產(chǎn)品氮氣含水高的原因分析與處理

毛軍洲，馮明義，張玉峰

(安陽鋼鐵股份有限公司，河南安陽455004)

1 設(shè)備概況

安陽鋼鐵股份有限公司制氧廠2套KDONAr-23500/40000/870空分設(shè)備(以下簡稱2#、3#23500 m3/h空分設(shè)備)，均采用常溫分子篩吸附凈化、增壓透平膨脹機制冷、膨脹空氣進(jìn)上塔、規(guī)整填料上塔、全精餾無氫制氬、氧氮外壓縮的工藝流程以及DCS控制系統(tǒng)。分別于2006年12月和2007年3月投產(chǎn)。從2套空分設(shè)備冷箱生產(chǎn)出來的常壓氮氣并網(wǎng)，中間有并網(wǎng)閥連接。每套設(shè)備各自配套有1臺15 000 m3/h的低壓氮機(PN1.0 MPa)和 1臺25 000m3/h的中壓氮壓機(PN2.5 MPa)，提供用戶所需的產(chǎn)品壓力氣體。正常情況下，所配備的壓縮機各自壓縮配套空分設(shè)備生產(chǎn)的產(chǎn)品氮氣。特殊情況下，兩套空分設(shè)備的氮壓機，可相互壓縮另一套空分設(shè)備生產(chǎn)出來的常壓氮氣。

2 故障現(xiàn)象

由于下游用戶用氣量不穩(wěn)定，根據(jù)調(diào)度安排，2套23500 m3/h空分系統(tǒng)，空氣量在105 000～135 000 m3/h運行，相應(yīng)氮氣產(chǎn)量在40 000～48 000 m3/h。根據(jù)公司的生產(chǎn)情況，當(dāng)用戶用氮氣量少、管網(wǎng)壓力高時，調(diào)度安排輕載2#23500或者3#23500空分設(shè)備的低壓氮壓機或者中壓氮壓機。低壓氮壓機輕載(一種機后壓力低、壓送氣量少的工作工況)情況下電流只有49 A左右，在正常運行情況下電流104 A左右;中壓氮壓機輕載情況下電流只有79 A左右，在正常運行情況下電流216 A左右。

低壓氮輕載1h節(jié)電:

(1－49/104)×1864.25(低壓氮功率)

=985.9 kW·h

中壓氮輕載1h節(jié)電:

(1－79/216)×3914.93(中壓氮功率)

=2483.1 kW·h

以每kWh電費0.56元計算，輕載低壓氮每小時節(jié)省552.1元，低壓氮停車每小時節(jié)省1043.9元;中壓氮輕載每小時節(jié)省1390.5元，中壓氮停車每小時節(jié)省2192.4元。

通過此種模式，統(tǒng)計2014年上半年，節(jié)約費用情況見表1。

表1 2014年上半年中、低壓氮輕載、停車節(jié)約費用統(tǒng)計Table 1 Costing savings of downloading and stopping middle and low nitrogen compressor for the first half of 2014

初步核算上半年節(jié)能創(chuàng)效130多萬元，但是，2014年10月份以來，公司二煉軋用戶多次反應(yīng)中壓氮氣中含水。對于他們來說，氮氣的露點一但高于－30℃，將影響其正常的冶煉生產(chǎn)。

3 氮氣中帶水的原因查找

3.1 氮氣進(jìn)水的危害

從空分設(shè)備生產(chǎn)出來的氮氣是干燥氣體，含水量極少，露點一般達(dá)到－70℃左右。氮氣中一旦帶水，不但對下游用戶造成影響，也會對我們制氧廠的生產(chǎn)造成一定的危害:低壓氮氣用做氧氣透平壓縮機組的密封氣，氮氣帶的水會進(jìn)入氧壓機內(nèi)從而產(chǎn)生重大的安全事故;氮氣做為冬季空氣過濾器噴吹氣源，如果帶水，會打濕濾筒的過濾紙，使濾筒的阻力大大增加，在溫度低的情況下，還會產(chǎn)生結(jié)冰，使空壓機的吸氣阻力增大，增加生產(chǎn)成本，嚴(yán)重的還可能引起空壓機的喘振;利用低壓氮富余氮氣進(jìn)行氮氣膨脹時，利用低壓氮氮氣做空分裝置排液氣源時，如果氮氣帶水，水分會隨氮氣進(jìn)入冷箱中，造成換熱器冰堵，影響空分系統(tǒng)的正常運行［1］。

