劉道科

(金川集團(tuán)公司動(dòng)力廠,甘肅 金昌 737100)

0 前言

隨著大型內(nèi)壓縮流程空分裝置的普及,制氧行業(yè)因壓縮氧氣而導(dǎo)致的燃爆事故顯著降低,安全生產(chǎn)得到了保障,但任何新技術(shù)的應(yīng)用也難以避免新的問題出現(xiàn),其中如何防止水分進(jìn)入空分裝置就是一個(gè)典型的例子。

某公司KDON-20000/20000 制氧機(jī)是一套國產(chǎn)制氧設(shè)備,在投產(chǎn)初期,曾接連發(fā)生過兩起液泛事故,對制氧系統(tǒng)可靠運(yùn)行造成了一定影響。為此,本文進(jìn)行了故障原因排查和分析,找到了引發(fā)液泛的元兇,修復(fù)了泄漏的換熱管,制定了合理的操作維護(hù)制度,避免液泛事故的再發(fā)生。

1 空分工藝流程

空分工藝流程如圖1 所示,低壓空氣從下塔下部進(jìn)入然后逐步上升,與通過高壓液空節(jié)流閥、低壓液空節(jié)流閥進(jìn)入下塔的高壓液空和低壓液空,及回流的液氮等下落液體在篩板層進(jìn)行逐級傳熱,在下塔底部得到富氧液空,在下塔上部得到高純度液氮。下塔的物料通過富氧液空節(jié)流閥、污液氮節(jié)流閥、液氮空節(jié)流閥送往上塔填料層,在重力作用下與通過主冷換熱器汽化上升的氧蒸汽進(jìn)行氣液交換,在上塔下部得到純度合格的液氧,在上塔上部形成純度合格的氮?dú)?完成空氣分離。

圖1 空分工藝流程

2 空分裝置故障及分析

2.1 第一次故障

自2005 年9 月建成投入生產(chǎn)序列以來,KDON-20000/20000 制氧機(jī)各項(xiàng)運(yùn)行指標(biāo)均正常。2006 年1 月11 日下午,下塔阻力突然從19.6 kPa 直接上升至38.5 kPa,下塔液空液面急速降低,主冷液面迅速下降。通過緊急操作污液氮和液氮閥門約20 min,下塔阻力逐漸恢復(fù)正常,但分餾工況已破壞,需要重新調(diào)整工況,才能滿足產(chǎn)品品質(zhì)要求。

2.1.1 第一次故障原因分析

2.1.1.1 初步分析

根據(jù)本次故障表現(xiàn)的特征,可以判斷是一起典型的下塔液泛[1]事故。查明下塔液泛的原因是急需解決的問題。為此,進(jìn)行了幾個(gè)方面的調(diào)查:

1)確定關(guān)鍵工藝參數(shù)在液泛發(fā)生前是否出現(xiàn)重大波動(dòng)。通過DCS 系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)查詢,可以明確在發(fā)生液泛之前,入塔空氣量、板式溫度、調(diào)1、調(diào)2、調(diào)3 等重要參數(shù)均無異常波動(dòng)現(xiàn)象。

2)確定儀控系統(tǒng)是否正?？煽康倪\(yùn)行。對液空液面計(jì)、液氧液面計(jì)、下塔阻力計(jì)等進(jìn)行了測試,可知儀表測量結(jié)果可以信賴;而后又對調(diào)1、調(diào)2、調(diào)3 等進(jìn)行測試,發(fā)現(xiàn)調(diào)2 閥有輕微的竄動(dòng)現(xiàn)象,經(jīng)儀控人員在線調(diào)試后正常。

3)確定下塔篩板是否堵塞。通過抽取富氧液空、液氮、污液氮等進(jìn)行觀察,沒有發(fā)現(xiàn)明顯的異物存在。

根據(jù)上述3 方面的檢查分析,液泛發(fā)生的主要原因無法得知。盡管調(diào)2 閥有輕微的竄動(dòng),但微量擾動(dòng)是無法導(dǎo)致下塔如此規(guī)模的液泛,且大型空分設(shè)備下塔發(fā)生液泛的事故在空分領(lǐng)域中也非常罕見,一般是上塔液泛情況居多。

鑒于此,開始仔細(xì)核對和分析直接和間接相關(guān)的歷史數(shù)據(jù),同時(shí)制定一系列臨時(shí)性應(yīng)對措施來防止液泛再次發(fā)生:

1)嚴(yán)密觀察下塔阻力,如有上漲的趨勢,立即開大調(diào)2、調(diào)3 閥門,以控制下流液體在塔板上聚集,緩解液泛帶來的嚴(yán)重后果。

2)嚴(yán)格控制入塔空氣量,不允許超過98000 Nm3/h,手動(dòng)控制空壓機(jī)導(dǎo)葉,盡量減少入塔空氣量的波動(dòng)。

3)手動(dòng)控制下塔液空調(diào)1 閥,減少因調(diào)節(jié)閥的波動(dòng)導(dǎo)致的塔內(nèi)工況不穩(wěn)。

操作調(diào)整后,設(shè)備一直處于穩(wěn)定狀態(tài),但到了次日凌晨,設(shè)備再次發(fā)生液泛。由于有相應(yīng)的應(yīng)對措施,該次發(fā)生的液泛程度較第一次弱,恢復(fù)也比較快。

2.1.1.2 下塔阻力數(shù)據(jù)分析

對比兩次液泛時(shí)的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),高壓液空進(jìn)入下塔處的壓力與下塔底部低壓空氣壓力具有差值,形成下塔阻力變化分界點(diǎn),將下塔分為兩段,即下塔上部和下塔下部。

采集下塔的一系列阻力和壓力數(shù)據(jù)(表1),并采用SPSS[2]統(tǒng)計(jì)分析軟件對所記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,形成新的變量:下塔上部阻力變化量=下塔上部阻力-15,下塔下部阻力變化量=下塔下部阻力-2,下塔阻力變化量=下塔阻力-18。分析它們之間的相關(guān)系數(shù),結(jié)果見表2 和表3。

表1 下塔阻力變化數(shù)據(jù)

表2 下塔阻力與下部阻力變化量相關(guān)系數(shù)分析

表3 下塔阻力與上部阻力變化量相關(guān)系數(shù)分析

從表2、表3 可以明顯看出,下塔阻力變化量與下塔下部阻力的變化量相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.877,與下塔上部阻力的變化量相關(guān)系數(shù)只有0.765。另外,從數(shù)據(jù)變化趨勢也可以明顯看出,開始時(shí)下塔下部阻力的變化明顯對下塔阻力變化起主要作用。因此,下塔下部阻力異常可能是引起液泛的直接因素,同時(shí)查閱圖紙得到高壓液空節(jié)流后進(jìn)入下塔的位置距下塔底部3.6 m。

2.1.1.3 CO2和水分分析

從理論上分析,如果CO2或水分聚集在下塔篩板上形成塊狀物,飄浮在液體層上對溢流管形成堵塞,則有可能造成液泛。事后,用液氬做實(shí)驗(yàn),將濕空氣通入液氬中,空氣中的水會(huì)結(jié)成一塊冰,而不是單個(gè)的小冰晶。于是再調(diào)閱以前的CO2或水分分析數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)出分子篩后CO2數(shù)據(jù)正常,且分子篩再生形成的各種溫度曲線無異常,增壓膨脹機(jī)端冷卻器水分含量也正常。從常理上推測,氣體經(jīng)過板式換熱器時(shí),如果含水分或CO2,則首先會(huì)在板式換熱器流道中凍結(jié),從而造成通道阻力上升。但對比數(shù)據(jù)結(jié)果發(fā)現(xiàn),沒有阻力上升的證據(jù),空氣進(jìn)、出板式換熱器的阻力降一直維持在22～24 kPa。

為了找到故障的根源,利用一次停車機(jī)會(huì)對塔內(nèi)進(jìn)行了一次小范圍的升溫,來確定是否是CO2的影響,同時(shí)檢查分子篩內(nèi)的床層分布情況,但沒有發(fā)現(xiàn)異常。塔內(nèi)溫度回升至-95 ℃,然后啟動(dòng)正常,空分裝置運(yùn)行15 d 都沒有發(fā)生液泛現(xiàn)象。正當(dāng)進(jìn)行技術(shù)分析總結(jié)時(shí),液泛再一次發(fā)生。

2.1.1.4 高壓液空過熱度分析

此外,曾認(rèn)為是高壓液空進(jìn)下塔時(shí)的溫度偏高、過熱度大(實(shí)際偏離不超過7 ℃)導(dǎo)致下塔塔板上液體大量汽化,從而導(dǎo)致液泛發(fā)生,但事實(shí)證明,降低過熱度依然無任何改變,以后每天都要發(fā)生幾次液泛。液泛原因一直無解。

