空分裝置主冷液位不漲的原因分析與解決措施

李宏陽(yáng),張偉華

(中海石油華鶴煤化有限公司， 黑龍江鶴崗 154100)

中海石油華鶴煤化有限公司(簡(jiǎn)稱華鶴公司)配有1套KDON-45000/53500型空分裝置，采用分子篩吸附凈化、增壓膨脹機(jī)空氣進(jìn)下塔、雙塔精餾、氧氮產(chǎn)品氣內(nèi)壓縮的工藝流程。2020年7月全廠停車大修結(jié)束后，空分裝置開車運(yùn)行，運(yùn)行穩(wěn)定后出現(xiàn)主冷凝蒸發(fā)器(E01301)氧液位(簡(jiǎn)稱主冷液位)不足。提高膨脹機(jī)負(fù)荷，加大制冷量后，主冷液位仍不能滿足后系統(tǒng)滿負(fù)荷氧氣用量。經(jīng)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，確認(rèn)高壓板式換熱器(E01302A/B)空氣管線出現(xiàn)堵塞，通過(guò)負(fù)荷調(diào)整維持運(yùn)行，直到2021年7月檢修期間，空分裝置加溫吹掃完成，工況恢復(fù)正常。

1 異常工況現(xiàn)象

2020年7月，空分裝置檢修后開車，按照操作規(guī)程正常啟動(dòng)后，空分裝置運(yùn)行正常，未出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)。隨著空分裝置運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，在維持氧氣體積流量為35 000 m3/h、未進(jìn)行特殊操作的情況下，主冷液位出現(xiàn)下降；將膨脹機(jī)負(fù)荷加滿，裝置冷量依舊不足，后系統(tǒng)多次出現(xiàn)被迫減負(fù)荷、減少用氧量的情況。膨脹機(jī)負(fù)荷調(diào)整前后數(shù)據(jù)見表1。

2 主冷液位下降原因分析

分析主冷液位下降的原因可能為：

(1) 主冷液位計(jì)(LI01302)失真。該液位計(jì)在使用期間出現(xiàn)間歇性故障，有可能是信號(hào)傳輸導(dǎo)致的液位下降。聯(lián)系儀表專業(yè)人員對(duì)該液位計(jì)聯(lián)鎖切除后進(jìn)行檢查，確認(rèn)液位計(jì)變送器信號(hào)正常，因此排除液位計(jì)失真導(dǎo)致主冷液位下降的情況。

表1 膨脹機(jī)負(fù)荷調(diào)整前后數(shù)據(jù)

(2) 氧氮產(chǎn)品氣取出量過(guò)大?？辗盅b置氧氮產(chǎn)品氣取出量增大，而進(jìn)塔加工空氣量沒(méi)有增加，出現(xiàn)入不敷出的現(xiàn)象，導(dǎo)致空分裝置冷量不足，體現(xiàn)為主冷液位下降。檢查運(yùn)行工況發(fā)現(xiàn)后系統(tǒng)生產(chǎn)負(fù)荷無(wú)變化，氧氮產(chǎn)品氣取出量沒(méi)有增加。因此，排除氧氮產(chǎn)品氣取出量過(guò)大導(dǎo)致主冷液位下降的情況。

(3) 冷箱內(nèi)設(shè)備發(fā)生泄漏。冷箱內(nèi)設(shè)備管線發(fā)生大量氣體泄漏，冷箱保護(hù)氣壓力升高，從冷箱呼吸帽處會(huì)冒出大量冷氣，如果發(fā)生的是液體泄漏，則冷箱的基礎(chǔ)溫度會(huì)出現(xiàn)大幅度下降。從集散控制系統(tǒng)(DCS)畫面趨勢(shì)觀察，冷箱保護(hù)氣壓力點(diǎn)穩(wěn)定，無(wú)上漲情況，基礎(chǔ)溫度也未發(fā)生大幅度下降。對(duì)冷箱內(nèi)氣體進(jìn)行取樣分析，冷箱上部氣體含氧體積分?jǐn)?shù)為7.1%，中部氣體含氧體積分?jǐn)?shù)為13.1%，下部氣體含氧體積分?jǐn)?shù)為17.1%。氣體含量與每周常規(guī)樣品檢測(cè)數(shù)值基本一致，從冷箱外觀觀察，主冷箱外表面未見結(jié)霜位置，因此排除冷箱內(nèi)設(shè)備發(fā)生泄漏導(dǎo)致主冷液位下降的情況。

(4) 膨脹機(jī)制冷效率下降。膨脹機(jī)的總制冷量與單位制冷量和膨脹量有關(guān)，單位制冷量與膨脹機(jī)膨脹端的進(jìn)出口壓力及進(jìn)口溫度有關(guān)，所以通過(guò)調(diào)整膨脹機(jī)的進(jìn)氣量、轉(zhuǎn)速、進(jìn)出口壓力及進(jìn)口溫度，能夠發(fā)揮膨脹機(jī)的制冷效率。主冷液位下降后，膨脹機(jī)工況已進(jìn)行調(diào)整且達(dá)到了超高負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，冷量不足的異常狀態(tài)有所改善，但是在膨脹機(jī)超高的負(fù)荷下，才能維持35 000 m3/h的氧氣體積流量，而且出現(xiàn)白天降、晚上微漲的情況，與裝置滿負(fù)荷45 000 m3/h的氧氣體積流量差距很大，懷疑增壓端出口進(jìn)入高壓板式換熱器的熱態(tài)空氣管線發(fā)生堵塞，導(dǎo)致?lián)Q熱器效率下降。

