高 博，辛庚嘉

（陽谷祥光銅業(yè)有限公司，山東聊城 252300）

0 引言

變壓吸附制氧工藝（VPSA）具有啟動快、能耗低、操作簡單、負荷運轉調整范圍大及維修簡單等特點，目前已經廣泛應用于有色金屬冶煉、黑色金屬冶煉、化工造氣、富氧燃燒、醫(yī)療、污水處理、紙漿漂白、碳黑生產、醫(yī)用保健等領域。以其在減少占地面積、節(jié)省總體投資、降低成本、節(jié)約能耗的獨特優(yōu)勢幫助企業(yè)生存發(fā)展。

2011 年7 月，祥光銅業(yè)制氧車間引進了4 套VPSA 系統(tǒng)，其設備主體包括鼓風機、真空泵（含電機、減速機）、液壓泵站、程控執(zhí)行機構、管道氧氣增壓機、循環(huán)水水泵等。

在實際運行中，VPSA 系統(tǒng)存在一些問題，如電耗值大、程控閥故障率高等，無法滿足工藝需求。如此大規(guī)模的VPSA 變壓吸附系統(tǒng)在國內的制氧設備中尚屬首例，而在國內的變壓吸附空分設備系統(tǒng)中，都存在著能耗較高的情況。進一步優(yōu)化設備組合配置，并通過有效的設備維護和改進，減少設備故障率，提增系統(tǒng)產能，對VPSA 系統(tǒng)深層次節(jié)能降耗，設備常態(tài)化生產運行有著重大意義。針對VPSA 變壓吸附系統(tǒng)中機械設備的優(yōu)化展開研究，通過優(yōu)化設備選型，設備常態(tài)化維護等諸多方面進行剖析，改善設備單位耗能，使設備持續(xù)平穩(wěn)運行。

1 VPSA 主要機械設備類別及功用

1.1 類別及功用

VPSA 制氧系統(tǒng)主要包括鼓風機、真空泵、切換閥、吸附器和氧氣平衡罐。

（1）鼓風機：鼓風機在風口處裝有管道，使風力集中，持續(xù)提供一定的供氣壓力，為制氧提供條件。鼓風機為整個系統(tǒng)提供原料空氣，根據變壓吸附制氧設備的設計工況，結合用戶的使用條件，選擇排氣壓力符合設計條件的鼓風機供氣。

（2）真空泵：其工作時需要前級循環(huán)水泵的配合，可以在較大的壓力范圍內有較大的抽速，對氧氣中含有的灰塵和水蒸氣不敏感。通過水環(huán)式泵體的真空度調整，結合泵的連續(xù)旋轉，以保持真空。真空泵保證吸附系統(tǒng)正常解析，使其處于理想真空狀態(tài)，與鼓風配合，使整體設備能完成連續(xù)吸氮產氧工作。

（3）切換閥：為安裝在儲冷氣熱端的氣動開關閥。該裝置可以有效避免低壓裝置的損壞，可以滿足高低壓測試需要。

（4）吸附器：該系統(tǒng)由2 只內裝沸石分子篩吸附劑的吸附塔和管道閥門等組成。工藝空氣從其中一只吸附塔底部進入，當流經吸附劑層時，空氣中的氮氣、二氧化碳、水蒸汽等被吸附，氧氣則通過吸附床層匯集到吸附塔頂部作為產品氣輸出。與此同時，另一只吸附塔處于再生工況，當進行吸附的吸附塔快達到吸附飽和時，在控制系統(tǒng)的干預下，工藝空氣轉而進到已完成再生的吸附塔開始吸附產氧。2 只吸附塔如此交替輪流實現(xiàn)連續(xù)生產氧氣的目的。

