YPON-3750/1710型氧氮液化裝置技術(shù)改造

周金城，劉江淮

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司氣體銷(xiāo)售分公司，安徽馬鞍山243011）

YPON-3750/1710型氧氮液化裝置技術(shù)改造

周金城，劉江淮

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司氣體銷(xiāo)售分公司，安徽馬鞍山243011）

介紹了馬鋼YPON-3750/1710型氧氮液化裝置膨脹機(jī)本體、潤(rùn)滑油系統(tǒng)、加溫氣密封氣與儀表氣系統(tǒng)、相關(guān)閥門(mén)在運(yùn)行中存在問(wèn)題，分析了問(wèn)題原因，闡述了根據(jù)液化裝置工藝特點(diǎn)采取的具體改造措施，敘述了改造效果及改造后出現(xiàn)問(wèn)題。

液化裝置；膨脹機(jī)；液氧；液氮；壓力；振動(dòng)

馬鞍山鋼鐵股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)：馬鋼）氣體銷(xiāo)售分公司配備的YPON-3750/1710型氧氮液化裝置是四川空分設(shè)備（集團(tuán)）有限責(zé)任公司設(shè)計(jì)、制造。氧氮液化裝置采用氮?dú)庋h(huán)工藝，由中壓增壓透平膨脹機(jī)、換熱器E4001、液化器E4002、過(guò)冷器E4003、氧氮貯液器SV4001與SV4002組成。氧氮液化裝置流程簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。

馬鋼氣體銷(xiāo)售分公司根據(jù)設(shè)備運(yùn)行中存在問(wèn)題與液化裝置工藝流程特點(diǎn)，于2013年12月至2014年1月，對(duì)YPON-3750/1710型氧氮液化裝置進(jìn)行了多項(xiàng)技術(shù)改造。

1 膨脹機(jī)本體

液化裝置配備1臺(tái)中壓增壓透平膨脹機(jī)，使來(lái)自馬鋼管網(wǎng)的中壓氮?dú)庠谂蛎洐C(jī)增壓端增壓后進(jìn)入氣體冷卻器、換熱器E4001冷卻，在膨脹機(jī)膨脹端等熵膨脹制冷，為液化裝置提供冷量，將馬鋼管網(wǎng)氧氣、氮?dú)庖夯斎氲蜏匾后w貯槽。

圖1 YPON－3750/1710型液化裝置流程示意圖

1.1 存在問(wèn)題及原因分析

（1）液化裝置自2001年投產(chǎn)后，設(shè)備啟動(dòng)、停機(jī)、跳機(jī)、加溫次數(shù)頻繁，膨脹機(jī)性能逐年下降。同時(shí)，膨脹機(jī)故障檢修次數(shù)逐年上升，液化裝置備件更換量大，備件采購(gòu)困難，設(shè)備運(yùn)行成本高。2013年膨脹機(jī)運(yùn)行參數(shù)如下：

膨脹量：12000～13000 m3/h；

膨脹端軸溫：25～27℃；

增壓端軸溫：59～64℃。

膨脹機(jī)部件檢修情況：

葉輪損傷：專(zhuān)業(yè)廠家修復(fù)、做動(dòng)平衡試驗(yàn)；

導(dǎo)流器噴嘴葉片磨損：無(wú)法修復(fù)；

氣封損壞、油封損壞、膨脹機(jī)軸承損壞：均更換。

（2）液化裝置原配備膨脹機(jī)等熵膨脹效率低、制冷量低，液化裝置自2001年投產(chǎn)后，液氧、液氮產(chǎn)量未達(dá)標(biāo)。

液化裝置原設(shè)計(jì)的膨脹機(jī)增壓端吸入壓力不適合馬鋼氮?dú)夤芫W(wǎng)。因馬鋼中壓氮?dú)夤芫W(wǎng)波動(dòng)大，造成膨脹機(jī)進(jìn)出口壓力、溫度與膨脹量波動(dòng)均較大，液化裝置運(yùn)行工況不穩(wěn)定，液氧、液氮產(chǎn)量低。

1.2 改造措施

（1）整體更換1臺(tái)中壓增壓透平膨脹機(jī)。新更換膨脹機(jī)針對(duì)馬鋼生產(chǎn)狀況進(jìn)行專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)，適合馬鋼管網(wǎng)變化生產(chǎn)需要。