3.2 兩臺中壓氮冷卻器漏水

二煉軋所用的中、低壓氮氣是從四車間的2×23500系統(tǒng)的中壓氮壓機送出的，其供氣圖如圖1。

二煉軋用戶氮氣帶水，一定是2×23500空分氮氣壓縮機壓送的氮氣帶水。兩套四臺氮壓機都是英格索蘭公司產(chǎn)品。自投產(chǎn)以來，氮壓機的氣體冷卻器曾多次漏水，導(dǎo)致其壓縮的氮氣中含水。2014年的7月份就出現(xiàn)了2#23500中壓氮2級冷卻器漏水，出口氮氣含水最高達(dá)到1060×10－6(對應(yīng)露點為－20℃)。9月4日利用公司檢修機會，我們更換了2級冷卻器。開車后，測量出口氮氣含水量為8×10－6(對應(yīng)露點為 －62℃)［2］。

本次用戶反饋氮氣中帶水后，我們對兩套氮壓機的中壓氮氣進(jìn)行了測量，其含水量在接上水分析儀后5 min內(nèi)都迅速地下降到100×10－6以下，正常。排除冷卻器泄漏的可能。

3.3 中壓氮壓機進(jìn)氣中含水

從空分塔冷箱生產(chǎn)出來的產(chǎn)品氮氣管線管路如圖2。

產(chǎn)品氮氣一部分通過V106閥去水冷塔，用來冷卻從水冷塔頂部流下的常溫水。另一部分通過V104去低壓氮壓機和中壓氮壓機，壓縮到相應(yīng)的壓力供用戶使用。多余的氮氣從V105放空閥(通過流量設(shè)定自動控制)放空到大氣中。為了保證兩套設(shè)備的互備性，將兩套產(chǎn)品氮氣用V4002閥連通，使兩套的產(chǎn)品壓縮機可以互相壓送另一套的產(chǎn)品氮氣。

圖1 2×23500空分系統(tǒng)氮壓機供氣示意圖Fig.1 Schematic figure of nitrogen compressors about 2×23500 air separation units

圖2 出冷箱產(chǎn)品氮氣管路圖Fig.2 The pipe figure of nitrogen product from cold box

在平時的操作中，每套的兩臺氮壓機正常運行，V105放空閥關(guān)閉，V106閥開度40%左右送一部分氮氣去水冷塔，預(yù)冷冷卻水(冷卻水出水冷塔后再經(jīng)冷凍機進(jìn)一步冷卻，最后進(jìn)入空冷塔用來冷卻空氣)。如果用戶用氮量減少，氮壓高，調(diào)度會通知崗位操作人員輕載或者停運一臺低壓氮壓機，以節(jié)省電量。當(dāng)壓力下降時，再加載或開啟低壓氮壓機。

通過制氧廠調(diào)度了解的情況，每當(dāng)?shù)蛪旱虞d時，二煉軋用戶就會反應(yīng)中壓氮帶水的情況，其氮氣測量的露點從－50℃左右迅速下降到－20℃左右。

操作上，低壓氮加載時，放空閥V105處自動狀態(tài)，低壓氮加載從小流量逐漸達(dá)到其設(shè)計量15 000 m3/h，在壓縮量逐漸增加的過程中，V105閥流量的控制下逐漸關(guān)小直至全關(guān)。

從冷箱出來的產(chǎn)品氮氣中是不含水的，如果在這個過程中，由于氮壓機初期加載的抽吸量過大(氮壓機的放空閥配合不好關(guān)得速度慢)，V105閥調(diào)節(jié)關(guān)得慢，就可能把含大量水分的空氣倒吸入產(chǎn)品氮氣管道中，進(jìn)入氮壓機，導(dǎo)致送入管網(wǎng)的氮氣含水。

也可能在低壓氮壓縮量逐漸增加的過程中，通過V106閥去水冷塔的氮氣量大量減少甚至倒吸，將水冷塔的水分抽吸進(jìn)入氮氣壓縮機中，導(dǎo)致送入管網(wǎng)的氮氣含水。

