淺析氮水預(yù)冷系統(tǒng)存在問(wèn)題及處理措施

杜 陽(yáng)

（江西銅業(yè)集團(tuán)公司 貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424）

1 引言

貴溪冶煉廠動(dòng)力車間制氧工段4#制氧機(jī)為10000Nm3/h空分設(shè)備，2002年12月正式投產(chǎn)。機(jī)組采用氮水預(yù)冷系統(tǒng)、分子篩吸附凈化系統(tǒng)流程、增壓透平膨脹機(jī)、規(guī)整填料塔和全精餾無(wú)氫制氬技術(shù)。4#制氧機(jī)氮水預(yù)冷系統(tǒng)即空氣預(yù)冷系統(tǒng)，主要由空冷塔、水冷塔、冷凍機(jī)、4臺(tái)水泵、調(diào)節(jié)閥和儀電控等部件組成。氮水預(yù)冷系統(tǒng)是深冷空分生產(chǎn)裝置中的一個(gè)重要組成部分，它位于空壓機(jī)系統(tǒng)和分子篩吸附系統(tǒng)之間，用來(lái)降低高溫壓縮空氣的溫度［1］，同時(shí)通過(guò)水洗滌除去空氣中的硫化物等易使分子篩中毒的化合物，使空氣達(dá)到一定要求后進(jìn)入分子篩吸附系統(tǒng)［2］。氮水預(yù)冷系統(tǒng)的冷卻效果直接影響著分子篩凈化系統(tǒng)、主換熱器的工作負(fù)荷，空氣出空冷塔的溫度高，分子篩的吸附負(fù)荷增加［3］，會(huì)導(dǎo)致更高的再生能耗，同時(shí)空氣進(jìn)主換熱器溫度的升高，使得換熱器的負(fù)荷增加［4］，從而對(duì)整套機(jī)組的運(yùn)轉(zhuǎn)周期、運(yùn)轉(zhuǎn)成本造成重大影響。

2 氮水預(yù)冷系統(tǒng)工作過(guò)程

氮水預(yù)冷系統(tǒng)中空氣冷卻塔為裝有2層填料的填料塔，壓縮空氣（約90～110℃）送入空氣冷卻塔底部，由下往上穿過(guò)各填料層，被從上往下的冷卻水和冷凍水冷卻，并同時(shí)洗滌空氣中部分氧化物、氮化物、二氧化硫、氯離子等有害雜質(zhì)，最后穿越頂部捕霧用的絲網(wǎng)分離器，進(jìn)入分子篩純化系統(tǒng)，出空冷塔空氣的溫度T1約為8～12℃。

進(jìn)入空冷塔的冷卻水分為2段?？绽渌露螢檠h(huán)水水泵來(lái)的冷卻水，經(jīng)常溫水泵加壓至1.4MPa進(jìn)入空冷塔中部，與由頂部流下來(lái)的冷凍水匯合自上而下出空冷塔回循環(huán)水的涼水塔。上段冷凍水是由循環(huán)來(lái)的冷卻水，經(jīng)水冷卻塔與由分餾塔來(lái)的多余的純氮及污氮熱質(zhì)交換冷卻后，由冷凍水泵加壓至1.5MPa后進(jìn)入冷凍機(jī)，出冷凍機(jī)水一部分去空冷塔上段，另一部分去增壓機(jī)后冷卻器，換熱后回冷凍水泵進(jìn)口或循環(huán)水回水管［5］。空氣預(yù)冷系統(tǒng)工藝流程簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 空氣預(yù)冷系統(tǒng)流程簡(jiǎn)圖

3 影響氮水預(yù)冷系統(tǒng)冷卻效果的因素

3.1 外部因素

（1）氣候環(huán)境。貴溪市屬于亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)型氣候，潮濕高溫，又有電廠、化肥廠等工業(yè)企業(yè)排放煙塵、SO2等大氣污染物，降雨時(shí)SO2等溶于水形成酸雨，加重了水質(zhì)酸性。

（2）循環(huán)水溫。循環(huán)水溫度升高對(duì)空分系統(tǒng)影響明顯，在南方尤甚，特別是高溫季節(jié)（空氣濕度經(jīng)常超過(guò)80%），冷卻塔換熱效果差導(dǎo)致循環(huán)水溫度上漲影響空分系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)。隨著空氣進(jìn)分子篩溫度的上升，分子篩的吸附效果變差，從而影響整個(gè)空分系統(tǒng)的安全運(yùn)行，空分系統(tǒng)產(chǎn)量被迫降低［6］。

