40000m3／h空分裝置膨脹機在線切換操作小結(jié)

李志斌

（寧夏和寧化學有限公司，寧夏銀川 750041）

0 引 言

寧夏和寧化學有限公司煤化工裝置配有2套40 000 m3／h（O2）空分裝置，均采用常溫分子篩預凈化、空氣增壓膨脹、雙塔（填料塔）精餾、液氧泵內(nèi)壓縮流程。其中，空分膨脹機設(shè)計為一用一備，一臺為進口膨脹機，一臺為國產(chǎn)膨脹機，正常生產(chǎn)時進口膨脹機運行，國產(chǎn)膨脹機備用。2017年8月利用裝置大修機會對進口膨脹機進行了檢修，檢修完成后空分裝置已正常開車，為了進行進口膨脹機檢修后的試車，需對膨脹機進行在線切換，即由國產(chǎn)膨脹機運行切換為進口膨脹機運行，現(xiàn)將此次膨脹機在線切換操作過程小結(jié)如下。

1 膨脹機系統(tǒng)簡介

1.1 膨脹機的工作原理

透平膨脹機是一種旋轉(zhuǎn)式制冷機械，由蝸殼、導流器、工作輪等部分組成，同時配有密封氣系統(tǒng)及潤滑油系統(tǒng)。當具有一定壓力的氣體進入蝸殼后，被分配到導流器中，導流器上裝有可調(diào)的噴嘴葉片，氣體在噴嘴中將內(nèi)部的能量轉(zhuǎn)換為動能，其壓力、焓降低，流速增高至200 m／s左右，高速氣流推動葉輪旋轉(zhuǎn)，將動能轉(zhuǎn)化為機械能，通過轉(zhuǎn)子的軸驅(qū)動增壓器對外做功。

從整個過程看，氣體在膨脹機內(nèi)的流動是絕熱等熵的過程，氣體經(jīng)過一個膨脹過程壓力降低，同時對外輸出的功靠消耗氣體內(nèi)部的能量來實現(xiàn)，表現(xiàn)為溫度降低、焓值減小，亦即通常所說的制冷量。其制冷量占總制冷量的75%～85%。

1.2 膨脹機系統(tǒng)工藝流程

膨脹機系統(tǒng)工藝流程如圖1。增壓機中抽來的48 000 m3／h、2.70 MPa（A）干燥空氣進入增壓膨脹機組的增壓端，加壓至4.0 MPa（A），氣體被循環(huán)水冷卻至40℃，再進入高壓主換熱器，與塔內(nèi)返流氣體換熱后被冷卻至-108℃，然后進入膨脹機膨脹，壓力降至0.58 MPa（A）、溫度降至-173℃，最后進入精餾塔的下塔進行精餾。

2 膨脹機在線切換前的準備工作

2.1 保證膨脹端進、出口管道的清潔度

由于進口膨脹機檢修期間空分裝置已正常開車，因此膨脹機在線切換的準備工作應始于空分裝置開車前。準備工作的重點內(nèi)容就是保證膨脹端進、出口管道內(nèi)介質(zhì)的清潔與干燥，避免空分裝置開車后由于閥門內(nèi)漏跑冷而使管道內(nèi)的濕空氣凍結(jié)或濕空氣進入。我們采取的措施是在開車前的露點分析階段將進口膨脹機也納入分析范圍?？辗盅b置開車前，切除聯(lián)鎖，打開膨脹機緊急切斷閥（HV4419）及膨脹機加溫氣吹除閥（V4483），然后緩慢打開膨脹端進口閥（V4461）對膨脹端進口管道進行吹除，當露點合格后，先關(guān)閉加溫氣吹除閥（V4483）、緊急切斷閥（HV4419），再關(guān)閉膨脹端進口閥（V4461），同時通過操作調(diào)整使膨脹端進口管道壓力（PI4459）始終處于有壓狀態(tài)，這樣就保證了膨脹端進口管 道內(nèi)介質(zhì)露點合格且不會被污染。

圖1 膨脹機系統(tǒng)工藝流程簡圖

對于膨脹端出口管道，因此時膨脹機已拆走檢修，此段管路處于敞開，即處于與大氣直接接觸的狀態(tài)，若不采取措施，管道內(nèi)外很快會結(jié)冰。為此，采取的措施是全關(guān)膨脹端出口閥（V4463），微開加溫氣閥（V4481），使干燥的加溫氣充滿膨脹端出口管道，然后通過敞口排放加溫氣，從根本上消除結(jié)霜的可能，避免雜物落入管道內(nèi)。采取上述措施后，保證了膨脹端進、出口通道內(nèi)介質(zhì)露點合格且不被污染，在進口膨脹機恢復安裝之后只需簡單加溫即可滿足開車條件。