（5）氧氣平衡罐：由于兩塔流程的VPSA 制氧工藝與三塔流程相比，其產品氧氣輸出不連續(xù)，因而需要1 臺體積較大的緩沖罐，以滿足連續(xù)輸出氧氣。

1.2 關鍵設備運行分析

VPSA 真空變壓吸附制氧設備主要為：鼓風機系統(tǒng)、真空泵系統(tǒng)、儀表氣系統(tǒng)、氧氮分離系統(tǒng)、氧氣平衡系統(tǒng)、氧氣增壓系統(tǒng)以及電氣控制系統(tǒng)。鼓風機系統(tǒng)在運行時不可避免地產生較大振動，為了降低振動對后續(xù)設備的影響，也為了降低振動產生的噪聲，在鼓風機的進出口要安裝配對的彈性接頭以及波紋管接頭。真空泵系統(tǒng)包括真空泵主體及配套電機、旁路氣動切換蝶閥及手動蝶閥、波紋管接頭及密封軟化水裝置等，它的存在是為了在負壓真空狀態(tài)下有更好的解吸再生效果。儀表氣在自動控制切換過程中，氣動蝶閥和氣動調節(jié)蝶閥需要0.5～0.8 MPa 的儀表氣源作為氣缸驅動力，因而要保證儀表氣源的氣壓是關鍵。氧氣平衡系統(tǒng)是為了減緩吸附塔壓力波動過大和穩(wěn)定產品氣壓的主要措施。氧氣增壓系統(tǒng)主要對產品氧氣進行增壓以達到用戶用氣壓力并輸送給氧氣儲罐。在生產中，上述設備都要保證能夠正常運行，不被污染，沒有被堵塞，可調節(jié)氧氣的流量，以免發(fā)生意外。

2 設備優(yōu)化改造

（1）對真空泵運行系統(tǒng)進行改造?，F(xiàn)有真空泵為水環(huán)式真空泵，設計抽氣能力為57 600 m3/h，電機功率為1250 kW，為目前國內最大的真空泵。由于負荷大，軸承使用壽命短，只有12 個月左右。通過重新設計，改變真空泵軸承座結構及加工方式，將軸承壽命提高到18 個月。同時根據真空泵工藝邏輯對減速機進行速比改造，降低系統(tǒng)損耗2%，每年可節(jié)約用電2000 kW·h。

（2）對鼓風機系統(tǒng)的改造。目前鼓風機的運行參數(shù)為54 000 m3/h，電機功率為1400 kW，采用二元流葉輪設計方法。經研究決定采用更優(yōu)化的三元流風機設計方法，在不改變鼓風機主體結構的前提下對鼓風機葉輪進行重新設計，改造后鼓風機的流量將提高到65 000 m3/h。

（3）三偏心程控蝶閥參照工藝實際，部分調整為中線對稱閥體，為國內大型變壓吸附技術的發(fā)展提供新的實踐參考依據，促進VPSA 在冶金行業(yè)的應用和推廣。

（4）液壓程控系統(tǒng)的優(yōu)化改造。目前配置：閥組，單一換向閥；主油缸推動輔助油缸；蓄能器，10 MPa，為系統(tǒng)配置。優(yōu)點：反應速度快。缺點：單一執(zhí)行器的壓力不可控，壓降較大，穩(wěn)定性無法保證；沖擊力大，會牽制于主油缸的阻塞而導致閥組的不動作。

增加項目：減壓閥（外泄式）、壓力表、液控單向閥、單向節(jié)流閥、電磁閥電源線等其他附件對應配套。更改項目：三位四通換向閥、雙缸體平行式供油，增加液壓軟管，三通接頭。優(yōu)點：穩(wěn)定供壓，不因外界壓降導致單一執(zhí)行系統(tǒng)的動作不到位；增強動作協(xié)調性和可控性；所有液壓系統(tǒng)執(zhí)行裝置可根據自身扭力需求調整壓力。要求：保持液壓油的清潔，定期更換液壓油；保證液壓焊接位置的密封性；系統(tǒng)壓力提升后，其他執(zhí)行器工藝位置也需要增加減壓閥，以防止由此可能造成的高振動；目前系統(tǒng)允許調壓到10 MPa，可以保證目前改進的基礎。

