石開能

（山東壽光巨能特鋼有限公司，山東壽光 262711）

前言

山東壽光巨能特鋼有限公司KDONAr12000/20000/400 型空分設(shè)備（以下簡稱2#空分設(shè)備），采用全低壓氮水預(yù)冷、分子篩吸附凈化、增壓透平膨脹機制冷、膨脹空氣進上塔和全精餾制氬外壓縮流程。自2007 年9 月投運以來，一直安全、穩(wěn)定運行。2018 年7 月，因存在部分閥門關(guān)閉不嚴、卡頓、泄漏跑冷和制氬系統(tǒng)工況不穩(wěn)定等問題扒砂大修，更換了16臺故障調(diào)節(jié)閥，制氬系統(tǒng)加裝了工藝氬氣液分離器。空分設(shè)備檢修后運行情況：氧氣產(chǎn)量12 000 m3/h，純度99.6%，氮氣產(chǎn)量28 000 m3/h，純度99.999%，氬氣產(chǎn)量400 m3/h，純度99.999%。工藝流程簡圖見圖1。

圖1 2#空分KDONAr12000/20000/400型空分設(shè)備流程示意圖

在空分設(shè)備試車過程中上塔阻力PDI-2曾因負壓儀表管不排氣而沒有顯示數(shù)據(jù)，疏通后仍然不出氣，初步判斷是負壓管堵塞。之后通過三通閥從輔塔阻力PDI-3 正壓管接氣，上塔阻力才顯示正常。其他參數(shù)均正常，設(shè)備運行良好。

2019年11月空分設(shè)備計劃停車檢修后，進塔空氣量、氧氣產(chǎn)量、上塔壓力和阻力等達不到正常工況時的參數(shù)。只能在保證氮氣純度的情況下，通過加大氮氣取出量從而適當降低上塔壓力維持空分設(shè)備運行。

1 故障現(xiàn)象

2019 年11 月20 日，根據(jù)生產(chǎn)檢修計劃2#空分設(shè)備不排液停車，冷箱保冷，停車前空分各系統(tǒng)運行參數(shù)正常。2019 年11 月22 日短期停機再啟動時工況異常，上塔壓力高，污氮出塔壓力低，污氮去預(yù)冷系統(tǒng)閥門PVC-104開度15%（正常時55%）。

11月22日10:00，空壓機檢修完成，開機試車正常；11:30，空氣預(yù)冷系統(tǒng)、分子篩純化系統(tǒng)工況正常后往冷箱送氣。直至21：30，氮氣產(chǎn)量達到25 500～26 500 m3/h，純度99.99%～99.995%。11 月23 日0:00，氧氣產(chǎn)量8 000～8 200 m3/h，純度99.3%～99.7%，上塔阻力8 kPa，壓力47 kPa，進塔氣量54 000 m3/h，調(diào)純耗時是原來的4 倍。氧產(chǎn)量繼續(xù)放大后，純度迅速降低至92%，氧氣提取率低，液空、液氧液位波動大且不完全呈比例。為了提高氧氣產(chǎn)量，采取繼續(xù)開大液氮回流下塔閥V5、增大進塔空氣量和開大液氮節(jié)流閥，提高液空純度和降低上塔下部回流比的措施，將V5 閥從正常值60%開至90%左右，液氮節(jié)流閥開至下塔液氮降低的臨界點。通過調(diào)整，11 月25 日氧氣產(chǎn)量達到9 000～9 200 m3/h，純度99.6%～99.8%；11 月25 日13:00 分隨著粗氬塔投運，氧氣產(chǎn)量逐漸達到10 800～1 1000 m3，純度99.6%～99.8%，氮氣產(chǎn)量28 000～29 300 m3，純度99.99%～99.995%，雖然氧氣和氮氣的產(chǎn)量有所增大，但只要氧氣產(chǎn)量、液氮節(jié)流閥開度、粗氬流量出現(xiàn)輕微波動或調(diào)整，就會造成氧、氮氣純度迅速降低現(xiàn)象，上塔抗干擾能力差。

2 原因查找和確認

2.1 原因分析

空分設(shè)備上塔壓力高、阻力大，進而造成精餾塔精餾效率低，氧氣提取率低，氧氣產(chǎn)量不達標，這些現(xiàn)象的直接原因有以下方面。[1]

（1）空分設(shè)備短期停機時氧氣、氮氣、污氮出塔閥門關(guān)閉不嚴，精餾塔保壓不足，塔內(nèi)溫度和壓力低，含濕空氣進入主換熱器冷端，造成主換熱器結(jié)冰堵塞。啟動開車后，返流氣體經(jīng)過主換熱器阻力大，造成上塔壓力高、上塔阻力大。