（3）循環(huán)水質(zhì)。常見問(wèn)題為硬度過(guò)高，容易結(jié)垢，從而導(dǎo)致冷凍機(jī)冷凝器因管路結(jié)垢達(dá)不到應(yīng)有的制冷量；在填料、塔板或者捕霧器上結(jié)垢會(huì)增加塔的阻力［7］，從而加大能耗。常見的垢成分有: 碳酸鈣、硫酸鈣、磷酸鈣、鎂鹽和硅酸鹽［8］。

3.2 內(nèi)部因素

（1）空冷塔與水冷塔內(nèi)的散堆填料破損、填料壓板破損、分布器堵塞造成塔內(nèi)氣、水介質(zhì)分布不均勻，換熱不完全，塔內(nèi)阻力上漲，從而造成空冷塔、水冷塔運(yùn)行效率下降，機(jī)組整體能耗上升。

（2）噴淋水量、噴淋設(shè)備結(jié)構(gòu)、設(shè)備的傳熱傳質(zhì)效率等影響因素。其中關(guān)鍵的因素是水氣比，即噴淋水量與氣體流量的比值［9］。水氣比小，水與氣之間的接觸少，傳質(zhì)傳熱條件變差。水氣比大，氮?dú)夂涂諝饬恳欢?，水過(guò)多既造成浪費(fèi)又容易發(fā)生氣體帶水事故［10］。

4 實(shí)際運(yùn)行中存在的問(wèn)題

4.1 冷凍水泵汽蝕

若循環(huán)水補(bǔ)充水閥7不開，冷凍水泵3或4在運(yùn)行過(guò)程中容易出現(xiàn)汽蝕，引起冷凍水流量波動(dòng)，影響空氣出空冷塔溫度，從而造成整個(gè)系統(tǒng)工況的不穩(wěn)定。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，水冷塔底部出口管道管徑DN80相對(duì)較小，無(wú)法滿足冷凍水泵水量需求是引起水泵汽蝕的主要原因，因此在運(yùn)行過(guò)程中需要通過(guò)循環(huán)水補(bǔ)充水閥7來(lái)補(bǔ)充水量，滿足冷凍水泵用水需求。而循環(huán)水T4水溫為25℃左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于經(jīng)過(guò)氮?dú)饫鋮s的水冷塔底部水溫度T3，從而造成冷凍水泵出口水溫升高，冷凍機(jī)負(fù)荷增大，系統(tǒng)能耗上升。

4.2 水冷塔液位波動(dòng)大

循環(huán)水補(bǔ)充水閥7開啟后，分流一部分循環(huán)水，去水冷塔循環(huán)水流量減少，水冷塔液位下降，促使水冷塔液位調(diào)節(jié)閥開大，增加補(bǔ)充水量，保證水冷塔液位正常。由于水冷塔液位調(diào)節(jié)閥6前后管道管徑為DN80，相對(duì)較小，另外自動(dòng)調(diào)節(jié)閥反饋調(diào)節(jié)過(guò)程中有一定的延遲性，從而造成水冷塔液位波動(dòng)大的現(xiàn)象。水冷塔補(bǔ)充水量波動(dòng)造成水冷塔內(nèi)水氣比波動(dòng)大，不利于充分發(fā)揮氮水預(yù)冷系統(tǒng)的作用。

4.3 冷凍機(jī)故障

空氣預(yù)冷系統(tǒng)冷凍機(jī)為水冷式螺桿冷水機(jī)組，擁有3臺(tái)壓縮機(jī)，根據(jù)冷凍水溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)負(fù)荷。目前冷凍機(jī)組主要存在以下兩方面故障：

（1）冷凝器結(jié)垢，造成冷凍機(jī)制冷量降低冷凍水溫度升高，從而空冷塔出口空氣溫度升高，增大分子篩系統(tǒng)及主換熱器工作負(fù)荷。

（2）冷凍機(jī)壓縮機(jī)故障，冷凍機(jī)2#壓縮機(jī)無(wú)法啟動(dòng)，3#壓縮機(jī)只能滿負(fù)荷啟動(dòng)。當(dāng)冷凍水溫度高過(guò)設(shè)定溫度而1#壓縮機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，3#壓縮機(jī)自啟動(dòng)，降低冷凍水溫度；當(dāng)冷凍水溫度低于設(shè)定溫度時(shí)，3#壓縮機(jī)自動(dòng)停止運(yùn)行，1#壓縮機(jī)自動(dòng)調(diào)整負(fù)荷來(lái)冷卻水。3#壓縮機(jī)的頻繁啟停導(dǎo)致冷凍水溫度波動(dòng)增大，空冷塔出口空氣溫度波動(dòng)增大，造成后續(xù)整體工況波動(dòng)增大。