2.2 切換過程風險分析及對策

從膨脹機系統(tǒng)工藝流程配置可知，在膨脹機在線切換過程中，對空分裝置運行的主要影響是高壓主換熱器正流空氣量的變化，進而會使高壓主換熱器的熱平衡遭到破壞，因此，切換過程應重點考慮高壓主換熱器熱平衡的變化，重點做好以下風險防范：防止氧氣溫度低致液氧泵聯(lián)鎖動作；國產(chǎn)膨脹機減負荷過程中防止增壓機喘振，進口膨脹機開啟后不能立即加負荷，要有一個密封器跑合的過程（低速運轉(zhuǎn)）；同時，還要做好萬一切換失敗供氧中斷的應對措施。

膨脹機在線切換可歸類到膨脹機的跳車、增壓機喘振等高壓主換熱器膨脹通道氣量變化這一異常工況大類里。據(jù)制訂的預案，其應對的總體思路是適當減少反流低溫氣和加大正流熱空氣。切換過程有以下幾個關(guān)鍵點需要關(guān)注和控制：一是進口膨脹機手閥開啟前，閥前壓力要降至設(shè)計值以內(nèi)，不能使管道超壓；二是進口膨脹機啟動后其轉(zhuǎn)速不能增加得太快，要注意對運行機組轉(zhuǎn)速的影響，觀察會不會明顯降低運行機組的轉(zhuǎn)速；三是進口膨脹機啟動后加負荷過程中要注意增壓端工況的變化，由于低負荷時進口膨脹機增壓端氣體出口壓力低于國產(chǎn)膨脹機，因此增壓端氣體處于全回流狀態(tài)，隨著進口膨脹機負荷的增加，增壓端氣體出口壓力會慢慢高于國產(chǎn)膨脹機出口壓力，國產(chǎn)膨脹機增壓端氣體開始完全打回流，在這個過程中要注意氣體溫度和氣量的變化，回流閥要保持大開度；四是國產(chǎn)膨脹機停車前應將負荷盡可能地降低，注意其停車時退回的氣量對增壓機的影響（喘振）和對在運機組（進口膨脹機）的影響（轉(zhuǎn)速升高）。

3 切換操作

（1）得到調(diào)度膨脹機切換操作的指令后，通過開大氧泵回流閥的形式將氧氣量由10 000 m3／h增 至 26 000 m3／h，同 時通 過關(guān) 噴 嘴（HV4452）、開回流閥（HV4458）減國產(chǎn)膨脹機的負荷，減負荷過程中控制氧氣總管壓力穩(wěn)定，氣化系統(tǒng)同步減負荷。

（2）繼續(xù)通過關(guān)噴嘴（HV4452）、開回流閥（HV4458）減國產(chǎn)膨脹機的負荷，使膨脹端進口壓力在2.7 MPa以下，此時進口膨脹機已具備開機條件。在國產(chǎn)膨脹機減負荷的過程中控制上塔壓力在45 kPa以下，適當關(guān)小高壓主換熱器污氮閥（PV4334）減小污氮流量，開大高壓空氣節(jié)流閥（HV4308）以增加高壓空氣量，當氧氣溫度（TI4339）有下降趨勢時，電話通知調(diào)度減送氧量，并繼續(xù)通過增大氧泵回流量減少氧氣外送量，直至氧氣溫度不再下降且保持在10℃以上。

（3）在減負荷的過程中，可以先將進口膨脹機按開車操作票做開車準備，依次打開其膨脹端出口閥（V4463）、增壓端進口閥（V4451）、增壓端出口閥（V4454）、膨脹端進口閥（V4461），開閥過程要緩慢，避免對運行機組造成影響，且還要防止閥門內(nèi)漏而沖轉(zhuǎn)備運機組。

（4）進口膨脹機具備啟動條件后，點擊啟動按鈕啟動進口膨脹機，進口膨脹機有轉(zhuǎn)速后在15 000 r／min的轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運行30 min，30 min以后按10 min加1 000 r的速率增加膨脹機的負荷，若主冷液位正常，此時可適當增加送氧量。

（5）進口膨脹機加負荷過程中，在控制膨脹空氣量不變的情況下繼續(xù)緩慢降低國產(chǎn)膨脹機的負荷，當國產(chǎn)膨脹機噴嘴和回流閥無法調(diào)節(jié)時，轉(zhuǎn)為通過關(guān)膨脹端進口閥（V4462）來繼續(xù)降低國產(chǎn)膨脹機的負荷，當國產(chǎn)膨脹機轉(zhuǎn)速降至6 000 r／min以下時，點擊停車按鈕，國產(chǎn)膨脹機停車，之后按要求進行加溫操作使其轉(zhuǎn)為備用狀態(tài)。

（6）調(diào)整進口膨脹機的負荷、增加送氧量，直至恢復到切換前的工況。

4 切換操作總結(jié)

