空分裝置低壓氧外送系統(tǒng)的優(yōu)化及控制改造

劉志強(qiáng)，張砷釔，王利聰，許敏

空分裝置低壓氧外送系統(tǒng)的優(yōu)化及控制改造

劉志強(qiáng)，張砷釔，王利聰，許敏

（河南龍宇煤化工有限公司，河南 永城 476600）

在大型的化工產(chǎn)業(yè)鏈中，空分裝置是產(chǎn)業(yè)鏈的源頭，所提供的各種氣體產(chǎn)品遍布于后續(xù)裝置，而產(chǎn)品的外送系統(tǒng)與控制系統(tǒng)稍有故障，便會(huì)影響后續(xù)裝置的運(yùn)行，甚至出現(xiàn)整條產(chǎn)業(yè)鏈跳車的現(xiàn)象，如何保證產(chǎn)品的正常外送是生產(chǎn)裝置運(yùn)行的重中之重。對(duì)空分裝置低壓氧氣外送及控制系統(tǒng)的優(yōu)化改造進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分析與總結(jié)。

空分；低壓氧；外送；控制系統(tǒng)；優(yōu)化

河南龍宇煤化工有限公司共有空分裝置兩套，一套為一期年產(chǎn)50萬t甲醇裝置配套空分[1]，設(shè)備采用全進(jìn)口，裝置生產(chǎn)力為53 000 m3·h-1氧及 81 000 m3·h-1氮，帶動(dòng)后續(xù)的shell氣化爐裝置及甲醇、二甲醚裝置；一套為二期年產(chǎn)40萬t醋酸裝置配套空分，國產(chǎn)設(shè)備，58 000 m3·h-1氧及93 000 m3·h-1氮，帶動(dòng)后續(xù)兩臺(tái)國產(chǎn)五環(huán)爐、氣體凈化、醋酸及乙二醇裝置。兩套空分裝置所提供的氧氣、氮?dú)?、空氣等遍布于后續(xù)裝置，屬于下游裝置的大動(dòng)脈，外送控制系統(tǒng)稍有故障便會(huì)影響后續(xù)裝置的運(yùn)行，甚至出現(xiàn)跳車現(xiàn)象。2019年隨著本公司增加第二套乙二醇項(xiàng)目后，如何保證空分裝置低壓氧氣的正常外送，變成公司平穩(wěn)生產(chǎn)運(yùn)行的關(guān)鍵。

1 單套乙二醇裝置低壓氧系統(tǒng)缺點(diǎn)及改造

一期裝置始建于2004年，因此套系統(tǒng)未設(shè)計(jì)乙二醇裝置，所以此套空分無低壓氧系統(tǒng)，二期始建于2012年，2015年試車投產(chǎn)，二期空分的低壓氧系統(tǒng)設(shè)計(jì)為液氧自精餾塔上塔底部流出，經(jīng)過兩臺(tái)CRYOSTAR低壓氧泵進(jìn)行增壓后，與高壓板式換熱器的正流空氣進(jìn)行換熱汽化，外送至乙二醇的酯化塔。兩臺(tái)CRYOSTAR變頻式低壓氧泵一開一備，其中單臺(tái)低壓氧泵的設(shè)計(jì)流量為7 200 m3·h-1，最高出口壓力為0.9 MPa，正常工作時(shí)，單臺(tái)低壓氧泵的出口流量控制在4 500 m3·h-1，低壓氧氣管網(wǎng)壓力控制在0.5 MPa，即可滿足公司的乙二醇裝置滿負(fù)荷運(yùn)行。但因二期空分為國產(chǎn)設(shè)備，在實(shí)際的試車運(yùn)行時(shí)，故障產(chǎn)生率較高，二期空分裝置檢修頻繁，無法保證低壓氧的正常產(chǎn)出和外送，導(dǎo)致乙二醇裝置無法正常生產(chǎn)，損失較大。為避免此類事件的發(fā)生，公司對(duì)氧氣系統(tǒng)進(jìn)行了改造，在二期空分增加了高減低裝置，將高壓氧氣減壓成低壓氧氣進(jìn)行外送，同時(shí)對(duì)一二期的高壓氧氣進(jìn)行了連通，實(shí)現(xiàn)了一二期空分裝置的氧氣系統(tǒng)的互連互通，保證了低壓氧系統(tǒng)的正常外送。

