KDON-42000/20000型空分設備下塔冰堵分析

郭士雪，趙 斐，楊文娟

(開封空分集團有限公司 設計研究院a.設備室;b.調試室，河南開封 新區(qū)魏都路189號475004)

某化工單位年產(chǎn)72萬t甲醇項目配套42 000 Nm3/h空分設備，該空分設備采用分子篩吸附凈化、增壓透平膨脹機、全精餾制氬及氧氣內壓縮工藝，由開封空分集團有限公司成套供應。于2010年8月正式開車出產(chǎn)品，但在2015年4月開車時，連續(xù)出現(xiàn)膨脹機達不到氣量及轉速，下塔液空液位建立不起來等情況，最后通過多次反復開停設備，查到原因并解決了問題。

1 流程形式

經(jīng)吸附器凈化好的空氣分為兩股，一股直接進入冷箱。這股空氣先進入低壓換熱器與返流氣體換熱，冷卻到接近液化溫度進入下塔進行分離;另一股通過空氣增壓機進一步壓縮，并經(jīng)增壓機末級冷卻器冷卻后送入冷箱，經(jīng)高壓換熱器冷卻變?yōu)橐后w后節(jié)流進入下塔。膨脹空氣自空氣增壓機中部抽出，首先經(jīng)過膨脹機增壓端的壓縮及后冷卻器的冷卻，再進入高壓換熱器被冷卻，而后經(jīng)膨脹機膨脹后進入下塔。

下塔中的上升氣體通過與回流液體接觸含氮量增加。所需的回流液氮來自上塔底部的冷凝蒸發(fā)器，在這里氧得到蒸發(fā)，而氮得到冷凝。

2 現(xiàn)象

2015年4月6日，空分設備因粗氬塔Ⅰ頂部蒸氣回上塔管線焊縫拉裂跑冷，經(jīng)過一個月的檢修重新開車。

4月7日下午15:28空氣導入下塔進行加溫吹除，運行至凌晨2:00因鍋爐原因空分系統(tǒng)緊急停車，恢復后啟動空分。

4月8日凌晨4:00啟動Cryostar膨脹機，上塔上主冷溫度到－52℃時，膨脹機轉速16 500 r/min(正常轉速值20 000 r/min)，再也不能提高。此時膨脹空氣量24 229 m3/h(正常值45 000 m3/h)，同樣也不能增加。將回流閥關至15°，噴嘴開到80°左右(因當時覺得有可能是膨脹機本身問題)，一直開到4月8日上午11:42上主冷溫度降至－134℃，下塔阻力在主冷液位未建立、液氮回流閥V11未開的情況下就從0.58 kPa升至3 kPa(當時沒注意此變化)，膨脹機轉速仍然不能提高(18 000 r/min)，同樣，膨脹空氣量(27 563 m3/h)仍然不能增加，這時已將回流閥關至9°，噴嘴開到90°左右。決定停進口膨脹機加溫吹除，然后接著開進口膨脹機，膨脹空氣量仍然不能增加。

圖1 空分設備簡易流程圖Fig.1 Simple flow chart for air separation equipment

4月9日8:00停進口膨脹機開國產(chǎn)膨脹機，國產(chǎn)膨脹機轉速15 000 r/min，流量只有14 600 m3/h，也不能增加。據(jù)此認為膨脹機處和高壓板式換通道有堵塞現(xiàn)象，停機把二段到膨脹端前吹除閥處打通流路小氣量進行單獨吹除。4月9日11:14重新啟動進口膨脹機，轉速 19 800 r/min，膨脹空氣量45 000 m3/h均達到設計值。

4月10日13:00上主冷液位達到2700 mm，下主冷達到3400 mm也均達到指標，但是從9日～10日凌晨，上塔阻力從10 kPa(16:31)上升到15 kPa(20:00)。20:42開液氮回流閥V11后上升到20 kPa，無論怎么開關 V11閥，上塔阻力總是不斷上升，也不見下塔有液空出現(xiàn)，入塔空氣量一直保持在120 000 m3/h，多次排放下塔液空沒有液體排出，把V1閥關到0%也不見有液空出現(xiàn)，通過檢查分餾塔系統(tǒng)閥門，開度均無問題;如此只好把V1液空、V2液氮、V3污液氮、V4貧液空、V11開到原調純閥位，觀察純度有無好轉:上塔氧氣純度90%，下塔液空純度30% ～34%，下塔頂?shù)獨饧兌?% ～8%，阻力也慢慢上升到滿量程40 kPa。當時分析有可能發(fā)生下塔液懸了，通過減少膨脹量，關小高壓液空節(jié)流閥V8(從50%關到40%)，降低空壓機排壓，下塔壓力至0.45 MPa，最后通過開大 V1、V2、V3、V4 閥，空氣量才從120 000 m3/h增至160 000 m3/h，阻力慢慢從滿量程40 kPa降到30.2 kPa，但氧、氮純度卻更低，下塔仍然沒有液空液位，下塔液空純度30% ～34%是自動表讀數(shù)的下限，但是無論怎樣調整，上下主冷液位一直保持穩(wěn)定狀態(tài)。被迫在4月10日4:48把氣從冷箱退出，此時下塔阻力再次出現(xiàn)滿量程，估計是下塔塔板被堵。中午12:43重新進塔啟動膨脹機，下塔阻力馬上到滿量程，只好停車加溫處理待檢查原因。