3 設備基礎維護與系統(tǒng)性維修

3.1 離心式鼓風機

（1）故障及原因：用電中斷后，負荷側軸承合金被燒毀。主要原因是潤滑油站油壓不足導致潤滑不良。

（2）處理方案：①更換負荷端軸瓦：按照裝置安裝手冊技術規(guī)格，頂部間隙為0.18～0.24 mm，推力間隙0.30～0.50 mm。解體檢修對新軸瓦進行研刮，轉子連續(xù)旋轉幾次，以確保軸瓦落位良好，涂紅丹粉檢查該位置，軸瓦與軸的接觸面積在70%以上，尖端間隙測量墊0.20 mm，推力間隙為0.40 mm，滿足技術要求；②重新對聯(lián)軸器找中心：根據制造商的安裝說明，要求該機組徑向偏移公差±0.06 mm，軸向容差±0.06 mm。調整后徑向偏差≤0.045 mm、軸向偏離≤0.04 mm，滿足技術要求。

3.2 水環(huán)式真空泵

（1）故障及原因：4 臺減速機運行8 個月后，內部出現(xiàn)異響，拆開檢查發(fā)現(xiàn)滾動軸承發(fā)生點蝕。原因有：①潤滑油污染、黏度改變，導致潤滑性能降低，滾動元件或滾道表面產生疲勞裂紋；②4 臺減速機的板式熱交換器傳熱性差，經常堵塞，導致油溫上升/油壓力低，不能保證設備的正常和穩(wěn)定的操作。

（2）處理方案：①齒輪油抽樣檢驗（理化和鐵譜分析），發(fā)現(xiàn)運動黏度為405 cSt（40 ℃），嚴重超標（機油的黏度應為198～242 cSt，黏度指數(shù)70，沒有達到規(guī)定標準，且含有大量25～50 μm 的金屬粒，存在質量問題。更換軸承，清洗循環(huán)油泵，并更換潤滑油為美孚（ISOVG220）相同質量的黏度；②原始換熱器采用了整體式設計，不能進行清洗。根據現(xiàn)場水質，適當增加其散熱面積（10%～20%），修改為可拆洗板式冷卻器，取得了良好的效果。

3.3 關建設備基礎維修

制氧設備的最大原則是確保生產安全，保證設備的溫度、壓力、流量處于正常狀態(tài)。采用電氣設備在線檢測技術，以提高預測風險的能力。提高轉動設備的潤滑，以保證設備的安全運行。

VPSA 系統(tǒng)發(fā)生故障往往是由于以下原因：①閥門系統(tǒng)故障；②振動測量系統(tǒng)混亂；③儀表空氣故障；④純水系統(tǒng)中斷；⑤外部電網波動。

3.4 設備檢修管理

設備并不是檢查的越頻繁，故障就越少，需要根據實際情況來制定檢修計劃。對旋轉設備采取狀態(tài)維修模式，靜態(tài)設備要采取定期巡檢模式。此外，根據保養(yǎng)維修頻率的影響，及時調整在線監(jiān)測。

根據實際情況，對VPSA 制氧設備維修的管理進行研究之后，檢修管理安排如下：①每季度開展對鼓風機和真空泵減速機的潤滑排查，重點為風機軸瓦和減速機齒輪點蝕情況；②季度開展對吸附塔A/B 的維護，重點為各處閥門閥桿，執(zhí)行器齒輪齒條等；③每年開展對程控閥檢測維護，重點是檢查閥板、密封、執(zhí)行機構磨損、卡澀情況等，并對其進行優(yōu)化調整；④每年對DCS、儀控設備等開展一次綜合排查，重點為更換老化元器件、運行記錄維護、程序備份確認等；⑤每年對真空泵軸承、減速機、液壓站、稀油站油品進行檢測更換，每季度對以上潤滑部位進行補油。

4 總結

VPSA 系統(tǒng)在運行中會受到各個方面的影響。當前對VPSA的研究多數(shù)是在具體工作中，實驗研究影響其工作效率的具體參數(shù)。

本文介紹了VPSA 的優(yōu)化研究，針對企業(yè)實際用氧需求、在不改變主要設備主體的前提下，利用空氣動力學、機械原理、自動化控制、流體動力學、熱力學等相關理論工具對現(xiàn)場設備進行重新設計改造，以達到降低能耗、提高設備壽命的目的。