顧云杰，王斌

（寶山鋼鐵股份有限公司能源環(huán)保部，上海200941）

管網氮氣超標特點分析及改進

顧云杰，王斌

（寶山鋼鐵股份有限公司能源環(huán)保部，上海200941）

主要分析了某鋼廠管網氮氣純度超標的內在原因，并以一起典型超標情況為案例，提出了相應的改進措施。

氮氣純度；超標；氮壓機；管網

1 氮氣純度超標原因

氮氣純度超標主要影響某鋼廠冷軋產品和硅鋼產品的生產。氮氣在冷軋和硅鋼生產中用作保護氣，氮氣中含氧量突然上升，會造成冷軋和硅鋼產品氧化報廢，經濟損失嚴重。目前某鋼廠氮氣質量總體控制良好，但也會偶有發(fā)生。

某鋼廠氮氣質量控制標準為氮中氧含量小于等于10×10-6，目前某鋼廠氮氣質量超標事故發(fā)生率在1年1次左右的水平。查閱歷年制氧氮氣純度超標案例，發(fā)現(xiàn)氮氣純度超標的原因有如下幾點：

（1）氮壓機啟動過程中氮氣純度超標；

（2）供氣管網上其他介質竄入引起氮氣純度超標；

（3）空分純度超標未及時脫網；

（4）空分跳車引起氮氣純度超標；

（5）停役空分氮氣送出閥泄漏造成低壓氮氣母管純度受到破壞；

（6）液氮蒸發(fā)過程引起氮氣純度超標。

以上幾點引起氮氣純度超標的原因，其中（1）項內在原理我們經過反復分析后有了一個較清晰的認識，（2）項內在原理并不復雜，但在改進方面受控難度較大。（3）、（4）、（5）和（6）項成因和改進措施相對清晰和簡單。本文重點對（1）和（2）項進行分析。

2 氮壓機啟動過程中氮氣純度超標原因分析及改進

氮壓機起動步序，起動前，進口導葉全關，旁通閥全開。起動后，打開導葉，開放空閥置換氮氣。置換完畢后，關放空閥，打開出口閥，關小旁通閥對氮壓機加載送出。按照操作順序，氮壓機氮氣送出前都經過吹掃置換，管網氮氣純度不應該下降。

經過多次分析試驗，發(fā)現(xiàn)起動不同的氮壓機，引起氮氣純度超標的現(xiàn)象也不相同，1#～4#氮壓機在送出前，總管氮氣純度就已超標，而5#、6#氮壓機氮氣純度超標發(fā)生在氮氣送出的瞬間。雖然現(xiàn)象不同，但超標的原因是一樣的，關鍵問題出在導葉。

從上式中看出，流通截面F0減少時，只有讓截面前后壓差駐P增大時，才能確保流量Q不變，氮壓機起動時，進口導流葉片是全關的。當導流葉片前壓力不變時（4 kPa），只有降低導流葉片后的壓力才能確保壓縮機流量滿足運轉需要。這樣在導流葉片后就會形成負壓，從而使氮壓機外部空氣進入機體內造成氮氣純度下降。因而，造成氮壓機氮氣純度破壞的原因是氮壓機導葉關小。

氮壓機氮氣送出前，都進行放空置換，機內的不純氮氣怎么會進入管網，就要從氮壓機起動調節(jié)特性來分析。

圖1 中壓氮壓機流程簡圖

圖2 氮壓機管網示意圖

2.1 1#～4#中壓氮壓機起動超標原因

根據(jù)運行制度，1#～4#氮壓機基本上是同時運行，當起動其中的一臺時，機內氮氣純度受到污染，在放空置換前，氮壓機旁通全開位置，機內污染的氮氣通過旁通閥進入氮壓機進口處，由于低壓管網壓力的波動，當壓力低于氮壓機進口處壓力時，氮壓機進口處污染的氮氣倒流至低壓管網，有附近其他的氮壓機吸入壓送至管網，造成氮氣管網純度超標。