2.2 第二次故障及原因分析

2.2.1 第二次故障

直到2006 年4 月7 日的一次故障跳車,故障原因排查分析才發(fā)生了轉(zhuǎn)機(jī)。17 點(diǎn)50 分,由于電網(wǎng)供電故障,20 000 Nm3/h 空分裝置主空壓機(jī)跳車,全系統(tǒng)停車;2006 年4 月8 日12 點(diǎn)30 分主空壓機(jī)啟動(dòng),4 月9 日2 點(diǎn)空分裝置恢復(fù)正常生產(chǎn),當(dāng)空氣量接近正常設(shè)計(jì)值、純度合格后,各關(guān)鍵參數(shù)如產(chǎn)量、純度、板式換熱器中部溫度、熱端溫差、液位等均在設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)。

4 月9 日15 點(diǎn),作業(yè)人員調(diào)整板式換熱器中部溫差時(shí),發(fā)現(xiàn)有溫度下降的趨勢,偏離正常溫度約30 ℃,平均達(dá)-135 ℃。隨后采取減少中壓氧氣、降低膨脹量操作,中部平均溫度回升到-110 ℃左右,冷凝蒸發(fā)器液氧液位高度2 780 mm,此后板式換熱器中部溫度穩(wěn)定為-111.5～-110 ℃。

4 月10 日0～8 點(diǎn),班操作人員繼續(xù)前一個(gè)班組的操作,調(diào)整板式換熱器中部溫度,但是換熱器的工作狀況出現(xiàn)惡化,中部溫度逐漸下降到-140 ℃、-142 ℃、-127.2 ℃,冷凝蒸發(fā)器液氧液位下降至2 100～2 250 mm。當(dāng)班操作人員在調(diào)整無明顯效果,空分裝置的生產(chǎn)工況難以控制的情況下,開始對故障現(xiàn)象進(jìn)行分析和調(diào)整處理。

2.2.2 第二次故障分析

2.2.2.1 工況調(diào)整

經(jīng)過對此前板式換熱器運(yùn)行參數(shù)和調(diào)整操作方法詳細(xì)的了解和分析,認(rèn)為板式換熱器的工況表現(xiàn)出換熱不足、冷量外移的特征;在運(yùn)行參數(shù)上,表現(xiàn)為正反流氣體溫差逐漸擴(kuò)大、冷凝蒸發(fā)器液氧液位下降、高壓空氣節(jié)流前溫度和低壓空氣進(jìn)下塔溫度升高等特征。

造成板式換熱器換熱不足、冷量外移[3]的原因主要有以下兩個(gè)方面:

1)高壓空氣和中壓氧氣的配比不合理,造成板式換熱器中部過冷,正反流氣體溫差擴(kuò)大,冷量損失增加,工況紊亂。

2)雜物(水分、機(jī)械雜質(zhì)、CO2等)進(jìn)入板式換熱器通道,形成堵塞,導(dǎo)致傳熱面積大幅度降低。

針對以上兩種可能,對空分裝置的運(yùn)行工況進(jìn)行針對性調(diào)整,以進(jìn)一步明確故障原因。

針對板式換熱器中部過冷、正反流氣體溫差擴(kuò)大、冷量損失增加的現(xiàn)象,逐步調(diào)整V31 和V32 使板式換熱器中部溫度回升至設(shè)計(jì)指標(biāo)。4 月11 日9點(diǎn),板式換熱器中部溫度分別回升到-112.9 ℃、-109.2 ℃、-102.2 ℃,熱端正反流氣體溫差擴(kuò)大到3.7 ℃,高壓空氣節(jié)流前溫度升高為-148.6 ℃,低壓空氣進(jìn)下塔溫度為-170.9 ℃,由此初步判斷為板式換熱器高壓空氣通道換熱不良。

基于上述初步結(jié)論,預(yù)測板式換熱器中部溫度下降后,熱端正反流氣體溫差將進(jìn)一步擴(kuò)大,冷凝蒸發(fā)器液氧液位也會(huì)下降,高壓空氣節(jié)流前溫度將隨板式換熱器中部溫度同步下降,低壓空氣進(jìn)下塔溫度將會(huì)略有下降,因此,調(diào)整板式換熱器中部溫度適當(dāng)下降,以便驗(yàn)證初步結(jié)論。將板式換熱器中部溫度下降為-132 ℃、-125.6 ℃、-118.7 ℃后,熱端正反流氣體溫差擴(kuò)大到4.9 ℃,高壓空氣節(jié)流前溫度下降為-162 ℃,低壓空氣進(jìn)下塔溫度下降為-173.9 ℃,冷凝蒸發(fā)器液氧液位下降為2 098 mm,與事先預(yù)測的變化趨勢吻合,由此判定故障原因?yàn)榘迨綋Q熱器高壓空氣通道換熱不良。