（2）空分設(shè)備短期停車時未排放水冷塔積水，污氮氣去空氣預(yù)冷系統(tǒng)氣動閥關(guān)閉不嚴，精餾塔保壓不足，塔內(nèi)溫度和壓力低，含濕空氣進入主換熱器污氮通道造成結(jié)冰堵塞。啟動開車后，返流污氮氣經(jīng)過主換熱器阻力大，造成上塔壓力高、上塔阻力大。

（3）空分設(shè)備短期停車時冷箱密封氣—污氮閥門未關(guān)閉或關(guān)不嚴，精餾塔保壓不足，塔內(nèi)溫度和壓力低，冷箱內(nèi)珠光砂被吸進入主換熱器污氮通道造成珠光砂堵塞。啟動開車后，返流污氮氣經(jīng)過主換熱器阻力大，造成上塔壓力高、上塔阻力大。

（4）上塔底部或膨脹機出口處有泄漏，空分設(shè)備停車后珠光砂進入上塔底部，造成上塔填料堵塞，精餾工況異常。

（5）2018 年7 月2#空分大修更換塔內(nèi)氣動閥，8月10 日試車時上塔阻力PDI-2 不顯示，拆開上塔負壓管儀表管不出氣，疏通后仍然不出氣。上塔阻力儀表的負壓管可能出現(xiàn)斷裂，空分設(shè)備短期停機時，精餾塔保壓不足，塔內(nèi)溫度和壓力低，由于上塔污氮取出口處與上塔阻力負壓管接口位置接近，冷箱內(nèi)珠光砂從負壓管斷裂處被吸進入上塔。在空分設(shè)備啟動時吸入的珠光砂被氣流沖進污氮管道，從而造成過冷器污氮通道堵塞。

2.2 故障排查和確認

2020年1月14日，利用3#高爐停產(chǎn)檢修機會對2#空分設(shè)備實施排液大加溫，排查工況異常的原因。1月14日13:40，2#空分設(shè)備停車排液、加溫、吹掃；1 月17 日10:05，主冷吹除閥氣體露點-58 ℃，污氮吹除閥氣體露點-57 ℃，氧氣吹除閥氣體露點-56.9 ℃，氮氣吹除閥氣體露點-56.3 ℃，氮氣出過冷器溫度13.2 ℃、污氮氣出過冷器溫度11.7 ℃、膨脹空氣進上塔溫度8 ℃、氧氣出膨脹空氣換熱器溫度10.2 ℃，吹掃期間未發(fā)現(xiàn)各吹除閥有珠光砂吹出；1月17日15:15開啟1#、2#膨脹機，1月18日5:15分主冷出現(xiàn)液體，排液檢查有微量珠光砂粉塵，再次排液時未發(fā)現(xiàn)珠光砂；1月19日0:10主冷液位2 600 mm，0:42 開啟V5 閥時，上塔阻力快速增大至滿量程20 kPa（估算值35 kPa，正常值12 kPa），上塔壓力上升至65 kPa（正常值40 kPa）；與11月22日開車時的故障相似。

改變操作方法，采用排放下塔液空減少進上塔液體量的操作方法。1月19日12:08，上塔阻力減少至8 kPa，氧氣純度開始上升，14:45 氧氣產(chǎn)量7 000～7 200 m3/h，純度99.6%～99.8%。1月21日5:00，氧產(chǎn)量增大到7 500～7 700 m3/h，純度99.6%～99.8%，提取率僅為80%；氮氣產(chǎn)量25 500～26 500 m3/h，純度99.99%～99.995%。投運制氬系統(tǒng)后，進塔空氣量逐漸由49 500 m3/h 增大到54 600 m3/h；氧氣產(chǎn)量逐漸增大到9 800～10 200 m3/h，純度99.6%～99.8%；氮氣產(chǎn)量28 000～29 300 m3，純度99.99%～99.995%，上塔壓力46～48 kPa，進塔氣量、氧氣產(chǎn)量、上塔壓力、上塔阻力等達不到正常工況值。

分析精餾塔加溫吹掃后空分設(shè)備投運的技術(shù)參數(shù)，可以確認空分設(shè)備工況異常的原因。

（1）排除結(jié)冰和珠光砂堵塞主換熱器通道。故障發(fā)生時上塔壓力最低1.3 kPa，如果含濕空氣進入冷箱內(nèi)，就應(yīng)最先在主換熱器冷端部位凍結(jié)。運行后在主換熱器氮氣總管吹除閥、氧氣總管吹除閥、污氮總管吹除閥加裝壓力表，計算各股流體通過主換熱器前后壓差。氧氣通過主換熱器壓差為10 kPa，氮氣通過主換熱器壓差為12 kPa，污氮通過主換熱器壓差為12 kPa，主換熱器返流氣體各通道阻力正常。同理，可以排除水蒸氣通過污氮管道進入主換熱器和冷箱內(nèi)珠光砂通過污氮密封氣管道進入主換熱器造成堵塞。

