儀表用空氣造成空分裝置主換熱器堵塞事故的分析與處理

黃秋華（廣西河池化工股份有限公司，廣西 河池 547007）

在空分裝置中，主換熱器是冷箱內(nèi)的重要換熱設(shè)備，其運(yùn)行狀況決定整套空分裝置的性能和狀態(tài)。目前，絕大部分的主換熱器均采用鋁制板翅式換熱器，該類型換熱器具有間隙非常小、體積小、重量輕、換熱效率高、工作最低溫度可達(dá)-178℃等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于空分、化工等領(lǐng)域。

當(dāng)空分裝置主換熱器出現(xiàn)阻力增大、換熱不充分等異常時(shí)，一般認(rèn)為主換熱器出現(xiàn)了堵塞。主換熱器堵塞物質(zhì)主要分為兩類：一是機(jī)械顆粒，主要有沙塵、焊渣、珠光砂、分子篩粉末等；二是低溫凍結(jié)介質(zhì)，主要有水、二氧化碳。主換熱器發(fā)生堵塞時(shí)，空分裝置產(chǎn)量下降、能耗增加，嚴(yán)重時(shí)空分裝置無法繼續(xù)運(yùn)行，必須停車檢修。

某新建空分裝置采用常規(guī)外壓縮流程，在分子篩系統(tǒng)后設(shè)計(jì)有一條儀表用空氣外送管路，提供全廠儀表用氣。同時(shí)配備一套包括活塞壓縮機(jī)、吸附式干燥劑的儀表用空氣系統(tǒng)，作為空分裝置停車時(shí)的儀表用氣供應(yīng)。該裝置經(jīng)過調(diào)試順利出氧，但連續(xù)運(yùn)行一周后，現(xiàn)場(chǎng)工程師發(fā)現(xiàn)正流空氣通道和膨脹空氣通道的阻力近似以一定速率緩慢增加，已對(duì)空分工況產(chǎn)生影響。此時(shí)，后續(xù)工段已開展試車工作，要求保持氧氣的連續(xù)供應(yīng)。因此，盡快查找問題原因成了當(dāng)務(wù)之急。

1 通過下列物質(zhì)的堵塞特點(diǎn)進(jìn)行初步判斷

1.1 沙塵、焊渣：這兩種物質(zhì)一般表現(xiàn)為短期變化，之后會(huì)達(dá)到某一狀態(tài)并趨于穩(wěn)定。

1.2 珠光砂、分子篩粉末：一般冷箱內(nèi)管道發(fā)生斷裂時(shí)，珠光砂會(huì)泄漏到管路內(nèi)部，隨氣流堵塞下游管道或設(shè)備。分子篩粉末主要是因分子篩粉化造成，多見于運(yùn)行幾年以上的空分裝置。

1.3 二氧化碳：二氧化碳在低溫下會(huì)直接固化成干冰，固化溫度為-78.6℃。一般空分裝置均在純化系統(tǒng)后配備有二氧化碳分析儀進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，進(jìn)入冷箱的二氧化碳是一個(gè)關(guān)鍵的工藝控制點(diǎn)。

1.4 水：水在0℃時(shí)即凝固為冰。這里所說的水一般指氣態(tài)的水，也就是濕空氣中含的水蒸氣。水蒸氣一旦進(jìn)入冷箱，將會(huì)凍結(jié)在主換熱器內(nèi)，造成堵塞。堵塞的快慢受水蒸氣的含量而定?？辗盅b置中，水的來源有兩個(gè):一是分子篩系統(tǒng)凈化不徹底；二是膨脹機(jī)或增壓機(jī)級(jí)間冷卻器泄露。不同的來源影響的后續(xù)管路也不相同。

根據(jù)以上物質(zhì)堵塞的不同現(xiàn)象，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)吹除閥、儀表管等就地吹掃檢查后，可以鎖定水和二氧化碳兩種物質(zhì)，排除其他物質(zhì)的可能。然后針對(duì)這兩種物質(zhì)作進(jìn)一步的檢測(cè)和分析。

2 通過分析儀分析數(shù)據(jù)判斷

首先檢查二氧化碳分析：二氧化碳分析點(diǎn)位于分子篩純化系統(tǒng)后，使用2ppm的標(biāo)準(zhǔn)氣對(duì)分析儀進(jìn)行校準(zhǔn)，分析分子篩后的二氧化碳含量為0.5ppm，略有波動(dòng)。在分子篩吸附末期和切換時(shí)，二氧化碳含量也基本穩(wěn)定。