因為有了充分的準備和堅持表單化操作，雖然所有人員都是第一次經(jīng)歷膨脹機的在線切換，但整個操作過程平穩(wěn)，膨脹機切換順利。由于設(shè)計廠家擔心切換過程中對運行膨脹機有影響，不允許進行在線切換，因此我們重點對啟停過程中2臺膨脹機相互之間的影響和對工藝參數(shù)的影響進行了觀察。

4.1 2臺膨脹機啟停過程的相互影響

2017年10月10日切換過程2臺膨脹機運行參數(shù)的變化見表1。進口膨脹機啟動后，膨脹空氣流量瞬間由19 000m3／h增至29 000m3／h，流量增加約10 000 m3／h，由表1可知，進口膨脹機有轉(zhuǎn)速后，在運國產(chǎn)膨脹機轉(zhuǎn)速有一定程度下降，但降幅在300 r／min左右，影響基本可以忽略不計，管網(wǎng)壓力也未見明顯變化，由此判斷在低負荷下膨脹空氣管路設(shè)計富余量較大，瞬間增加的10 000 m3／h膨脹空氣量對膨脹空氣壓力影響不明顯，進口膨脹機啟動后只要負荷在50%以下其分流效果也不明顯，啟動的進口膨脹機對運行的國產(chǎn)膨脹機的影響可以忽略不計。

原運行膨脹機停車時，因膨脹空氣已減量至10 000 m3／h以下，此時進口膨脹機轉(zhuǎn)速上漲約170 r／min，其影響同樣可以忽略不計。

表1 2017年10月10日切換過程膨脹機運行參數(shù)的變化

4.2 切換過程中空分系統(tǒng)工藝參數(shù)的變化

由于空分車間所有員工均沒有膨脹機在線切換的實操經(jīng)驗，為了保險起見，我們將空分裝置氧氣產(chǎn)量減少得較多，高壓主換熱器負荷減小得較多，故切換準備過程中上塔壓力不但沒有上漲還下降了1.3 kPa，污氮出高壓主換熱器氣量也沒有增加，氧氣出高壓板式換熱器的溫度有所上漲，整個精餾工況變化不大，系統(tǒng)冷量的不平衡基本可以忽略。

5 進口膨脹機在線切換為國產(chǎn)膨脹機的操作要點

對于公司的2套空分裝置來說，上述操作只適用于國產(chǎn)膨脹機切換為進口膨脹機。因為國產(chǎn)膨脹機為剛性軸，沒有低轉(zhuǎn)速的限制，理論上可以通過持續(xù)緩慢關(guān)小膨脹端進口閥（V4462）使膨脹機轉(zhuǎn)速沿可控的斜率下降，避免對進口膨脹機造成擾動。但進口膨脹機為柔性軸，受臨界轉(zhuǎn)速的限制，機組設(shè)有12 500 r／min的低轉(zhuǎn)速跳車聯(lián)鎖，且國產(chǎn)膨脹機開車步驟與進口膨脹機不一致，因此，當需要由進口膨脹機切換成國產(chǎn)膨脹機時，操作時應注意以下問題：準備就緒后，緩慢開啟國產(chǎn)膨脹機膨脹端進口閥（V4462），使其轉(zhuǎn)速沿預計的、可控的速率增加，這樣對進口膨脹機工況的干擾可控；進口膨脹機需在13 000 r／min左右轉(zhuǎn)速下停車，此時對運行的國產(chǎn)膨脹機沖擊會大一點，但通過國產(chǎn)膨脹機切換為進口膨脹機過程中工藝參數(shù)及膨脹空氣管容量實際富裕度來看，此沖擊造成的擾動在可接受范圍內(nèi)。

6 結(jié)束語

寧夏和寧化學有限公司空分裝置膨脹機采用一用一備的設(shè)計，在空分裝置正常生產(chǎn)時，備用的膨脹機處于持續(xù)加溫狀態(tài)（密封氣系統(tǒng)、潤滑油系統(tǒng)正常投用），一旦在運膨脹機跳車，要求備機能按正常開車程序投運，或者在運膨脹機出現(xiàn)故障需停車檢修時，備機能及時進行在線切換。因此，本次膨脹機的在線切換操作實踐對今后生產(chǎn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行意義重大。

雖然本次膨脹機的在線切換操作較為保守，氧氣產(chǎn)量有較大幅度的減少，但我們還是積累了膨脹機在線切換的經(jīng)驗，收集了相關(guān)數(shù)據(jù)，為將來可能進行的切換操作打下了基礎(chǔ)。本次切換實踐表明，膨脹機的在線切換，只要準備充分、組織有序，系統(tǒng)可以實現(xiàn)不減氧或少減氧，但為保證裝置的安全、穩(wěn)定運行，筆者認為還是應暫時犧牲一點經(jīng)濟效益，采取較為保守的操作思路。