2.2.2.2 板式換熱器通道換熱不良原因分析

板式換熱器高壓空氣通道換熱不良的主要原因是:一方面,水分、CO2或者分子篩粉末進(jìn)入板式換熱器高壓空氣通道[2],在通道表面凍結(jié)或集聚,導(dǎo)致?lián)Q熱效率下降,由于高壓空氣通道截面積較小,進(jìn)塔空氣中水分、CO2含量增加所引起的不良后果可能最先在高壓空氣通道中表現(xiàn)出來;另一方面,因冷卻器泄漏,增壓膨脹機(jī)的空氣經(jīng)氣體冷卻器冷卻后,水分直接進(jìn)入板式換熱器的高壓空氣通道,引起換熱不良。從流程上來說,后者可能性更大,也更加直接,但是在設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)期間,無法檢測冷卻器泄漏。

如果是冷卻器泄漏,時(shí)間越長,則后果越嚴(yán)重,因?yàn)楸呐蛎浛梢詫迨綋Q熱器的高壓空氣通道脹裂,甚至可能出現(xiàn)主冷液面持續(xù)偏低導(dǎo)致碳?xì)浠衔锞奂a(chǎn)生爆炸的危險(xiǎn)。為防止故障進(jìn)一步惡化和擴(kuò)大,將空分裝置停車,檢查冷卻器。

2.2.2.3 故障原因確定和維修

4 月11 日,20 000 Nm3/h 空分裝置停止運(yùn)轉(zhuǎn)。檢查膨脹機(jī)增壓空氣冷卻器,發(fā)現(xiàn)有水排出,水的硬度化驗(yàn)顯示為軟化水指標(biāo),表明水已進(jìn)入板式換熱器,空分裝置無法再繼續(xù)運(yùn)行,工作轉(zhuǎn)入冷卻器檢修和空分裝置加溫。

在檢修該冷卻器時(shí),經(jīng)過多次封堵處理和殼程水壓試驗(yàn),共發(fā)現(xiàn)了18 根換熱管泄漏。

2.3 事故原因剖析

綜合分析,上述兩起液泛事故是相關(guān)的,都是由于水分進(jìn)入空分裝置導(dǎo)致了液泛現(xiàn)象。

由于冷卻器管束為碳鋼材質(zhì),在當(dāng)?shù)氐乃|(zhì)條件下,易發(fā)生腐蝕;加之材質(zhì)本身存在缺陷,冷卻器換熱管在設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)過程中逐步產(chǎn)生腐蝕滲漏。每次臨時(shí)停車,就有部分水分進(jìn)入空氣。開車以后,水分隨著干燥空氣進(jìn)入板式換熱器中,有一部分積聚到下塔的塔板上,凍結(jié)成冰,最后塔內(nèi)部分冰形成較大的冰塊,導(dǎo)致溢流口[3]被堵,產(chǎn)生液泛。隨著每次開車、停車的泄漏,板式換熱器高壓空氣通道的面積逐步縮小,最終通道被堵,板式換熱器換熱能力嚴(yán)重不足,生產(chǎn)無以為繼。

3 事故防范措施

通過兩次事故排查和分析,結(jié)合生產(chǎn)操作經(jīng)驗(yàn),可通過下列措施預(yù)防和避免類似事故再次發(fā)生。

1)完善工藝聯(lián)鎖控制系統(tǒng),將水分和CO2作為增壓膨脹機(jī)設(shè)備開啟的聯(lián)鎖邏輯關(guān)系,確保控制方案上的完善。

2)慎重選擇增壓機(jī)和增壓膨脹機(jī)冷卻器的管束材質(zhì),不宜采用碳鋼材質(zhì)。

3)加強(qiáng)水分和CO2儀表的日常保養(yǎng),確保測量結(jié)果的可靠性和客觀性,提供準(zhǔn)確及時(shí)數(shù)據(jù),為操作設(shè)備提供方向。

4)完善冷卻器檢查制度,確保異常現(xiàn)象及時(shí)發(fā)現(xiàn)。

4 結(jié)束語

通過兩次事故綜合分析,找到了液泛故障的真正原因,排除了設(shè)備隱患,設(shè)備運(yùn)行至今再?zèng)]有出現(xiàn)過液泛現(xiàn)象和板式換熱器泄漏問題。同時(shí),本案例也為空分裝置的設(shè)計(jì)或使用單位提供了有益的借鑒和參考。