2.2 5#和6#中壓氮壓機起動超標原因

5#和6#氮壓機根據(jù)運行制度，平時只運行其中的1臺。而且與1#～4#氮壓機分別位于制氧分廠的兩端，相距較遠，因此，不可能是上述原因造成管網純度超標。通過氮壓機導葉關小是引起氮壓機氮氣純度上升這一根本原因，對氮壓機整個起動、送出過程進行分析，就不難發(fā)現(xiàn)問題所在。

5#、6#氮壓機負載調節(jié)與1#～4#氮壓機不同，是由計算機自動控制，不像1#～4#氮壓機導葉可以手動操作。5#、6#氮壓機起動后，機內氮氣受到污染，對氮壓機進行加載置換，由計算機根據(jù)設定壓力開大導葉，關小旁同閥進行加載，手動打開放空閥置換。確認置換完畢（現(xiàn)場氮氣分析儀）后，開始向管網輸送，關小放空閥，打開送出閥。當出口閥打開時，機外管網壓力與氮壓機出口處壓力均壓，計算機根據(jù)出口壓力與設定壓力的偏差進行調節(jié)，因出口壓力高于置換時的設定壓力，氮壓機進行減負荷調節(jié)，關小導葉，開大旁通，引起機外空氣進入氮壓機向管網輸送造成氮氣純度超標。

2.3 1#～4#中壓氮壓機起動改進

1#～3#中壓氮壓機起動是按照程序設定的起動順序和時間，自動完成起動過程。4#中壓氮壓機容量與1#～3#機相同，但無自動起動功能，起動方式按1#～3#機自動程序進行手動操作進行。根據(jù)流量公式：

要確保氮壓機起動時導葉后壓力保持正壓，在Q不改變的條件下，只有提高導葉前的壓力（低壓管網）或提高流通截面（開大導葉），而低壓管網受空分氮氣產品壓力的制約，無法任意提高壓力來滿足需要。因此只能從開大導葉來考慮。空載起動（導葉全關）是為了確保壓縮機起動時起動電流控制在最小范圍內。經過反復研究和試驗，當導葉在小于20%開度時，氮壓機氮氣純度出現(xiàn)超標。在導葉20%開度時起動氮壓機，起動電流和機內氮氣純度都在可控制允許范圍內。

2.4 5#和6#中壓氮壓機起動改進

5#和6#中壓氮壓機起動造成氮氣純度超標的原因，是由于出口閥剛打開時氮壓機進行減負荷調節(jié)時關小導葉引起的，改進的手段是在打開出口閥時使導葉保持一定的開度而不進行減負荷調節(jié)。5#和6#中壓氮壓機負荷調節(jié)模塊按壓縮機廠方要求是不能隨意更改的。因此只能在操作方法上進行改進，只要在打開出口閥時確保管網壓力低于壓縮機壓力設定值，在氮氣送出過程中始終保持氮壓機全載，就能確保氮氣純度穩(wěn)定。

在具體操作中，利用中壓氮壓機置換放空閥對負載進行手動調整，放棄氮壓機的自動調節(jié)功能。在置換過程中，將氮壓機出口壓力設至650 kPa開大放空閥，將出口壓力維持在600 kPa，使氮壓機導葉全開、旁通閥全關進行全負荷運轉。待純度合格后，打開出口閥，慢慢關小放空閥。在關小放空閥過程中，要配合出口閥開度來進行，防止出口背壓超過650 kPa，因中壓管網壓力最高620 kPa，因此，在氮氣送出過程中，氮壓機始終不會參與自動調節(jié)，從而保證氮壓機在送出過程中氮氣純度的穩(wěn)定。

3 供氣管網上用戶施工作業(yè)引起氮氣純度超標

此類超標事故近年某鋼廠發(fā)生率最高，究其原因主要跟某鋼廠近年大量建設技改項目的進行有關。下面具體分析一起典型的管網氮氣純度超標案例。

3.1 冷軋薄板廠氮氣純度超標原因分析和改進

3.1 .1事件經過

某年1月18日16：28冷軋薄板廠能介車間來電話反映氮氣純度超標，氮中含氧量達250×10-6，5：15開始發(fā)現(xiàn)氮中含氧量有上升趨勢，16：00開始對其氮氣球罐前管道進行放散，期間控制球罐出口供用戶的氮中含氧量≤80×10-6。

