)閥的校對、調(diào)節(jié)、更換。

（2）原分子篩系統(tǒng)程序設(shè)計在冷吹結(jié)束時，切斷冷吹污氮，同時打開污氮排放閥V 1219，但是由于閥門打開有一個過程和一定滯后性，造成上塔壓力升高。因此，改為在冷吹結(jié)束前10s強制打開V 1219閥50%的開度，取得很好效果。

（3）吸附劑裝入過程的細(xì)節(jié)把控：①填裝過程在晴天進(jìn)行較好，防止吸潮；②裝前確認(rèn)底層不銹鋼孔板焊縫是否焊牢、縫隙＜1m m，與殼體四周活動連接是否密封；③氧化鋁裝好后要平整床面；④在裝分子篩時，要檢查分隔板是否與殼體配合良好，空隙處絲網(wǎng)翻上來。裝好分子篩后平整到床面水平度＜10m m。只有做好細(xì)節(jié)，才能保證吸附效果。否則，由于吸附劑泄漏，直接導(dǎo)致設(shè)備無法運行下去，最終需重新填裝吸附劑，這方面是得到過教訓(xùn)的。

（4）配套的分隔板還是采用碳鋼板，到現(xiàn)場生銹嚴(yán)重，處理麻煩，建議分隔板采用不銹鋼板。

5.4 膨脹機系統(tǒng)

（1）膨脹機進(jìn)口過濾器，通常采用“T”結(jié)構(gòu)，水平安裝，這種方式檢修比較方便。本套過濾器采用“Y”結(jié)構(gòu)，向下傾斜45°角安裝。由于過濾器內(nèi)沒有設(shè)計定位導(dǎo)軌，過濾器本體密封凹槽又小，過濾桶的安裝對準(zhǔn)難度相當(dāng)大。費勁對準(zhǔn)后，過濾桶有沒有固定卡扣卡住，無法固定，過濾器法蘭盲板無法安裝，現(xiàn)場只能用不銹鋼焊接固定過濾桶后，再蓋法蘭盲板。建議，如采這種結(jié)構(gòu)，過濾器內(nèi)部應(yīng)設(shè)有四個方位的定位導(dǎo)軌及過濾桶固定卡扣。

（2）密封氣排放口堵塞，密封氣順軸流向供油側(cè)，進(jìn)而流向油箱，最后導(dǎo)致排油煙風(fēng)機底部排油管（插入油箱液面以下）由于背壓升高，排油管內(nèi)油位上升最終連通，油箱內(nèi)的油通過這根管道，由排油煙風(fēng)機抽出外部，油位急劇下降。

（3）杭氧32000m3/h空分配套的膨脹機，安裝后首次開車不需要跑合，與以往要分好幾個轉(zhuǎn)速跑合，應(yīng)該是一個大進(jìn)步。膨脹機設(shè)計轉(zhuǎn)速為16285 r/m i n，開車時快速調(diào)至8000r/m i n以渡過喘振區(qū)，視軸溫情況，提高轉(zhuǎn)速，直至達(dá)到工作轉(zhuǎn)速。

（4）本套膨脹機進(jìn)口過濾器、進(jìn)出口閥門均放置在膨脹機小倉內(nèi)，相比以往放置在主換熱器冷箱倉顯的合理，實現(xiàn)膨脹機系統(tǒng)整體獨成體系，便于配管、維護(hù)、檢修。

5.5 氮壓機系統(tǒng)

（1）回流閥D N 80、放空閥D N 80口徑太小，每次開機，回流閥全開，放空閥全關(guān)，就會引起機組振動超高限停車。經(jīng)多次嘗試，回流閥全開，放空閥開50%，開機成功。建議16000m3/h氮氣壓縮機回流閥、放空閥應(yīng)配D N 100。

5.6 冷箱內(nèi)