2 兩套乙二醇裝置的低壓氧系統(tǒng)及缺點(diǎn)

因公司一二期正常運(yùn)行時(shí)的富余合成氣較多，每年約富余20萬t合成氣，多年以來對(duì)公司造成了極大的經(jīng)濟(jì)損失和浪費(fèi)，為此2019年公司新增一套20萬t乙二醇裝置，并于2020年10月份開始試車運(yùn)行。自此，二期空分低壓氧系統(tǒng)更改為供往兩個(gè)乙二醇裝置4臺(tái)酯化塔，兩套乙二醇系統(tǒng)共用一條低壓氧外送管線，低壓氧泵仍為一開一備，但低壓氧泵出口流量變?yōu)? 200 m3·h-1，管網(wǎng)壓力仍為 0.5 MPa，此時(shí)兩套乙二醇裝置都可達(dá)到90%以上的高負(fù)荷運(yùn)行，有效地吸收和消耗了公司多余的合成氣。但在實(shí)際運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)，在原有一套乙二醇裝置時(shí)，不需要考慮乙二醇酯化塔跳車切氧的問題，但在兩套乙二醇系統(tǒng)共用一條低壓氧外送管線時(shí)，發(fā)現(xiàn)在新建乙二醇（以下稱乙二醇二廠）裝置試車跳車或原有乙二醇裝置（以下稱乙二醇一廠）生產(chǎn)系統(tǒng)發(fā)生故障跳車時(shí)，會(huì)因?yàn)樘囁谘b置的酯化塔切氧而造成低壓氧管網(wǎng)壓力迅速上升，瞬間到達(dá)乙二醇酯化塔氧壓高報(bào)跳車聯(lián)鎖，造成兩套乙二醇裝置同時(shí)跳車，產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)損失，影響整個(gè)裝置的正常運(yùn)行。

3 實(shí)際案例

2020年12月23日10:14乙二醇一廠因儀表氣壓力波動(dòng)而跳車，乙二醇一廠兩臺(tái)酯化塔進(jìn)行切氧，將近4 000 m3·h-1的低壓氧氣瞬間退至低壓氧管網(wǎng)內(nèi)，造成管網(wǎng)壓力急劇上升，二期空分低壓氧外送外管網(wǎng)壓力報(bào)警，二期空分分離主操發(fā)現(xiàn)后迅速將低壓氧放空閥（FV01337B）打成手動(dòng)狀態(tài)，并將其由10%開大至96%，但因放空閥（FV01337B）在空分低壓氧外送止回閥前，且低壓氧流量（FIC-01337A）未上漲未調(diào)節(jié)外送調(diào)節(jié)閥（FV01337A），低壓氧管網(wǎng)外送調(diào)節(jié)閥后管網(wǎng)無法進(jìn)行泄壓，造成管網(wǎng)壓力（PI-37030）由0.50 MPa升至0.73 MPa，造成乙二醇二廠兩臺(tái)酯化塔觸發(fā)氧壓高聯(lián)鎖，導(dǎo)致乙二醇二廠聯(lián)鎖跳車。

2021年4月19日14:54乙二醇二廠酯化塔低壓氧緊急切斷閥因儀表氣管斷開而關(guān)閉[2]，造成乙二醇二廠跳車，酯化塔切氧，同樣低壓氧退回管網(wǎng)，管網(wǎng)壓力急劇上升，空分分離主操迅速將放空閥（FV01337B）打手動(dòng)由17.7%開至95.7%，且低壓氧流量（FIC-01337A）未上漲未調(diào)節(jié)外送調(diào)節(jié)閥（FV01337A），管網(wǎng)壓力（PI-37030）由0.501 MPa升至0.711 MPa，造成乙二醇一廠兩臺(tái)酯化塔觸發(fā)氧壓高聯(lián)鎖跳車。

