大型內壓縮流程空分裝置水分凍結故障的分析與處理

劉道科

(金川集團公司動力廠,甘肅 金昌 737100)

0 前言

隨著大型內壓縮流程空分裝置的普及,制氧行業(yè)因壓縮氧氣而導致的燃爆事故顯著降低,安全生產得到了保障,但任何新技術的應用也難以避免新的問題出現(xiàn),其中如何防止水分進入空分裝置就是一個典型的例子。

某公司KDON-20000/20000 制氧機是一套國產制氧設備,在投產初期,曾接連發(fā)生過兩起液泛事故,對制氧系統(tǒng)可靠運行造成了一定影響。為此,本文進行了故障原因排查和分析,找到了引發(fā)液泛的元兇,修復了泄漏的換熱管,制定了合理的操作維護制度,避免液泛事故的再發(fā)生。

1 空分工藝流程

空分工藝流程如圖1 所示,低壓空氣從下塔下部進入然后逐步上升,與通過高壓液空節(jié)流閥、低壓液空節(jié)流閥進入下塔的高壓液空和低壓液空,及回流的液氮等下落液體在篩板層進行逐級傳熱,在下塔底部得到富氧液空,在下塔上部得到高純度液氮。下塔的物料通過富氧液空節(jié)流閥、污液氮節(jié)流閥、液氮空節(jié)流閥送往上塔填料層,在重力作用下與通過主冷換熱器汽化上升的氧蒸汽進行氣液交換,在上塔下部得到純度合格的液氧,在上塔上部形成純度合格的氮氣,完成空氣分離。

圖1 空分工藝流程

2 空分裝置故障及分析

2.1 第一次故障

自2005 年9 月建成投入生產序列以來,KDON-20000/20000 制氧機各項運行指標均正常。2006 年1 月11 日下午,下塔阻力突然從19.6 kPa 直接上升至38.5 kPa,下塔液空液面急速降低,主冷液面迅速下降。通過緊急操作污液氮和液氮閥門約20 min,下塔阻力逐漸恢復正常,但分餾工況已破壞,需要重新調整工況,才能滿足產品品質要求。

2.1.1 第一次故障原因分析

2.1.1.1 初步分析

根據(jù)本次故障表現(xiàn)的特征,可以判斷是一起典型的下塔液泛[1]事故。查明下塔液泛的原因是急需解決的問題。為此,進行了幾個方面的調查:

1)確定關鍵工藝參數(shù)在液泛發(fā)生前是否出現(xiàn)重大波動。通過DCS 系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)查詢,可以明確在發(fā)生液泛之前,入塔空氣量、板式溫度、調1、調2、調3 等重要參數(shù)均無異常波動現(xiàn)象。

2)確定儀控系統(tǒng)是否正常可靠的運行。對液空液面計、液氧液面計、下塔阻力計等進行了測試,可知儀表測量結果可以信賴;而后又對調1、調2、調3 等進行測試,發(fā)現(xiàn)調2 閥有輕微的竄動現(xiàn)象,經儀控人員在線調試后正常。

3)確定下塔篩板是否堵塞。通過抽取富氧液空、液氮、污液氮等進行觀察,沒有發(fā)現(xiàn)明顯的異物存在。

根據(jù)上述3 方面的檢查分析,液泛發(fā)生的主要原因無法得知。盡管調2 閥有輕微的竄動,但微量擾動是無法導致下塔如此規(guī)模的液泛,且大型空分設備下塔發(fā)生液泛的事故在空分領域中也非常罕見,一般是上塔液泛情況居多。

鑒于此,開始仔細核對和分析直接和間接相關的歷史數(shù)據(jù),同時制定一系列臨時性應對措施來防止液泛再次發(fā)生:

1)嚴密觀察下塔阻力,如有上漲的趨勢,立即開大調2、調3 閥門,以控制下流液體在塔板上聚集,緩解液泛帶來的嚴重后果。

2)嚴格控制入塔空氣量,不允許超過98000 Nm3/h,手動控制空壓機導葉,盡量減少入塔空氣量的波動。

3)手動控制下塔液空調1 閥,減少因調節(jié)閥的波動導致的塔內工況不穩(wěn)。

操作調整后,設備一直處于穩(wěn)定狀態(tài),但到了次日凌晨,設備再次發(fā)生液泛。由于有相應的應對措施,該次發(fā)生的液泛程度較第一次弱,恢復也比較快。

2.1.1.2 下塔阻力數(shù)據(jù)分析

對比兩次液泛時的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),高壓液空進入下塔處的壓力與下塔底部低壓空氣壓力具有差值,形成下塔阻力變化分界點,將下塔分為兩段,即下塔上部和下塔下部。

采集下塔的一系列阻力和壓力數(shù)據(jù)(表1),并采用SPSS[2]統(tǒng)計分析軟件對所記錄數(shù)據(jù)進行處理,形成新的變量:下塔上部阻力變化量=下塔上部阻力-15,下塔下部阻力變化量=下塔下部阻力-2,下塔阻力變化量=下塔阻力-18。分析它們之間的相關系數(shù),結果見表2 和表3。

