制氧空分機(jī)組停運(yùn)后加溫方法的比較

樊新慶

（寶鋼集團(tuán)八鋼公司能源中心）

1 前言

空分設(shè)備經(jīng)過長期運(yùn)轉(zhuǎn)，在分餾塔的低溫容器和管道可能產(chǎn)生冰、干冰或機(jī)械粉末的沉積，阻力逐步增大最終導(dǎo)致在產(chǎn)量和純度上達(dá)不到規(guī)定指標(biāo)。因此，一般空分設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)兩年后，要對分餾塔進(jìn)行加溫解凍以去除這些沉積物。針對周期性運(yùn)行行業(yè)，空分機(jī)組一般在一年內(nèi)運(yùn)行八九個(gè)月后停運(yùn)三四個(gè)月再次投運(yùn)，空分機(jī)組在停運(yùn)后及投運(yùn)前需要進(jìn)行加熱處理。對空分設(shè)備的加熱處理有常規(guī)加溫法、低壓氮?dú)饧訜岱?、自然加溫法。八鋼制氧空分機(jī)組對停運(yùn)后加熱法進(jìn)行了嘗試。

2 空分機(jī)組停運(yùn)后的加溫方法介紹

2.1 常規(guī)加溫法

空氣吸入壓縮——壓縮空氣的冷卻——壓縮空氣的凈化——送入空分塔內(nèi)進(jìn)行加溫。干燥的常溫空氣通過換熱的原理，不斷地將低溫下的空分塔逐步加溫至常溫。在此加溫過程的時(shí)間段內(nèi)所需消耗的壓縮空氣、凈化電耗、水耗較大。此加溫方式的優(yōu)點(diǎn)是加溫所需時(shí)間短，大約需72小時(shí)，加溫吹掃同時(shí)進(jìn)行；加溫時(shí)，要保證各部分溫度緩慢而均勻回升，避免溫差過大損壞設(shè)備或管道。加溫過程中對所有的測量、分析等檢測管線的加溫和吹除亦必須同步進(jìn)行。

具體操作：（1）空分機(jī)組停機(jī)前，為減少排液時(shí)間，減少低溫液體排放的浪費(fèi)，提前停運(yùn)精氬系統(tǒng)、粗氬系統(tǒng)，將兩系統(tǒng)內(nèi)部的低溫液體回上塔后充入儲槽。（2）由于空分機(jī)組停運(yùn)后集中排液時(shí)間一般不超過8小時(shí)，同時(shí)排液所需的氣化熱源為空氣，空分機(jī)組停運(yùn)后空壓機(jī)不停運(yùn)，空氣預(yù)冷系統(tǒng)及純化系統(tǒng)均正常運(yùn)行，直接使用空氣氣化器內(nèi)氣化低溫液體。（3）空分機(jī)組停機(jī)后，關(guān)閉機(jī)組所屬全部閥門，排放下塔、主冷、粗氬冷凝器、放粗氬塔Ⅱ液氬、純氬冷凝器、蒸發(fā)器及各管路內(nèi)的所有液體。（4）保持空氣透平壓縮機(jī)、空氣預(yù)冷系統(tǒng)、分子篩純化系統(tǒng)正常，空氣壓力保持在0.45-0.50MPa，加熱初期需要空氣量為總的空氣量60%，隨著空分機(jī)組內(nèi)部溫度的升高，所需空氣量逐漸下降到總的空氣量30%。（5）按加溫流程及順序開啟各閥。（6）當(dāng)加溫氣出口的氣體溫度升至0℃以上時(shí)，打開加溫管路上的檢測管線，當(dāng)加溫氣體的進(jìn)出口溫度基本相同時(shí)，加溫結(jié)束。