4 原因分析

目前公司低壓氧外送工藝路線如下圖1所示。一路為空分二期低壓氧泵出口的低壓氧，經(jīng)過流量調(diào)節(jié)閥FV01337A、外送止回閥V01349和外送手閥V01348，供往乙二醇一廠和乙二醇二廠，同時(shí)在流量調(diào)節(jié)閥FV01337A前設(shè)計(jì)有流量調(diào)節(jié)閥FV01337B用于低壓氧放空；另一路為自一二期空分高壓氧氣管網(wǎng)來的高壓氧氣，經(jīng)過壓力調(diào)節(jié)閥PIC-37019和前后手閥，減壓成低壓氧氣，與低壓氧氣外送手閥V01348后的管網(wǎng)進(jìn)行合并，供往乙二醇一、二廠，PIC-37019高壓氧減低壓氧調(diào)節(jié)閥采用壓力控制，以后續(xù)管網(wǎng)壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)。空分外送調(diào)節(jié)閥（FV01337A）后到乙二醇之間管網(wǎng)上無放空，乙二醇二廠裝置區(qū)內(nèi)氧氣總管上設(shè)計(jì)有放空閥，放空閥管徑DN40。在正常運(yùn)行時(shí)，兩路低壓氧路線不同時(shí)使用，在空分二期正常運(yùn)行時(shí)，低壓氧泵運(yùn)行正常采用低壓氧泵進(jìn)行外供，當(dāng)二期空分停車檢修時(shí)，采用高壓氧氣管網(wǎng)的高壓氧進(jìn)行節(jié)流減壓外供低壓氧。

圖1 低壓氧外送工藝路線簡(jiǎn)圖

其中，調(diào)節(jié)閥（FV01337A）是以流量（FIC-01337A）為參照進(jìn)行調(diào)節(jié)，F(xiàn)T01337流量點(diǎn)設(shè)計(jì)在SV01397安全閥前，屬于空分界內(nèi)低壓氧氣外送管網(wǎng)；低壓氧管網(wǎng)壓力點(diǎn)PT01337設(shè)計(jì)在流量點(diǎn)FT01337前，放空閥（FV01337B）在外送調(diào)節(jié)閥FV01337A閥前，以外送調(diào)節(jié)閥（FV01337A）前壓力（PT01337）為參照進(jìn)行自調(diào)。低壓氧外送和放空均在低壓氧外送止回閥前，只能調(diào)節(jié)內(nèi)部管網(wǎng)壓力，而低壓氧外送止回閥后的外管網(wǎng)，因止回閥的存在而無法調(diào)節(jié)。在一套乙二醇裝置生產(chǎn)時(shí)，若乙二醇裝置跳車而酯化塔切氧，只需切斷低壓氧的外送，將低壓氧氣進(jìn)行放空，低壓氧泵降低出口流量，打回流即可；當(dāng)后續(xù)帶動(dòng)兩套乙二醇裝置時(shí)，一套乙二醇酯化塔故障，低壓氧外送無法進(jìn)行切斷，為保證另一套乙二醇裝置的正常運(yùn)行，必須保持低壓氧的持續(xù)外送，關(guān)小外送閥，同時(shí)打開放空閥，降低外送流量，但因操作范圍小，時(shí)間短，間隔時(shí)間只有7～8 s，單純的調(diào)節(jié)放空閥（FV01337B）無法及時(shí)對(duì)止回閥后管網(wǎng)壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，只要乙二醇一廠或乙二醇二廠的一臺(tái)酯化塔切氧都會(huì)造成兩套乙二醇裝置另外3臺(tái)酯化塔因氧壓升高而觸發(fā)氧壓高聯(lián)鎖跳車。

5 優(yōu)化處理方法與實(shí)際應(yīng)用

鑒于以上的情況分析，如需保證后續(xù)兩套乙二醇裝置的長(zhǎng)周期運(yùn)行，解決兩套乙二醇同時(shí)跳車的現(xiàn)象，則必須對(duì)此問題進(jìn)行解決優(yōu)化。此問題的根源在于低壓氧外送后管網(wǎng)的壓力無法及時(shí)進(jìn)行泄 壓[3]。對(duì)于此問題，公司曾提出如下解決方法。