新更換膨脹機(jī)等熵膨脹效率提高至81%，提高膨脹機(jī)單位制冷量。

新更換膨脹機(jī)增壓端流量提高至25000 m3/h，膨脹機(jī)膨脹端流量提高至23000 m3/h，提高膨脹機(jī)總制冷量。

新更換膨脹機(jī)增壓端吸入壓力設(shè)計(jì)為1.5 MPa，適合馬鋼中壓氮?dú)夤芫W(wǎng)壓力波動(dòng)，保證液化裝置運(yùn)行工況穩(wěn)定。

（2）膨脹機(jī)儀控系統(tǒng)改進(jìn)

對(duì)新更換膨脹機(jī)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)最低流量防喘振控制系統(tǒng)，在馬鋼管網(wǎng)壓力波動(dòng)過(guò)大時(shí)，可以有效避免膨脹機(jī)喘振，保證設(shè)備運(yùn)行安全。

因原配備膨脹機(jī)未設(shè)置軸振動(dòng)測(cè)量點(diǎn)，膨脹機(jī)轉(zhuǎn)子、軸承故障率高。為此，將新更換膨脹機(jī)增壓端與膨脹端各增設(shè)2個(gè)軸振動(dòng)測(cè)量點(diǎn)，有效監(jiān)測(cè)膨脹機(jī)轉(zhuǎn)子與軸承運(yùn)行狀況，保證設(shè)備長(zhǎng)周期運(yùn)行。

2 潤(rùn)滑油系統(tǒng)

膨脹機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)為膨脹機(jī)軸承、主軸及其他摩擦件提供潤(rùn)滑油，使之潤(rùn)滑冷卻。液化裝置膨脹機(jī)原配置潤(rùn)滑油系統(tǒng)由油箱、1臺(tái)油泵、2組油過(guò)濾器、1組油冷卻器、1臺(tái)油壓容器組成。潤(rùn)滑油系統(tǒng)未設(shè)置油霧分離器，只從油箱頂部引出一根碳鋼管道，將油箱中油霧直接排放大氣。

2.1 存在問(wèn)題及原因分析

（1）因液化裝置膨脹機(jī)原設(shè)計(jì)只設(shè)置1臺(tái)油泵，不盡完善。液化裝置在運(yùn)行中，膨脹機(jī)油泵因機(jī)械、電器故障多次停運(yùn)，油壓容器僅能維持油壓100 s，液化裝置因膨脹機(jī)油壓低跳機(jī)。同時(shí)，潤(rùn)滑油壓力低造成高轉(zhuǎn)速膨脹機(jī)轉(zhuǎn)子及軸承損傷，膨脹機(jī)更換損毀部件。

（2）因液化裝置未設(shè)置油霧分離器，在液化裝置膨脹機(jī)運(yùn)行中，油箱真空度未形成，造成油泵出口壓力高、油泵電機(jī)電流高。油泵在運(yùn)行中發(fā)生多起油泵電機(jī)電流高停運(yùn)與油泵電機(jī)線圈燒毀故障。

同時(shí)，從膨脹機(jī)油箱頂部設(shè)置排油霧碳鋼管在膨脹機(jī)運(yùn)行中，油霧去除率低，排油霧管出口有油間斷下滴，不但污染環(huán)境，而且膨脹機(jī)潤(rùn)滑油損耗率大，油箱平均運(yùn)行1個(gè)月需補(bǔ)充約70 L潤(rùn)滑油，設(shè)備運(yùn)行成本增加。

2.2 改造措施

（1）油泵、油壓容器

將膨脹機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)專(zhuān)門(mén)設(shè)置2臺(tái)同型號(hào)油泵，一用一備。同時(shí)，更換一臺(tái)油壓容器，在2臺(tái)油泵停運(yùn)時(shí)，油壓可維持275 s，保證設(shè)備運(yùn)行安全。

改進(jìn)液化裝置儀控系統(tǒng)，對(duì)2臺(tái)油泵增設(shè)控制邏輯：利用油壓控制雙油泵運(yùn)行。即膨脹機(jī)潤(rùn)滑油壓力降至低報(bào)警值時(shí)，備用油泵自動(dòng)啟動(dòng)。