2.2 低壓氮?dú)饧訙胤?/h3>

此方法是將原常規(guī)加溫法中來自空壓機(jī)、純化器的壓力為0.48MPa的壓縮空氣改為其它空分機(jī)組主換熱器出來的常溫氮?dú)?，將其機(jī)組加熱由以往的一步完成分為兩步進(jìn)行：第一步，使用其它空分機(jī)組的氮?dú)鈱⑿枰訙氐目辗謾C(jī)組內(nèi)部管道、容器溫度提升至常溫；第二步在本空分機(jī)組啟動時(shí)，使用純化器來的壓力空氣對容器、管道、儀表管線中的雜質(zhì)吹掃。工藝流程見圖1。

圖1 空分機(jī)組工藝流程簡圖

（1）各空分機(jī)組之間出主換熱器的氮?dú)夤艿老到y(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，使氮?dú)庠诟骺辗珠g自由分配，也便于氮壓機(jī)不受限制的啟、停。

（2）自空分機(jī)組停機(jī)前，為減少排液時(shí)間，減少低溫液體排放浪費(fèi)，提前停運(yùn)精氬系統(tǒng)、粗氬系統(tǒng)，將粗氬系統(tǒng)內(nèi)部的低溫液體回上塔后充入儲槽。

（3）空分機(jī)組停機(jī)后，關(guān)閉機(jī)組所屬全部閥門，排放下塔、主冷、粗氬冷凝器、粗氬塔Ⅱ液氬、純氬冷凝器及蒸發(fā)器、各管路內(nèi)所有液體后關(guān)閉相應(yīng)排放閥，使用其它氣體（氮?dú)饣蚱渌鼨C(jī)組空氣）在氣化器內(nèi)氣化低溫液體；同時(shí)停運(yùn)空分機(jī)組所屬空壓機(jī)及相關(guān)空氣預(yù)冷系統(tǒng)、純化系統(tǒng)等輔機(jī)。

（4）打開需要加熱的空分機(jī)組氮?dú)廨斔烷yV103，將其它空分機(jī)組富裕壓力為12kPa的常溫加熱用氮?dú)馔ㄟ^管網(wǎng)引入系統(tǒng)，加熱用氮?dú)膺M(jìn)入主換熱器氮?dú)馔ǖ?，沿著通道?jīng)過液空（氮）過冷器進(jìn)入上塔頂部，通過上塔底部主冷液氧及氧氣進(jìn)主換熱器排放閥V304排出系統(tǒng)完成對上塔的加熱。

（5）打開液氮送上塔閥HV2，將上塔氮?dú)庖胂滤敳浚蜷_下塔底部液空排放閥V312，氮?dú)庾韵滤敳苛飨虻撞颗懦鐾瓿蓪ο滤募訜帷?/p>

（6）打開粗氬Ⅱ塔出口工藝氬排放閥HV751，來自上塔中下部氮?dú)馔ㄟ^餾分管進(jìn)入粗氬Ⅰ塔，由粗氬Ⅰ塔頂部引出進(jìn)入粗氬Ⅱ塔底部，自下而上的對粗氬Ⅰ、Ⅱ塔進(jìn)行加熱后氮?dú)馔ㄟ^粗氬Ⅱ塔出口工藝氬排放閥HV751排出。

（7）打開粗氬Ⅱ塔出口工藝氬進(jìn)精氬塔閥HV702，加溫氮?dú)膺M(jìn)入精氬塔中部，同時(shí)打開精氬塔頂部余氣放空閥對其中上部進(jìn)行加熱；打開精氬塔底部產(chǎn)品液氬排放閥對其中下部進(jìn)行加熱。

（8）根據(jù)氮?dú)獾母辉３潭燃吧纤毫Υ笮〈蜷_氧氣出主換熱器放空閥、污氮進(jìn)水冷塔閥對主換熱器氧、污氮通道進(jìn)行加溫，由其結(jié)構(gòu)決定主換熱器空氣通道隨著氧、氮、污氮通道升溫自然回升溫到常溫?zé)o需單獨(dú)加熱。操作要點(diǎn)是氧氣、污氮放空閥開度的根據(jù)出主換熱器溫度來控制，防止凍壞常溫管道。