其次檢查水分析：水分析點(diǎn)在膨脹機(jī)增壓機(jī)后冷卻器后。校準(zhǔn)分析儀并檢查分析管路后，測(cè)量膨脹空氣進(jìn)冷箱管路的露點(diǎn)為-72℃。

然后將兩臺(tái)分析儀的分析點(diǎn)進(jìn)行交換，測(cè)量結(jié)果為分子篩后正流空氣管路的露點(diǎn)為-78℃；增壓機(jī)后冷卻器后的二氧化碳含量為0.5ppm，兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的露點(diǎn)有差。

3 排查系統(tǒng)水的來源

首先對(duì)膨脹機(jī)增壓機(jī)級(jí)間兩臺(tái)冷卻器均進(jìn)行氣密性試驗(yàn)，但未發(fā)現(xiàn)異常。

其次對(duì)分子篩系統(tǒng)進(jìn)行重點(diǎn)排查。來自分子篩系統(tǒng)的正流空氣有儀表空氣和膨脹空氣兩個(gè)分支。二氧化碳分析點(diǎn)位于分支之前。隨后對(duì)儀表空氣管路進(jìn)行檢查，儀表空氣處于外送狀態(tài)。相連的外來儀表氣源管路閥門是關(guān)閉的，并且儀表氣系統(tǒng)處于停機(jī)狀態(tài)。根據(jù)以上的檢測(cè)判斷，微量水泄漏的可能性非常大，但水的來源卻無法確定。

在繼續(xù)查找水的來源過程中，在向現(xiàn)場(chǎng)操作人員詳細(xì)了解調(diào)試情況時(shí)發(fā)現(xiàn)一個(gè)細(xì)節(jié)：空分裝置裝填珠光砂期間，客戶要求儀表用空氣進(jìn)行其他工段的調(diào)試工作，操作人員啟動(dòng)了備用儀表氣系統(tǒng)。隨后針對(duì)備用儀表空氣系統(tǒng)以及與空分裝置連接部分的儀表管、吹除閥進(jìn)行逐個(gè)檢查。在檢查儀表氣緩沖罐時(shí)，發(fā)現(xiàn)吹除閥打開后有液體水排出，對(duì)儀表氣緩沖罐進(jìn)行吹除后，增壓機(jī)后冷卻器后的露點(diǎn)分析開始上升，最后達(dá)到了-78℃。又經(jīng)過兩三個(gè)小時(shí)的觀測(cè)，主換熱器的阻力沒有進(jìn)一步增加，但空分裝置需擇機(jī)進(jìn)行停車加溫，將凍結(jié)在主換熱器內(nèi)部的水分加溫吹除干凈。

一般情況下，即使儀表用空氣帶水，也只會(huì)隨氣流帶到下游管路中。儀表氣緩沖罐中的水是如何反流到正流空氣管路呢？這里，注意到一個(gè)現(xiàn)象，當(dāng)打開儀表氣緩沖罐的吹除閥時(shí)，露點(diǎn)分析儀即有變化，說明正流空氣管路的進(jìn)水量與儀表空氣管的流速成比例關(guān)系。由此讓筆者想到氣體的擴(kuò)散效應(yīng)，室溫下空氣中分子的平均熱運(yùn)動(dòng)速度高達(dá)400m/s。由于極為頻繁的碰撞，分子運(yùn)動(dòng)速度的大小和方向時(shí)刻都在改變，沿一定方向遷移的速度相當(dāng)慢，所以氣體擴(kuò)散的速度比氣體分子運(yùn)動(dòng)的速度要慢得多，且分子呈現(xiàn)擴(kuò)散效果。本套空分裝置因?yàn)閮x表用空氣外送的要求，管路口徑設(shè)計(jì)較大。而在試車階段，儀表用空氣實(shí)際送出的流量比較少，當(dāng)儀表用空氣送出低于水分子的擴(kuò)散速度時(shí)，水分就擴(kuò)散到正流空氣管路，隨氣流進(jìn)入主換熱器，從而凍結(jié)在換熱器內(nèi)。當(dāng)然這種擴(kuò)散的量非常小，所以才有阻力緩慢增加的現(xiàn)象。

在這次事故中，空分裝置的操作雖然都是正確的，但由于忽視了附屬系統(tǒng)的狀態(tài)，因此造成了事故。這就要求現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試人員要全面掌控空分裝置的狀態(tài)和運(yùn)轉(zhuǎn)情況；另外，在操作中，還要考慮前后操作的關(guān)聯(lián)性。希望此文能為空分裝置調(diào)試工作提供參考。