5.1 增加放空閥及放空消音器

在兩套乙二醇裝置前，即空分裝置低壓氧外送外管網(wǎng)上，低壓氧外送止回閥V01349后的管線上增加放空閥、放空消音器和壓力點(diǎn)，放空閥選用壓力調(diào)節(jié)閥，使用低壓氧外管網(wǎng)管線的壓力點(diǎn)進(jìn)行自行調(diào)節(jié)[4]。當(dāng)一套乙二醇裝置出現(xiàn)跳車，低壓氧管網(wǎng)壓力增高時(shí)可通過壓力點(diǎn)調(diào)節(jié)管網(wǎng)放空閥進(jìn)行放空，從而降低至管網(wǎng)正常壓力[5]，保證另一套乙二醇的正常運(yùn)行。但此法從設(shè)計(jì)、采購、到現(xiàn)場(chǎng)安裝等，時(shí)間較長(zhǎng)，同時(shí)費(fèi)用較為高昂，在裝置正常運(yùn)行時(shí)安裝施工難度大，無法保證氧氣管線工藝交出和隔離；若等待停車檢修時(shí)，因一二期高壓氧氣的互連互通，必須將公司所有裝置進(jìn)行停車檢修，才可施工。

5.2 取消止回閥

因無法及時(shí)對(duì)低壓氧后管網(wǎng)進(jìn)行加裝放空閥，公司曾考慮取消止回閥V01349，使用放空閥（FV01337B）進(jìn)行調(diào)節(jié)管網(wǎng)壓力。但當(dāng)外送止回閥取消時(shí)，若一套乙二醇裝置出現(xiàn)跳車，整個(gè)低壓氧氣管網(wǎng)壓力增高，容易造成低壓氧泵汽蝕、不打量，甚至出現(xiàn)低壓氧跳泵等風(fēng)險(xiǎn)，從而影響整個(gè)低壓氧氣系統(tǒng)，不僅無法保障另一臺(tái)乙二醇的運(yùn)行，更是影響整個(gè)二期空分裝置的正常運(yùn)行[6]，為此此法無法采用。

5.3 更換止回閥位置或現(xiàn)有放空位置

因取消V01349止回閥此法不可取，公司提出更換止回閥位置或現(xiàn)有放空位置，將止回閥更換至FV01337A外送調(diào)節(jié)閥前，或?qū)⒎趴臻yFV01337B安裝至止回閥后[7]，但因影響空分裝置界區(qū)內(nèi)的低壓氧系統(tǒng)，無法保證低壓氧系統(tǒng)的正常運(yùn)行，同時(shí)施工條件困難，施工條件苛刻，亦未采取。

5.4 修改FV01337A外送閥控制邏輯

因上述方法均無法實(shí)現(xiàn)，為優(yōu)化此問題，保證兩臺(tái)乙二醇裝置的正常運(yùn)行，減少跳車事件，公司提出修改自控閥門的控制邏輯，經(jīng)過分析，參照高壓氧減低壓氧外送調(diào)節(jié)方法進(jìn)行嘗試，將空分低壓氧外送調(diào)節(jié)閥（FV01337A）以原來的流量（FIC-01337A）為參照改為以后續(xù)管網(wǎng)壓力（PI-37030）為參照進(jìn)行調(diào)節(jié)，低壓氧放空閥（FV01337B）以外送調(diào)節(jié)閥（FV01337A）前壓力（PT01337）為參照閥門投自動(dòng)進(jìn)行自調(diào)，修改后的閥門邏輯及外送工藝流程如圖2所示。