（9）在空分機(jī)組使用氮?dú)饧訜嵘郎仄陂g，通過調(diào)整排放閥開度來控制各容器、管道溫度，盡量使溫度均勻升高。各部溫度均高于-100℃后，將各容器間聯(lián)絡(luò)閥逐步打開，保持氣體通過，使管道與容器同步變形，減少應(yīng)力集中損壞管道。如液空進(jìn)上塔閥HV1打開20%，液空進(jìn)粗氬冷凝器閥HV702打開100%，粗氬冷凝器液空回上塔閥打開，壓力氮進(jìn)精氬蒸發(fā)器閥、液氮出精氬蒸發(fā)器回上塔閥、液氮進(jìn)精氬冷凝器閥、氮?dú)獬鼍珰謇淠骰厣纤y等。低壓氮?dú)饧訙販厣€見圖2。

圖2 空分機(jī)組低壓氮?dú)饧訙刂饕獪囟葴厣厔?/p>

通過各容器、管道排放閥開度控制溫度上升速度及均勻程度，待各部溫度均達(dá)到常溫時(shí)加熱完成，關(guān)閉以上操作的所有閥門。在本空分機(jī)組下次啟動時(shí)，使用空分機(jī)組純化器來的壓力空氣吹掃容器、管道、儀表管線清除雜質(zhì)后正常啟動即可。由于氮?dú)鉃橹舷⑿詺怏w，為防止發(fā)生意外事故，盡量排放到專用排液系統(tǒng)中在不能進(jìn)入的區(qū)域設(shè)置警戒區(qū)，防止氮?dú)庵舷⑹鹿拾l(fā)生。

2.3 自然加溫法

此方法是在保障空分機(jī)組系統(tǒng)內(nèi)部各容器均為正壓的基礎(chǔ)上，首先利用外界的熱量通過冷箱表面、珠光砂、容器壁面?zhèn)鲗?dǎo)進(jìn)入空分系統(tǒng)進(jìn)行加溫的一種方式。在本空分機(jī)組啟動時(shí)，使用壓力空氣吹掃對容器、管道、儀表管線清除雜質(zhì)。

具體方法：（1）在空分機(jī)組停機(jī)后，及時(shí)停運(yùn)機(jī)組所屬空壓機(jī)，將各容器內(nèi)的低溫液體排凈，關(guān)閉所有工藝閥門。（2）上塔保壓，通過空分氮?dú)廨斔烷y將管網(wǎng)系統(tǒng)中其它機(jī)組的低壓氮?dú)猓肟辗謾C(jī)組主換熱器氮?dú)馔ǖ?，通過主換熱器氮?dú)馔ǖ肋M(jìn)入上塔。（3）上塔氮?dú)馔ㄟ^液空進(jìn)冷粗氬凝器閥HV702，液氮進(jìn)精氬冷凝器閥HV706分別對其冷凝器進(jìn)行保壓；通過餾分氣體管路進(jìn)入粗氬Ⅰ塔底部由氬Ⅰ塔頂部出來進(jìn)入粗氬Ⅱ塔底部，又通過粗氬Ⅱ塔頂部工藝氬調(diào)節(jié)閥HV705進(jìn)入精氬塔對氬系統(tǒng)進(jìn)行保壓。（4）上塔氮?dú)馔ㄟ^下塔送上塔液氮、液空閥進(jìn)入下塔對下塔進(jìn)行保壓。（5）下塔氮?dú)馔ㄟ^壓力氮管道進(jìn)入精氬塔蒸發(fā)器后通過調(diào)節(jié)閥回上塔對精氬塔蒸發(fā)器進(jìn)行保壓。（6）主換熱器氧氣、污氮、空氣通道，膨脹空氣換熱器，液氮、液空過冷器各通道均與相關(guān)系統(tǒng)直接連接，可以與系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行保壓。

通過以上操作，確?？辗謾C(jī)組內(nèi)部各系統(tǒng)均為正壓，防止產(chǎn)生負(fù)壓吸入外界空氣污染系統(tǒng)；隨著時(shí)間的延續(xù)，外界熱量通過傳導(dǎo)不斷進(jìn)入系統(tǒng)，機(jī)組內(nèi)部溫度均勻上升達(dá)到常溫。溫升曲線見圖3。