從用戶反映氮氣的帶水情況看，與我們加載氮壓機的操作頻次基本吻合。

另外，根據(jù)此種情況我們分析認(rèn)為，如果用戶用氧、氮氣較少時，我們減負(fù)荷操作，在空氣量達(dá)到比較小時其產(chǎn)品氮氣量也相應(yīng)減少，如果不及時減少兩臺氮壓機的負(fù)荷，其進(jìn)口會出現(xiàn)負(fù)壓，也可能把外部含水較多的空氣或者水冷塔的水分吸入氮壓機內(nèi)導(dǎo)致帶水事故的發(fā)生。

在操作中如果操作不當(dāng)，使去水冷塔V106閥的開度過大，也可能將水冷塔的水分抽吸進(jìn)入氮氣壓縮機中，導(dǎo)致送入管網(wǎng)的氮氣含水。

當(dāng)一套設(shè)備停運時，我們會提高另一套空分的空氣量，增大氮氣產(chǎn)量，用兩臺中壓氮壓機壓縮一套空分的氮氣量，此時兩臺中壓氮進(jìn)口壓力會比較低，如果操作不當(dāng)也可能導(dǎo)致送入管網(wǎng)的氮氣含水。

4 采取措施

針對這種情況，我們采取以下措施:

1.在加載氮壓機時，要提前將V105閥打手動，并在加載前先關(guān)一點閥門，提高氮壓機的進(jìn)口壓力。

2.要將V106閥提前關(guān)閉，保證低壓氮加載時此閥是關(guān)閉的，保證水分不會從此管道倒吸入氮壓機前的管道內(nèi)。加載正常后再將V106閥開到合適的開度，保證水冷塔的用氣。

3.加載氮壓機時，至少兩個人操作配合，一個人手動關(guān)V105閥，保證氮壓機進(jìn)口有較高的正壓。

4.加載低氮壓機時，可提前將中壓氮壓機減量，保證低壓氮壓機有足夠的抽吸量，保證低壓氮壓機進(jìn)口有足夠的正壓，加載正常后再逐步恢復(fù)中壓氮的壓縮量。

5.當(dāng)我們減負(fù)荷操作，在空氣量達(dá)到比較小時，要及時對兩臺氮壓機進(jìn)行節(jié)流減量操作，使其進(jìn)口壓力適當(dāng)提高，同時保證放空閥V105閥和去水冷塔V106閥處于關(guān)閉狀態(tài)。

6.日常的操作中，嚴(yán)格控制去水冷塔V106閥的開度，不能開得太大，保證兩臺氮壓機進(jìn)口的壓力在適當(dāng)數(shù)值，避免將水冷塔的水分抽吸入氮氣壓縮機中，導(dǎo)致送入管網(wǎng)的氮氣含水。

7.當(dāng)一套設(shè)備停運時，用兩臺中壓氮壓機壓縮一套空分的氮氣量時，要對兩臺在壓氮進(jìn)行節(jié)流減量操作，使其進(jìn)口壓力適當(dāng)提高，同時保證放空閥V105閥和去水冷塔V106閥處于關(guān)閉狀態(tài)。

8.考慮在去水冷塔V106閥后加一止回閥，避免水冷塔的水分倒吸入產(chǎn)品氮氣管道。同時對V106的調(diào)節(jié)，要結(jié)合水冷塔出水的溫度，及時增減冷凍機的負(fù)荷，增減制冷量，保證進(jìn)分子篩氣體的溫度。

5 小結(jié)

產(chǎn)品氣體的質(zhì)量關(guān)乎下游用戶產(chǎn)品的質(zhì)量，關(guān)乎總公司的效益，關(guān)乎公司產(chǎn)品在客戶中的聲譽。要求我們職工在實際操作中要充分考慮各種可能情況，及時分析采取措施，保證用戶用氣的質(zhì)和量。同時我們向公司建議在氮壓機后加裝一個在線水分析儀和一個微量氧分析儀，使我們能及時掌握氮壓機后氮氣中微量水、微量氧含量情況，以便分析原因，及時采取措施，不致于陷入被動狀態(tài)。

［1］何琳，徐永齊.氮換熱器冰堵的分析與處理［M］∥深冷技術(shù).杭州:杭州出版社，2012(5):58-60.

［2］索全寶.離心氮壓機級間排氣溫度偏高的分析和排除［M］∥深冷技術(shù).杭州:杭州出版社，2011(6):60-62.