同時(shí)使用油泵運(yùn)行反饋信號(hào)控制雙油泵運(yùn)行。即運(yùn)行油泵因故障停機(jī)，其運(yùn)行反饋信號(hào)消失時(shí)，備用油泵自動(dòng)啟動(dòng)，保證膨脹機(jī)潤(rùn)滑油壓力正常。

（2）油霧分離器

有針對(duì)性地對(duì)膨脹機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)增設(shè)1臺(tái)油霧分離器。新增設(shè)油霧分離器由排油煙風(fēng)機(jī)、過(guò)濾器、回油收集管、壓力真空表組成。

油霧分離器油霧去除率設(shè)計(jì)為98%，該油霧分離器實(shí)際運(yùn)行時(shí)，油霧分離器排氣口無(wú)油煙，壓力真空表為-2.7 kPa，油箱形成有效真空度。

改進(jìn)液化裝置儀控系統(tǒng)，增設(shè)油霧分離器運(yùn)行反饋信號(hào)作為油泵啟動(dòng)聯(lián)鎖條件。即油霧分離器啟動(dòng)后其運(yùn)行反饋信號(hào)正常，油泵方可以啟動(dòng)，使油箱形成真空度，潤(rùn)滑油回油順暢，油泵出口壓力與油泵電機(jī)電流正常，保證設(shè)備運(yùn)行安全。

3 加溫氣儀表氣與密封氣系統(tǒng)

液化裝置所需加溫氣、儀表氣與密封氣均取自馬鋼中壓氮?dú)夤芫W(wǎng)中干燥潔凈氮?dú)?。即在馬鋼中壓氮?dú)夤芫W(wǎng)中引一路中壓氮?dú)饨?jīng)減壓閥V4911減壓至1.0 MPa作為儀表氣與密封氣，1.0 MPa氮?dú)庠俳?jīng)減壓閥V4912減壓至0.5 MPa，作為液化裝置加溫氣源。

3.1 存在問(wèn)題及原因分析

因液化裝置加溫氮?dú)?、儀表氮?dú)狻⒚芊獾獨(dú)夤灿靡宦方?jīng)減壓閥V4911減壓至1.0 MPa的氮?dú)夤艿?，氮?dú)夤艿乐睆綖?50 mm，該股管道的氮?dú)饬髁啃∮谝夯b置所需加溫氮?dú)?、儀表氮?dú)馀c密封氮?dú)饬髁恐汀?/p>

液化裝置處于加溫狀態(tài)，密封氣與儀表氣壓力持續(xù)下降，操作人員必須降低加溫氮?dú)饬髁浚源吮ＷC設(shè)備加溫時(shí)，油泵安全運(yùn)行、氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥正常調(diào)節(jié)對(duì)密封氮?dú)馀c儀表氮?dú)鈮毫α髁恳蟆?/p>

液化裝置因加溫氮?dú)饬坎蛔?，造成設(shè)備加溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、加溫不完善，液化裝置運(yùn)行周期縮短。

3.2 改造措施

將加溫氮?dú)夤艿缽脑O(shè)置加溫氣、儀表氣與密封氣管道中分離，使原設(shè)置中壓氮?dú)饨?jīng)減壓閥V4911減壓后的1.0 MPa氮?dú)夤艿罏閮x表氣、密封氣專(zhuān)用氮?dú)夤艿馈Ｒ源吮ＷC設(shè)備加溫時(shí)，密封氣與儀表氣壓力、流量穩(wěn)定。

另從中壓氮?dú)夤芫W(wǎng)中單獨(dú)引一路中壓氮?dú)猓?jīng)新更換的減壓閥V4912減壓至0.8 MPa，作為液化裝置專(zhuān)用加溫氮?dú)?，以此滿(mǎn)足設(shè)備加溫時(shí)對(duì)加溫氮?dú)鈮毫Α⒘髁恳?。加溫氣、儀表氣與密封氣改造前后示意圖如圖2。

圖2 加溫氣、儀表氣與密封氣改造前后示意圖

4 閥門(mén)

4.1 常溫閥門(mén)V4101

液化裝置在中壓氮?dú)膺M(jìn)氣總管設(shè)置1只氣開(kāi)式兩位閥V4101，V4101閥門(mén)僅具有全開(kāi)、全關(guān)功能，該閥從全開(kāi)至全關(guān)需29 s左右，V4101閥為手動(dòng)遠(yuǎn)程操作。