表1 下塔阻力變化數(shù)據(jù)

表2 下塔阻力與下部阻力變化量相關系數(shù)分析

表3 下塔阻力與上部阻力變化量相關系數(shù)分析

從表2、表3 可以明顯看出,下塔阻力變化量與下塔下部阻力的變化量相關系數(shù)達到0.877,與下塔上部阻力的變化量相關系數(shù)只有0.765。另外,從數(shù)據(jù)變化趨勢也可以明顯看出,開始時下塔下部阻力的變化明顯對下塔阻力變化起主要作用。因此,下塔下部阻力異?？赡苁且鹨悍旱闹苯右蛩?同時查閱圖紙得到高壓液空節(jié)流后進入下塔的位置距下塔底部3.6 m。

2.1.1.3 CO2和水分分析

從理論上分析,如果CO2或水分聚集在下塔篩板上形成塊狀物,飄浮在液體層上對溢流管形成堵塞,則有可能造成液泛。事后,用液氬做實驗,將濕空氣通入液氬中,空氣中的水會結成一塊冰,而不是單個的小冰晶。于是再調閱以前的CO2或水分分析數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)出分子篩后CO2數(shù)據(jù)正常,且分子篩再生形成的各種溫度曲線無異常,增壓膨脹機端冷卻器水分含量也正常。從常理上推測,氣體經過板式換熱器時,如果含水分或CO2,則首先會在板式換熱器流道中凍結,從而造成通道阻力上升。但對比數(shù)據(jù)結果發(fā)現(xiàn),沒有阻力上升的證據(jù),空氣進、出板式換熱器的阻力降一直維持在22～24 kPa。

為了找到故障的根源,利用一次停車機會對塔內進行了一次小范圍的升溫,來確定是否是CO2的影響,同時檢查分子篩內的床層分布情況,但沒有發(fā)現(xiàn)異常。塔內溫度回升至-95 ℃,然后啟動正常,空分裝置運行15 d 都沒有發(fā)生液泛現(xiàn)象。正當進行技術分析總結時,液泛再一次發(fā)生。

2.1.1.4 高壓液空過熱度分析

此外,曾認為是高壓液空進下塔時的溫度偏高、過熱度大(實際偏離不超過7 ℃)導致下塔塔板上液體大量汽化,從而導致液泛發(fā)生,但事實證明,降低過熱度依然無任何改變,以后每天都要發(fā)生幾次液泛。液泛原因一直無解。

2.2 第二次故障及原因分析

2.2.1 第二次故障

直到2006 年4 月7 日的一次故障跳車,故障原因排查分析才發(fā)生了轉機。17 點50 分,由于電網供電故障,20 000 Nm3/h 空分裝置主空壓機跳車,全系統(tǒng)停車;2006 年4 月8 日12 點30 分主空壓機啟動,4 月9 日2 點空分裝置恢復正常生產,當空氣量接近正常設計值、純度合格后,各關鍵參數(shù)如產量、純度、板式換熱器中部溫度、熱端溫差、液位等均在設計范圍之內。

4 月9 日15 點,作業(yè)人員調整板式換熱器中部溫差時,發(fā)現(xiàn)有溫度下降的趨勢,偏離正常溫度約30 ℃,平均達-135 ℃。隨后采取減少中壓氧氣、降低膨脹量操作,中部平均溫度回升到-110 ℃左右,冷凝蒸發(fā)器液氧液位高度2 780 mm,此后板式換熱器中部溫度穩(wěn)定為-111.5～-110 ℃。

4 月10 日0～8 點,班操作人員繼續(xù)前一個班組的操作,調整板式換熱器中部溫度,但是換熱器的工作狀況出現(xiàn)惡化,中部溫度逐漸下降到-140 ℃、-142 ℃、-127.2 ℃,冷凝蒸發(fā)器液氧液位下降至2 100～2 250 mm。當班操作人員在調整無明顯效果,空分裝置的生產工況難以控制的情況下,開始對故障現(xiàn)象進行分析和調整處理。

2.2.2 第二次故障分析

2.2.2.1 工況調整

經過對此前板式換熱器運行參數(shù)和調整操作方法詳細的了解和分析,認為板式換熱器的工況表現(xiàn)出換熱不足、冷量外移的特征;在運行參數(shù)上,表現(xiàn)為正反流氣體溫差逐漸擴大、冷凝蒸發(fā)器液氧液位下降、高壓空氣節(jié)流前溫度和低壓空氣進下塔溫度升高等特征。

造成板式換熱器換熱不足、冷量外移[3]的原因主要有以下兩個方面:

1)高壓空氣和中壓氧氣的配比不合理,造成板式換熱器中部過冷,正反流氣體溫差擴大,冷量損失增加,工況紊亂。

2)雜物(水分、機械雜質、CO2等)進入板式換熱器通道,形成堵塞,導致傳熱面積大幅度降低。

針對以上兩種可能,對空分裝置的運行工況進行針對性調整,以進一步明確故障原因。

針對板式換熱器中部過冷、正反流氣體溫差擴大、冷量損失增加的現(xiàn)象,逐步調整V31 和V32 使板式換熱器中部溫度回升至設計指標。4 月11 日9點,板式換熱器中部溫度分別回升到-112.9 ℃、-109.2 ℃、-102.2 ℃,熱端正反流氣體溫差擴大到3.7 ℃,高壓空氣節(jié)流前溫度升高為-148.6 ℃,低壓空氣進下塔溫度為-170.9 ℃,由此初步判斷為板式換熱器高壓空氣通道換熱不良。

基于上述初步結論,預測板式換熱器中部溫度下降后,熱端正反流氣體溫差將進一步擴大,冷凝蒸發(fā)器液氧液位也會下降,高壓空氣節(jié)流前溫度將隨板式換熱器中部溫度同步下降,低壓空氣進下塔溫度將會略有下降,因此,調整板式換熱器中部溫度適當下降,以便驗證初步結論。將板式換熱器中部溫度下降為-132 ℃、-125.6 ℃、-118.7 ℃后,熱端正反流氣體溫差擴大到4.9 ℃,高壓空氣節(jié)流前溫度下降為-162 ℃,低壓空氣進下塔溫度下降為-173.9 ℃,冷凝蒸發(fā)器液氧液位下降為2 098 mm,與事先預測的變化趨勢吻合,由此判定故障原因為板式換熱器高壓空氣通道換熱不良。

2.2.2.2 板式換熱器通道換熱不良原因分析

板式換熱器高壓空氣通道換熱不良的主要原因是:一方面,水分、CO2或者分子篩粉末進入板式換熱器高壓空氣通道[2],在通道表面凍結或集聚,導致?lián)Q熱效率下降,由于高壓空氣通道截面積較小,進塔空氣中水分、CO2含量增加所引起的不良后果可能最先在高壓空氣通道中表現(xiàn)出來;另一方面,因冷卻器泄漏,增壓膨脹機的空氣經氣體冷卻器冷卻后,水分直接進入板式換熱器的高壓空氣通道,引起換熱不良。從流程上來說,后者可能性更大,也更加直接,但是在設備正常運轉期間,無法檢測冷卻器泄漏。

如果是冷卻器泄漏,時間越長,則后果越嚴重,因為冰的膨脹可以將板式換熱器的高壓空氣通道脹裂,甚至可能出現(xiàn)主冷液面持續(xù)偏低導致碳氫化合物聚集而產生爆炸的危險。為防止故障進一步惡化和擴大,將空分裝置停車,檢查冷卻器。

2.2.2.3 故障原因確定和維修

4 月11 日,20 000 Nm3/h 空分裝置停止運轉。檢查膨脹機增壓空氣冷卻器,發(fā)現(xiàn)有水排出,水的硬度化驗顯示為軟化水指標,表明水已進入板式換熱器,空分裝置無法再繼續(xù)運行,工作轉入冷卻器檢修和空分裝置加溫。

在檢修該冷卻器時,經過多次封堵處理和殼程水壓試驗,共發(fā)現(xiàn)了18 根換熱管泄漏。

2.3 事故原因剖析

綜合分析,上述兩起液泛事故是相關的,都是由于水分進入空分裝置導致了液泛現(xiàn)象。

由于冷卻器管束為碳鋼材質,在當?shù)氐乃|條件下,易發(fā)生腐蝕;加之材質本身存在缺陷,冷卻器換熱管在設備正常運轉過程中逐步產生腐蝕滲漏。每次臨時停車,就有部分水分進入空氣。開車以后,水分隨著干燥空氣進入板式換熱器中,有一部分積聚到下塔的塔板上,凍結成冰,最后塔內部分冰形成較大的冰塊,導致溢流口[3]被堵,產生液泛。隨著每次開車、停車的泄漏,板式換熱器高壓空氣通道的面積逐步縮小,最終通道被堵,板式換熱器換熱能力嚴重不足,生產無以為繼。

3 事故防范措施

通過兩次事故排查和分析,結合生產操作經驗,可通過下列措施預防和避免類似事故再次發(fā)生。

1)完善工藝聯(lián)鎖控制系統(tǒng),將水分和CO2作為增壓膨脹機設備開啟的聯(lián)鎖邏輯關系,確保控制方案上的完善。

2)慎重選擇增壓機和增壓膨脹機冷卻器的管束材質,不宜采用碳鋼材質。

3)加強水分和CO2儀表的日常保養(yǎng),確保測量結果的可靠性和客觀性,提供準確及時數(shù)據(jù),為操作設備提供方向。

4)完善冷卻器檢查制度,確保異?，F(xiàn)象及時發(fā)現(xiàn)。

4 結束語

通過兩次事故綜合分析,找到了液泛故障的真正原因,排除了設備隱患,設備運行至今再沒有出現(xiàn)過液泛現(xiàn)象和板式換熱器泄漏問題。同時,本案例也為空分裝置的設計或使用單位提供了有益的借鑒和參考。