能環(huán)部啟動氮氣純度超標處理預案，確認供出側（制氧分廠）氮氣純度正常。對系統(tǒng)用戶分析，確認五冷軋在使用高壓氮氣對氫氣球罐試壓過程中，管網壓力與球罐壓力均衡后，充壓閥門未關。氫氣球罐中不純氮氣隨著系統(tǒng)壓力波動流回系統(tǒng)，造成冷軋薄板氮氣純度超標。17：14關閉五冷軋高壓氮氣交接點閥門，至18：10純度恢復正常。

3.1 .2事件分析

五冷軋施工單位為了對新建氫球罐(400 m3×2)進行充壓試驗，從NHV5H2閥后高壓氮管道上接了一根臨時管道(直徑32 mm)至球罐進行充壓（圖3）。動力調度（計劃作業(yè)時間1月17日13：00～1月18日15：00）指令巡檢于17日14：32打開NHV5H2閥門。施工單位于17日15：00開通內部球罐充壓閥門開始充壓。

判斷冷軋薄板氮氣純度超標系此次五冷軋氫球罐進行充壓試驗所致。于18日17：14關閉交接點閥門（NHV5H2）。經向五冷軋和施工單位調查，18日上午9點左右，球罐已經充壓至2.0 MPa（高壓氮氣系統(tǒng)壓力1.8～2.6 MPa）。

經分析，在18日上午9點以后的這段時間，球罐與高壓氮系統(tǒng)是均壓的，導致球罐內的氣體隨高壓氮氣主管網壓力波動而吞吐，引起高壓氮純度超標。根據(jù)高壓氮管道的走向，五冷軋下游用戶主要是不銹鋼和冷軋薄板廠，所以超標的氮氣基本都送至這兩家用戶，而不銹鋼分公司由于目前高壓氮氣主要用于高爐噴煤和轉爐濺渣對氮氣純度要求不高，因此沒有反映。

圖3 氮壓機管網示意圖

3.1 .3管網氮氣純度超標整改措施

上文介紹的案例屬于試壓過程中空氣和氮氣混合后竄入氮氣管網，另外也有壓縮空氣壓力高于氮氣管網壓力時頂入氮氣管網的事故發(fā)生。對此類事故的經驗進行總結分析，某鋼廠能環(huán)部采取了以下相關整改措施：

（1）各用戶臨時使用管道氮氣進行氣密性試驗、耐壓試驗時，要確保氮氣管網的氮氣純度不被污染。必須編制完整的作業(yè)方案，設備業(yè)主是方案的審核、批準單位，也是試壓方案實施的管理單位，對試壓作業(yè)全過程負責。充氣過程中試壓管道或設備壓力要低于系統(tǒng)管網接出點壓力0.2 MPa以上。氮氣充氣完成后，不論試壓設備是否需要繼續(xù)進行其他方法的升壓，應立即與氮氣管網進行物理斷開，斷開方法可以采用拆除連接管或加裝盲板。

（2）對由于原設計已存在的非同一介質與氮氣、氧氣、氬氣管道連接的問題，責任單位進行清理，除應急保安用氣外（僅指煤氣），一律物理斷開。未物理斷開的應急保安用氣責任單位須裝設止回閥和壓力控制聯(lián)鎖，并報能環(huán)部備案。

（3）氮氣、氧氣、氬氣上未做設計的，生產方禁止新增物理連接壓縮空氣管道、天然氣、煤氣、氫氣和蒸汽等非同一介質管道。

Analysis of the Characteristics of Nitrogen Purity Deviation in Pipeline Network and Improvement

GU Yunjie，WANG Bin
（Energy&Environmental Protection Department,Baoshan Iron&Steel Co.,Ltd.,Shanghai 200941,China）

The intrinsic cause of nitrogen purity deviation in some steel plant is mainly analyzed;and relevant improvement measures are put forward taking a typical case of nitrogen purity deviation as an example.

nitrogen purity;deviation;nitrogen compressor;pipeline network

TQ116.15

B

1006-6764(2014)06-0032-03

2014－03－07

顧云杰（1979－），男，2003年畢業(yè)于上海同濟大學熱能與動力專業(yè)，工程師，現(xiàn)從事制氧工藝專業(yè)技術工作。