（1）存在問(wèn)題及原因分析

在液化裝置故障，膨脹機(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉與緊急切斷閥均不能全關(guān)狀態(tài)，膨脹機(jī)未能停運(yùn)時(shí)，操作人員只能手動(dòng)遠(yuǎn)程操作V4101，將其全關(guān)。因V4101閥門(mén)全開(kāi)至全關(guān)時(shí)間偏長(zhǎng)，膨脹機(jī)未能及時(shí)停運(yùn)，使膨脹機(jī)軸承等部件受損，膨脹機(jī)只能更換受損部件。

（2）改造措施

更換液化裝置中壓氮?dú)膺M(jìn)氣閥V4101。新更換V4101閥門(mén)仍為氣開(kāi)式兩位閥，閥門(mén)從全開(kāi)至全關(guān)只需2 s。在液化裝置故障時(shí)，V4101閥門(mén)可快速全關(guān)，使膨脹機(jī)及時(shí)停運(yùn)。

改進(jìn)液化裝置儀控系統(tǒng)，增設(shè)V4101閥門(mén)控制邏輯。即液化裝置故障跳機(jī)時(shí)，液化裝置中壓氮?dú)膺M(jìn)氣閥V4101故障聯(lián)鎖自動(dòng)全關(guān)，保證設(shè)備安全。

4.2 液氮節(jié)流閥HV4001

液氮節(jié)流閥HV4001將出過(guò)冷器E4003冷端的液氮經(jīng)節(jié)流降溫，具備一定過(guò)冷度后輸入液氮貯槽。

（1）存在問(wèn)題及原因分析

液化裝置原設(shè)置液氮節(jié)流閥HV4001節(jié)流汽化率高，使出過(guò)冷器E4003冷端的液氮經(jīng)液氮節(jié)流閥HV4001節(jié)流后，汽化的液氮量高，進(jìn)入液氮貯槽的液氮產(chǎn)量降低。

原設(shè)置液氮節(jié)流閥HV4001節(jié)流降溫效果不佳，液氮過(guò)冷度小，液氮進(jìn)入貯槽后，貯槽內(nèi)液氮蒸發(fā)量增大，液氮實(shí)際產(chǎn)量降低，同時(shí)造成液氮貯槽壓力高，液氮貯槽壓力放空閥開(kāi)度大。

（2）改造措施

通過(guò)向設(shè)計(jì)制造廠咨詢(xún)，訂購(gòu)1只高性能進(jìn)口液氮節(jié)流閥，將液氮節(jié)流閥HV4001更換。液氮經(jīng)新更換液氮節(jié)流閥HV4001節(jié)流后，液氮汽化率低，過(guò)冷度高，輸入液氮貯槽實(shí)際液氮產(chǎn)量未降低，同時(shí)降低液氮貯槽壓力，保證設(shè)備安全。

5 改造效果及改造后出現(xiàn)問(wèn)題

5.1 改造效果

液化裝置2014年2月改造完畢投入運(yùn)行，改造效果較好。在膨脹機(jī)膨脹量提高至17000 m3/h，液化裝置單一生產(chǎn)液氧或液氮時(shí)，液氧或液氮產(chǎn)量已分別升至3.74 m3與3.22 m3（液氧或液氮儲(chǔ)槽24 h液態(tài)計(jì)算）。液化裝置運(yùn)行，膨脹機(jī)進(jìn)出口壓力、溫度與膨脹量穩(wěn)定?，F(xiàn)今，因膨脹機(jī)軸振動(dòng)值與增壓端軸溫偏高，膨脹量未調(diào)至額定值。

改造后膨脹機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)油泵、油壓容器、油霧分離器運(yùn)行均正常，潤(rùn)滑油系統(tǒng)原存在問(wèn)題已全部解決。液化裝置全面加溫時(shí)間由改造前大于16 h降至改造后小于8 h，設(shè)備加溫完善，液化裝置運(yùn)行周期長(zhǎng)。改造后的中壓氮?dú)膺M(jìn)氣閥V4101與液氮節(jié)流閥HV4001調(diào)節(jié)效果顯著，完全達(dá)到閥門(mén)改造目的。