5 處理措施及效果

5.1 降低循環(huán)水溫度

在確保循環(huán)水壓力不低于正常要求0.3MPa的前提下，開大循環(huán)水回涼水塔上部回水閥，關(guān)小下部回水閥，開大涼水塔頂部冷卻風(fēng)機(jī)，從而降低循環(huán)水溫度。較往年同期比較循環(huán)水溫度大約降低3℃，使得1系統(tǒng)3套機(jī)組1#、2#、4#制氧機(jī)能耗降低。

5.2 改善循環(huán)水水質(zhì)

制定循環(huán)水水質(zhì)管理制度，定時(shí)安排工作人員提取循環(huán)水水樣進(jìn)行化驗(yàn)，并做好記錄，增設(shè)在線pH測(cè)點(diǎn)，及時(shí)掌握循環(huán)水水質(zhì)情況，確保設(shè)備長(zhǎng)周期正常運(yùn)轉(zhuǎn)，循環(huán)水水質(zhì)管理表如表1所示。目前循環(huán)水水質(zhì)良好，能確保pH值7～8.5，濁度＜15。

表1 循環(huán)水水質(zhì)管理表

5.3 改造預(yù)冷系統(tǒng)管路

（1）2016年4月機(jī)組停機(jī)定修期間，將水冷塔液位調(diào)節(jié)閥6前后管道和水冷塔底部出水管道更換為DN100管徑管道，管道最大水流量約為以前的1.5倍，預(yù)冷系統(tǒng)管路改造圖如圖2所示。

（2）改造后閥7不開啟而小泵無(wú)汽蝕情況，水冷塔液位調(diào)節(jié)閥保持在50（±3）%開度即可保證水冷塔液位穩(wěn)定在1300（±100）mm，水冷塔內(nèi)水氣比穩(wěn)定，氮?dú)馀c水換熱效果更好。

（3）水冷塔底部出水溫度T3由10（±2）℃降低至8（±1）℃，而且水冷塔底部出水溫度較改造前更加穩(wěn)定，從而降低冷凍機(jī)負(fù)荷，并使得冷凍機(jī)負(fù)荷跟蹤調(diào)節(jié)范圍縮小。冷凍機(jī)不啟動(dòng)的情況下，空氣預(yù)冷系統(tǒng)冷卻效果也能保證空冷塔出口溫度維持在12（±2）℃，極大地降低了機(jī)組運(yùn)行成本。

（4）清洗冷凍機(jī)冷凝器確保冷凍機(jī)制冷量。制定冷凍機(jī)維護(hù)措施，冷凍機(jī)連續(xù)運(yùn)行時(shí)間超過(guò)半年則需對(duì)冷凍機(jī)制冷效果進(jìn)行分析，確保冷凍機(jī)能夠正常工作或備用。

（5）更換冷凍機(jī)2#、3#壓縮機(jī)，確保冷凍機(jī)能根據(jù)冷凍水溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)運(yùn)行負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)冷凍水溫度穩(wěn)定，確?？绽渌隹诳諝鉁囟炔▌?dòng)減小。

圖2 空氣預(yù)冷系統(tǒng)管路改造圖

6 結(jié)語(yǔ)

在實(shí)際生產(chǎn)中故障的發(fā)生發(fā)展往往具有“蝴蝶效應(yīng)”，由于管道設(shè)計(jì)存在的缺陷，引發(fā)冷凍水泵汽蝕；水冷塔液位波動(dòng)、水冷塔內(nèi)水氣比失衡導(dǎo)致水冷塔冷卻效果差，冷凍機(jī)、分子篩凈化系統(tǒng)和主換熱系統(tǒng)負(fù)荷大等一系列問(wèn)題。通過(guò)仔細(xì)分析找到故障源頭，從而制定有效措施——降低循環(huán)水溫、改善循環(huán)水質(zhì)、更換合適管徑管道、更換故障壓縮機(jī)，極大地提升了空氣預(yù)冷系統(tǒng)的工作能力。目前在預(yù)冷系統(tǒng)冷凍機(jī)不運(yùn)行的情況下，仍然能夠保證空冷塔出口溫度維持在12℃左右，不僅確保空分系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，而且節(jié)約了運(yùn)行成本。