（2）排除上塔底部或膨脹機出口某處有泄漏。空分設(shè)備再次運行時排放的液氧時有少許珠光砂粉末，不能完全排除管線泄漏。精餾塔管線有泄漏點導(dǎo)致珠光砂進入上塔，可能會堵塞部分填料截面，上升氣體通過小流徑穿過填料，下流液體不能均勻地在填料中與上升蒸汽進行熱、質(zhì)交換，冷凝、蒸發(fā)不均勻?qū)е卵鯕猱a(chǎn)量不高。珠光砂內(nèi)可吸收大量的液體，所以氧產(chǎn)品純度破壞后純度提升較慢，珠光砂阻塞了部分填料，導(dǎo)致主冷上升蒸汽上升截面減少，所以主冷氧側(cè)壓力較高。通過停車大加溫，精餾塔各排放閥、吹除閥出沒有珠光砂吹出，且氧氣、氮氣出主換熱器通道阻力正常。冷箱密封氣壓力穩(wěn)定在0.8 kPa，冷箱密封氣含氧穩(wěn)定在6%，冷箱基礎(chǔ)溫度都在正常范圍，可以排除上塔底部或膨脹機出口某處有泄漏。

（3）過冷器污氮通道堵塞。污氮出主換熱器后壓力為10 kPa，正常運行設(shè)定為13 kPa，污氮去預(yù)冷系統(tǒng)閥門PVC-104 開度15%（正常時55%）。因上塔壓力高，所以手動開大污氮去預(yù)冷系統(tǒng)閥門PVC-104 閥門；但是污氮出塔壓力仍持續(xù)降低，上塔壓力基本不變。在位于過冷器和主換熱器之間的污氮總管吹除閥處加裝壓力表，壓力表顯示12 kPa，初步判斷過冷器污氮通道阻力在21 kPa 左右，過冷器污氮通道存在堵塞現(xiàn)象。

3 故障排除

2020 年6 月19 日，空分設(shè)備開始停車大加溫、扒砂維修，檢查冷箱內(nèi)管路和容器發(fā)現(xiàn)上塔阻力負壓管斷裂。6月29日，拆除過冷器，發(fā)現(xiàn)過冷器污氮通道換熱翅片外有明顯珠光砂堵塞情況。根據(jù)運行時阻力高達21 kPa 估算，過冷器換熱翅片內(nèi)部完全堵塞的截面積大于1/2，與檢修前判斷的故障一致。另外氮氣通道有輕微的珠光砂粉末，可能是上塔內(nèi)珠光砂粉末通過氮氣、污氮氣管道進入到過冷器。在上塔中部切口，檢查填料和分布器，均未發(fā)現(xiàn)珠光砂。修復(fù)負壓管，更換過冷器。2020 年7 月20 日空分設(shè)備檢修后試車成功，氧氣、氮氣、液氬產(chǎn)量和純度均達到設(shè)計工況。

4 結(jié)束語

（1）冷箱內(nèi)低溫設(shè)備和管道隱蔽，工況出現(xiàn)異常時，要充分利用各段管線、閥門、流程數(shù)據(jù)進行計算和綜合分析。流程中未設(shè)置的測點，要想辦尋找關(guān)聯(lián)點。2#空分設(shè)備的過冷器沒有設(shè)置測阻力的儀表，但是通過在污氮吹除閥處加裝壓力表，測算出過冷器污氮通道阻力。進而判斷過冷器堵塞，為后續(xù)的檢修順利進行奠定良好基礎(chǔ)。

（2）空分設(shè)備停車嚴格遵守操作規(guī)程，關(guān)注返流溫度、壓力，確認返流閥是否關(guān)嚴，重點巡檢現(xiàn)場和中控室參數(shù)，做好停車期間參數(shù)記錄。

（3）冷箱扒砂要做好預(yù)防措施，防止冷箱內(nèi)受潮珠光砂結(jié)冰，在扒砂過程中砸壞塔內(nèi)容器、管道、儀表管線儀表電纜線。

（4）空分設(shè)備檢修時要制定詳細的維修計劃和步驟，按照規(guī)定做好冷箱和設(shè)備保壓、檢漏、裸冷等工作，嚴格把關(guān)，按照工藝流程管線逐個檢查、確認。

（5）這次儀表管泄漏導(dǎo)致珠光進入低溫設(shè)備并堵塞過冷器，通過對上塔分段切口進行檢查清理，取得良好的效果，縮短了檢修工期。