5.2 改造后出現(xiàn)問(wèn)題

液化裝置改造完畢，新更換膨脹機(jī)自投運(yùn)后，膨脹機(jī)先后發(fā)生2起故障。

5.2.1 膨脹機(jī)主機(jī)故障

2014年4月10日22：10，膨脹機(jī)增壓端與膨脹端軸振動(dòng)值均大于聯(lián)鎖值，通過(guò)膨脹機(jī)解體查明，因膨脹機(jī)增壓端與膨脹端進(jìn)氣過(guò)濾器鉚釘脫落，脫落鉚釘打擊高速旋轉(zhuǎn)膨脹機(jī)工作輪，造成工作輪破碎，軸承、密封系統(tǒng)、噴嘴環(huán)損壞。

設(shè)備設(shè)計(jì)、制造單位為膨脹機(jī)更換1套轉(zhuǎn)子總成，更換膨脹機(jī)軸承、噴嘴環(huán)葉片。針對(duì)進(jìn)氣過(guò)濾器鉚釘脫落現(xiàn)象，將2只氣體過(guò)濾器內(nèi)緊固過(guò)濾筒內(nèi)、外表面鉚釘全部點(diǎn)焊，杜絕過(guò)濾器鉚釘脫落現(xiàn)象。

5.2.2 膨脹端工作輪故障

2014年6月12日9：30，膨脹機(jī)膨脹端軸振動(dòng)值升高，通過(guò)膨脹機(jī)解體查明，因膨脹端工作輪使用材料與加工工藝不佳，工作輪在低溫高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，材料屈服極限不理想，膨脹端工作輪有6片葉片邊緣卷邊。

設(shè)備設(shè)計(jì)、制造單位再次為膨脹機(jī)更換1套轉(zhuǎn)子總成。目前，液化裝置運(yùn)行，膨脹機(jī)軸振動(dòng)值與增壓端軸溫仍偏高，制約膨脹量達(dá)標(biāo)。

為此，現(xiàn)階段對(duì)膨脹機(jī)操作方法進(jìn)行優(yōu)化，在膨脹機(jī)軸振動(dòng)值與軸溫穩(wěn)定時(shí)，分步提高膨脹量。在此期間，適當(dāng)降低膨脹機(jī)軸振動(dòng)與軸溫聯(lián)鎖值，保證膨脹機(jī)運(yùn)行安全。同時(shí)，與設(shè)備設(shè)計(jì)、制造單位聯(lián)系，為膨脹機(jī)作動(dòng)平衡試驗(yàn)及檢查膨脹機(jī)軸承，使膨脹量達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析馬鋼YPON-3750/1710型氧氮液化裝置存在問(wèn)題及產(chǎn)生原因，針對(duì)氧氮液化裝置工藝流程特點(diǎn)，對(duì)液化裝置進(jìn)行技術(shù)改造，保證設(shè)備安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，平衡馬鋼氧氣氮?dú)夤芫W(wǎng)需求，增加馬鋼液體外銷(xiāo)收入。

同時(shí)，針對(duì)液化裝置改造后膨脹機(jī)發(fā)生2起故障，設(shè)備設(shè)計(jì)、制造單位應(yīng)精益求精，完善設(shè)計(jì)與加工工藝，從源頭杜絕設(shè)備隱患。

TechnicalM odification ofYPON-3750/1710Oxygen-Nitrogen Liquefaction Device

ZHOU Jincheng，LIU Jianghuai
(TheGasesSaleCompanyofMaanshanIronandSteelCo.,Ltd.,Maanshan,Anhui243011,China)

Problems occurred in the operation of expander,lubrication system,heating gas system,sealing gas system,instrument gas system and related valves of the YPON-3750/1710 oxygen-nitrogen liquefaction device of Masteel.Causes of the problems were analyzed,specific modification measures based on the process features of the device were presented and the results of the modification and new problems after the modification were described.

liquefaction device;expander;liquefied oxygen;liquefied nitrogen;pressure; vibration

TQ116.11

B

1006-6764(2014)12-0035-04

2014－08－15

2014－09－16

周金城（1971－），男，制氧高級(jí)技師，1994年畢業(yè)于馬鋼職工大學(xué)制氧專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)從事制氧生產(chǎn)技術(shù)工作。