3 故障分析及處理

經(jīng)查看整個空分運行參數(shù)，明顯是下塔塔板上液體流不下來，堵塞在下塔中下部。

1.開大V4閥，從50%開到100%后，氣體能順利進入上塔，空氣量增大到160 000 m3/h，說明V4閥以下塔板沒有堵塞，此處多以氣態(tài)形式存在，這從富氧液空純度太低可知幾乎沒有精餾換熱。而上下主冷沒有變化是因為下塔上部溫度太低，上升氣體多被液化，而入塔氣量被塔板堵塞使上升到中上部的氣量少，主冷沒有得到蒸發(fā)，故主冷液面沒有發(fā)生波動。

2.檢查增壓端出口壓力為3.55 MPa(設計3.7 MPa)，膨脹端進口壓力3.49 MPa(設計3.68 MPa)，阻力為0.06 MPa，接近設計值 40～80 kPa，而且還有上升趨勢，說明有堵塞現(xiàn)象但不明顯。

3.檢查下塔壓力0.46 MPa與分子篩后壓力0.49 MPa，壓差為 30 kPa，而正常值為 20 kPa。

4.檢查污氮出高壓板式溫度TI-23319曾經(jīng)到過－0.47℃，操作人員把污氮出高壓板式 V318、V319閥門各關至35%，而原本這兩個手動閥門基本是全開;污氮出低壓換熱器閥門開到85%，原本這個閥門開度在60%，上塔壓力基本和平時一樣保持在45 kPa，明顯冷量集中到低壓板式上了。

5.操作人員向下塔導氣時，為避免進塔空氣自動閥無背壓打不開閥門，一般預先把增壓機三段，高壓液空 V8閥先打開50%，壓力一般保持在2.4 MPa，一直到4月8日4:00三段壓力才提到5.1 MPa。

6.分子篩后露點儀發(fā)生故障后一直沒有更換，得不到有效的監(jiān)控。根據(jù)這些情況我們主要懷疑以下幾點:

1)入上塔各個節(jié)流閥開度是否正常;

2)高壓板式高壓液空通道壓差變化和兩個高低壓板式換熱溫差情況;

3)分子篩吸附器空氣出口露點及二氧化碳是否超標;

4)蒸汽加熱器排污閥處，露點是否超標;

5)在冷吹時因壓力低有可能純化系統(tǒng)儀表管道漏進空氣，檢查所有純化系統(tǒng)儀表管有無泄漏;

6)檢查增壓機、空壓機機間冷卻器后各個出氣口露點。

經(jīng)過一天的檢查，只發(fā)現(xiàn)膨脹機和高壓液空進塔管線有問題，分子篩后及增壓機、空壓機機間冷卻器后各個出氣口露點均合格，節(jié)流閥開度也正常。堵塞原因到底在哪里呢?根據(jù)兩個高低壓板式換熱溫差進一步分析，認為膨脹機和高壓液空進高壓換熱器通道有堵塞現(xiàn)象。堵塞現(xiàn)象一般分為冰堵、二氧化碳堵和雜物堵三種情況。但空分開車已有數(shù)年，剛進行過整個冷箱扒砂檢修，還做了裸冷和氣密性查漏，所以雜物堵應該排除，分子篩二氧化碳分析表一直在投運而且未超標，啟動增壓機時臨時氣源用的是第二套空分的氣，所以可以排除二氧化碳堵，那只有冰堵了。

那么水從哪里來的呢?我們把空壓機、增壓機全部停運，把循環(huán)水壓穩(wěn)定在0.4 MPa，再次檢查各個機間冷卻器出口氣露點，發(fā)現(xiàn)增壓機三段出口冷卻器氣路露點只有－30℃。那么當時在空分加溫分餾塔系統(tǒng)時空分臨時停了一次車，水慢慢滲入到氣管路，膨脹機開啟不久，三段出口冷卻器所漏的水分在增壓機排氣壓力低時，又源源不斷的微漏入氣路，一部分從高壓液空節(jié)流閥進入下塔，另一部分通過三回二回流閥進入膨脹機管路，所以下塔中下部塔板被水堵死，是造成液空無法向下流和膨脹機一直流量少的原因。為什么空分還能吃進120 000 m3/h，主冷還能建立起液面呢?后期三段壓力提到5.1 MPa遠遠大于水壓而水漏量比較少，所以沒有繼續(xù)堵塞高壓換熱器及塔板和膨脹機管道。

給增壓機三段出口冷卻器做打水壓實驗，水壓1.0 MPa時共有20根氣管滲水。這就是水的源頭。在處理好冷卻器后，經(jīng)過整個空分系統(tǒng)的大加溫吹除，特別是下塔中下部塔板采用獨立管線反吹方法，從液氮吹除口接氣源管到下塔液空吹除口進行吹除，露點合格后經(jīng)空分開車，下塔阻力正常，空分正常投入生產(chǎn)。

4 操作方法改進及教訓

1.空分啟動后，進塔前自動露點儀要投運，流程圖上要求分析的點應全部分析，直到露點合格。

2.增壓機啟動后，倒換工藝氣后，再加做二氧化碳分析，防止干冰堵塞。

3.要嚴格監(jiān)控蒸汽加熱器出口露點，防止出分子篩空氣帶水。

4.V8閥在初期應減少開度，以避免把不合格氣導入下塔。

空分由于其特殊性，當在沒有完全找到故障的原因時，要開闊思路，盡力多找原因多分析，不要因為故障小而不重視最終釀成大事故。

［1］高曉寧，陳守亞.一起空分開車冰堵事故的判斷與處理［J］.深冷技術，2000(6):43-44.

［2］龐文斌.內壓縮流程空分設備高壓板翅式換熱器空氣通道堵塞的分析［J］.深冷技術，2008(1):47-50.