（1）儀表管線安裝。儀表管線是冷箱內(nèi)最細(xì)的管線，且數(shù)量較多，焊縫繁多，尤其是液位正管，一旦泄漏就會引發(fā)冷箱扒砂處理。安裝過程中應(yīng)從多處細(xì)節(jié)著手有效避免：①冷箱內(nèi)所有計器管以及分析管采用整根布置，一個冷箱內(nèi)測點，冷箱內(nèi)只有一條焊縫，大大減少焊縫漏液的概率。②在塔體儀表管向冷箱壁過渡時，儀表管線應(yīng)做水平～300m m U彎，第一道扎口應(yīng)離容器或管道預(yù)留～800m m左右的距離，儀表管應(yīng)用銅絲松散地纏繞在保護(hù)角鋼上，使其在熱脹冷縮時有充分的自由收縮。③對于儀表管線保護(hù)角鋼，要根據(jù)儀表管線冷態(tài)收縮方向，決定儀表管是放上還是放下。與向下收縮的容器相連的儀表管，儀表管是放在角鋼下方。與向上收縮的容器相連的儀表管，儀表管是放在角鋼上方，如從精氬蒸發(fā)器引出的儀表管，在冷箱壁的導(dǎo)向形式，保護(hù)架需放在儀表管下方。

（2）管道安裝。冷箱內(nèi)大部分從設(shè)備接出的管道沿著塔往下走，達(dá)到管道與設(shè)備同步收縮，減小甚至消除了相對位移。

（3）支架安裝。冷箱內(nèi)的管道支架、閥門支架、容器支架均采用不銹鋼，增加強度，減少跑冷損失。冷箱內(nèi)的管架要根據(jù)管道的收縮方向，區(qū)分采用導(dǎo)向型、上限型、固定型支架。例如液氮管V 3閥后進(jìn)上塔，在+58m處只能用上限型支架，一可以托住液氮管，二冷卻時不會阻礙管道收縮。固定于容器上的導(dǎo)向型管道支架，管道外邊緣與支架之間應(yīng)留有＞2 m m的空隙，保證管道冷熱的自由伸縮。固定冷箱型鋼上的水平托架，管道底部與支架間應(yīng)留有合適的高度h，處于冷箱不同高度的托架，h值不一樣。例如V 713閥后液氬D 210×5在+26.6m及+34.6m處水平段h值分別40m m（26.6m×1.5‰）和52m m（34.6m×1.5‰）。

（4）閥門安裝。V 11、V 717采用活動閥門設(shè)計，安裝時將閥門向相反方向移動，開車時閥門隨管道相下收縮剛好處在閥筒中心，把閥門與管道視為一個整體，有效降低整個系統(tǒng)的應(yīng)力。其余固定閥門安裝，應(yīng)注意閥門的前后限位固定管箍須安裝在盡量靠近閥門的管道上，并抱緊，防止管道在閥門進(jìn)出縮徑焊縫處由于應(yīng)力而斷裂。

（5）液氧、液氮分析閥及氖、氦氣體吹出閥，直接與塔體相連，又經(jīng)常操作，很容易出現(xiàn)不能全關(guān)或損壞、需要停車處理。在這些閥門前加裝一個閥門、正常操作全開前面的閥門、用后面的閥門控制，這樣閥門有故障很容易處理。

冷箱內(nèi)設(shè)備的安裝，只有確實做好每個細(xì)節(jié)，才能提高整個冷箱運行的安全性。

5.7 公共氣源

（1）對儀表氣源、空壓機、膨脹機、氧壓機、氮壓機密封氣及1000m3低溫貯槽保溫氣均采用雙路供氣，確保機組用氣安全。

（2）儀表空氣作為液氬泵密封氣影響精氬純度，改用汽化后的精氬氣作密封氣，保證精氬純度。

6 設(shè)備運行指標(biāo)

32000m3/h2012年2月19日裸冷完成，3月23日一次出氧成功以來，已連續(xù)、穩(wěn)定運行了多個月，各項指標(biāo)良好（見表2）?？諌簷C運行電耗0.0936k W·h/m3空氣（進(jìn) /排氣壓力 99.11k Pa（A）/0.503M Pa(G)），氧壓機運行電耗0.22k W·h/m3O2（進(jìn)/排氣壓力12k Pa(G)/1.93M Pa(G)），氮壓機運行電耗.15k W·h/m3N2（進(jìn) /排氣壓力 11k Pa（G）/1.58M Pa（G））。

表2 產(chǎn)量及純度運行指標(biāo)

7 體會

（1）30000m3/h等級制氧機全流程采用國產(chǎn)化配置，運行穩(wěn)定，能耗合理。同時投資小，訂貨周期短，檢修備件費用低，維護(hù)方便。

（2）制氧機的配套設(shè)備多，工藝管道復(fù)雜，工程安裝、調(diào)試應(yīng)從細(xì)節(jié)著手，尤其冷箱內(nèi)的安裝更是重中之重。所有細(xì)節(jié)都監(jiān)控到位了，才能確保整套制氧機的順利投產(chǎn)。