圖3 空分機(jī)組自然加溫主要溫度溫升趨勢

（7）待空分機(jī)組啟動時(shí)按照正常加熱過程后期的吹掃操作對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行繼續(xù)升溫、吹掃。

自然加溫的特點(diǎn)為操作簡單，無需新增能源消耗，不產(chǎn)生額外噪音，管道變形小。4萬m3/h空分機(jī)組上塔和粗氬塔II熱脹冷縮最高可達(dá)200mm，日均變形1.75mm，應(yīng)力釋放均勻，缺點(diǎn)是耗時(shí)較長。如2萬m3/h空分機(jī)組，在夏季的自然加溫時(shí)間為57天，4萬m3/h空分機(jī)組，在冬季的自然加溫時(shí)間為114天。

3 三種加溫方式的比較

3.1 常規(guī)加溫法

此方法操作復(fù)雜，需要消耗空氣壓縮電耗，如2萬m3/h空分機(jī)組需要消耗電能57.6萬kW·h。空氣放空產(chǎn)生較大噪音，管道變形大，日均變形67mm，應(yīng)力釋放集中，設(shè)備損壞幾率偏高。優(yōu)點(diǎn)為耗時(shí)短，一般3天可以全部加熱完成。

3.2 低壓氮?dú)饧訙胤?/h3>

此方法操作簡單、不消耗電能僅消耗部分富裕氮?dú)?，不產(chǎn)生額外噪音，管道變較小，日均變形28.6mm，應(yīng)力釋放均勻，設(shè)備損壞程度較低。缺點(diǎn)是耗時(shí)長，一般7天可以全部加熱完成。

3.3 自然加溫法

自然加溫的特點(diǎn)為基本無需操作，不消耗電能也不消耗其他介質(zhì)，不產(chǎn)生額外噪音，管道變形小，日均變形1.75mm，應(yīng)力釋放均勻，設(shè)備損壞程度幾乎可以忽略。缺點(diǎn)是耗時(shí)較長，如2萬m3/h空分機(jī)組，在夏季的自然加溫時(shí)間為57天；4萬m3/h空分機(jī)組，在冬季的自然加溫時(shí)間為114天。

4 實(shí)踐應(yīng)用案例

八鋼制氧1#2萬m3/h空分機(jī)組，于2018年4月7日停運(yùn)，2018年11月5日啟動，使用自然加溫法進(jìn)行系統(tǒng)保壓自然升溫。啟動前氧氣出上塔溫度達(dá)到8.8℃、粗氬出冷凝器溫度為10.8℃。由于機(jī)組各部溫度均在8℃以上，所以不需要進(jìn)行加溫作業(yè)，而直接進(jìn)行系統(tǒng)吹掃作業(yè)。11∶30分開始送空氣進(jìn)行吹掃，同時(shí)對儀表、檢測管線進(jìn)行吹掃，14∶48氧氣出上塔溫度為12.8℃、粗氬出冷凝器溫度12.2℃，檢測各容器露點(diǎn)均低于－65℃，加溫吹掃完成。此臺空分機(jī)組停運(yùn)時(shí)間較長，停運(yùn)季節(jié)為夏季。采用自然加溫法吹掃耗時(shí)只有3.3h，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于常規(guī)加溫法。

5 結(jié)束語

對空分機(jī)組停運(yùn)后的加溫應(yīng)綜合考慮時(shí)間、安全、能耗、設(shè)備保養(yǎng)等因素的影響，根據(jù)不同情況進(jìn)行合理的選擇。如時(shí)間不緊的情況下，可以采用能耗低、利于設(shè)備保養(yǎng)的低壓氮?dú)饧訙胤白匀患訙胤?，盡量做到熱應(yīng)力逐步、均勻釋放，利于空分設(shè)備，提高設(shè)備使用壽命，而且節(jié)約能源。低壓力溫法和自然加溫法，操作相對簡單，而且噪音符合環(huán)保要求。