圖2 修改閥門邏輯后的工藝路線簡(jiǎn)圖

同時(shí)，采用相應(yīng)的操作方法：當(dāng)乙二醇酯化塔故障切氧后空分中控分離主操發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)壓力（PI-37030）上升及時(shí)關(guān)外送調(diào)節(jié)閥（FV01337A），分離副操根據(jù)外送調(diào)節(jié)閥（FV01337A）前壓力（PT01337）開放空閥（FV01337B）調(diào)節(jié)氧壓，開關(guān)閥門時(shí)注意氧壓和氧泵電流，防止氧泵汽蝕不打量。同時(shí)此優(yōu)化改造方法實(shí)施簡(jiǎn)單，運(yùn)行過程中即可更改[8]，中控畫面在后期停車后進(jìn)行更改即可，投資成本低，還省時(shí)省力，現(xiàn)場(chǎng)施工亦方便。

5.5 閥門控制邏輯修改后運(yùn)行情況

2021年4月29日19:34，乙二醇一廠因晃電而跳車，兩臺(tái)酯化塔迅速切氧，將近4 000 m3·h-1氧退回至低壓氧管網(wǎng)，低壓氧管網(wǎng)壓力（PI-37030）急劇上升，二期空分分離主操發(fā)現(xiàn)后根據(jù)管網(wǎng)壓力[9]（PI-37030）迅速將外送調(diào)節(jié)閥（FV01337A）由51%關(guān)至37%，空分分離副操根據(jù)外送調(diào)節(jié)閥（FV01337A）前壓力（PT01337）將放空閥（FV01337B）由45.7%開至96.3%，低壓氧管網(wǎng)壓力（PI-37030）由0.499 MPa最高升至0.539 MPa，未達(dá)到乙二醇酯化塔氧壓高聯(lián)鎖值0.65 MPa，避免了乙二醇二廠因酯化塔觸發(fā)氧壓高聯(lián)鎖而跳車[10]，確保了乙二醇二廠的穩(wěn)定運(yùn)行，從而解決了因一套乙二醇跳車而導(dǎo)致另一套乙二醇跳車的現(xiàn)象。

6 結(jié) 論

空分裝置的產(chǎn)品外送，是影響整條工藝產(chǎn)線平穩(wěn)運(yùn)行的關(guān)鍵，必須保障空分裝置的每條產(chǎn)品外送管線的正常運(yùn)行，才能保證整個(gè)公司的生產(chǎn)裝置的平穩(wěn)。隨著企業(yè)的產(chǎn)業(yè)鏈的不斷延長(zhǎng)，發(fā)展不斷的壯大，不僅原有的工藝設(shè)計(jì)及參數(shù)將不適用于現(xiàn)有的生產(chǎn)狀態(tài)，閥門控制邏輯也必須對(duì)其進(jìn)行不斷的優(yōu)化和改造，從而保證裝置產(chǎn)品的正常外送和控制。通過簡(jiǎn)單地修改閥門控制邏輯，即解決了任何一臺(tái)酯化塔切氧另外的酯化塔因氧壓高而觸發(fā)氧壓高聯(lián)鎖跳車的問題，不僅保證了乙二醇裝置的穩(wěn)定運(yùn)行，也優(yōu)化了空分的工況，提高了操作人員的技術(shù)水平，為公司節(jié)約了開停車費(fèi)用，創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)效益。

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Optimization and Control Transformation of Low Pressure Oxygen Delivery System in Air Separation Unit

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（Henan Longyu Coal Chemical Co., Ltd., Yongcheng Henan 476600, China）

In the large-scale chemical industry chain, the air separation unit is the source of the industry chain, and all kinds of gas products provided are distributed in the follow-up units. The slight failure of the product delivery system and control system will affect the operation of the follow-up units, and even the tripping of the whole industry chain. How to ensure the normal delivery of products is the top priority of the operation of the production units. In this paper, the optimization transformation of low-pressure oxygen delivery and control system of air separation unit were briefly analyzed and summarized.

Air separation; Low pressure oxygen; Delivery; Control system; Optimization

2021-08-18

劉志強(qiáng)（1991-），男，河南省舞鋼市人，助理工程師，2015年畢業(yè)于永城職業(yè)學(xué)院應(yīng)用化工專業(yè)，研究方向：大型空分裝置工藝技術(shù)。

王利聰（1989-），男，工程師，研究方向：化工機(jī)械。

TQ022.11+3

A

1004-0935（2022）03-0354-04