(5) 熱端溫差大，冷量損失增加。通過(guò)查找檢修前高壓板式換熱器運(yùn)行的熱端氣體數(shù)據(jù)，與現(xiàn)在的運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)熱端溫差增加了5 K左右，板式換熱器的冷量損失增加了，損失的冷量已經(jīng)大于膨脹機(jī)的制冷量，導(dǎo)致在膨脹機(jī)超高負(fù)荷下運(yùn)行仍不能滿足現(xiàn)有的產(chǎn)品量輸出。高壓板式換熱器數(shù)據(jù)對(duì)比見表2。

表2 高壓板式換熱器數(shù)據(jù)

通過(guò)以上原因分析，判斷高壓板式換熱器空氣管線發(fā)生堵塞。由于各裝置剛剛檢修完成啟動(dòng)運(yùn)行，空分裝置通過(guò)操作調(diào)整可以維持基本生產(chǎn)能力，因此決定特護(hù)運(yùn)行，觀察各指標(biāo)變化趨勢(shì)。若運(yùn)行指標(biāo)惡化，則申請(qǐng)裝置停車。

3 維持生產(chǎn)的措施

為了維持裝置生產(chǎn)，通過(guò)不斷調(diào)整參數(shù)，總結(jié)出一套操作方法維持穩(wěn)定生產(chǎn)直到2021年7月裝置停車檢修加溫。具體操作方法為：

(1) 操作原則為維持35 000 m3/h氧氣體積流量，工況不做大幅度調(diào)整，維持預(yù)冷系統(tǒng)冷水機(jī)運(yùn)行，調(diào)整空冷塔出口空氣溫度≤16 ℃。

(2) 分子篩均壓期間，及時(shí)開大空壓機(jī)導(dǎo)葉補(bǔ)充氣量，均壓結(jié)束后，及時(shí)關(guān)回導(dǎo)葉，避免空壓機(jī)排氣壓力過(guò)高和進(jìn)低壓板式換熱器氣量過(guò)大。分子篩切換運(yùn)行初期，如果低壓板式換熱器(E01303A/B/C/D/E)冷端空氣溫度≥-162 ℃，及時(shí)將高壓板式換熱器污氮?dú)庹{(diào)整到低壓板式換熱器，將溫度控制在-164～-168 ℃。

(3) 運(yùn)行期間空冷塔出口壓力控制在0.491～0.496 MPa。

(4) 膨脹機(jī)膨脹端進(jìn)口溫度控制在-102～-110 ℃，轉(zhuǎn)速控制在19 800～20 300 r/min。

4 解決措施

4.1 系統(tǒng)復(fù)熱

系統(tǒng)排液，空分裝置停車后，投用蒸汽噴射器，排凈上、下層主冷，下塔液空，小液氮罐，氧、氮泵內(nèi)液體，開大噴射蒸汽量，緩慢全開排液閥門，現(xiàn)場(chǎng)拉警戒線。液體排空后靜置2 h，總排液時(shí)間可控制在6 h內(nèi)。

按照正常精餾塔引氣步驟，向精餾塔內(nèi)引熱空氣，空分裝置復(fù)熱前期必須嚴(yán)格控制進(jìn)塔氣量，反流污氮?dú)忾y門不能過(guò)早開啟，否則會(huì)造成低壓板式換熱器跑冷。以上塔壓力≤50 kPa為界限，適當(dāng)開反流污氮?dú)忾y門。此次復(fù)熱初期，反流污氮?dú)忾y門開得稍早，造成低壓板式換熱器溫度最低約為-10 ℃。

空分裝置復(fù)熱時(shí)不需要開下塔去上塔啟動(dòng)管線閥門，根據(jù)主冷升溫速率，打開上、下層主冷排液閥，保持下塔和主冷之間端面溫差≤30 K，均勻緩慢上升，復(fù)溫后期2個(gè)閥門保持全開至復(fù)溫結(jié)束。下塔和液氮管線排液導(dǎo)淋前期根據(jù)溫度調(diào)整開度，后期始終保持1/3開度。

當(dāng)精餾系統(tǒng)各溫度點(diǎn)升至-140 ℃時(shí)，溫度上漲緩慢，主要因?yàn)榫s系統(tǒng)塔內(nèi)冷量通過(guò)高低壓板式換熱器反復(fù)回收，冷箱積聚系統(tǒng)內(nèi)不能及時(shí)排冷。該階段應(yīng)盡量開大現(xiàn)場(chǎng)精餾系統(tǒng)外排導(dǎo)淋，將系統(tǒng)內(nèi)冷量盡量排放至外界，同時(shí)做好警戒隔離措施。

進(jìn)口膨脹機(jī)膨脹端復(fù)熱時(shí)，需要嚴(yán)格控制進(jìn)口膨脹機(jī)進(jìn)口氣體積流量≤2 000 m3/h，否則進(jìn)口膨脹機(jī)會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)速。加溫流路為：增壓端進(jìn)口閥旁路→增壓端出口閥→膨脹端進(jìn)口閥→加溫吹除導(dǎo)淋，用旁路閥控制，其余閥門全開。如果膨脹機(jī)出現(xiàn)轉(zhuǎn)速，可適當(dāng)關(guān)小增壓端出口閥和膨脹端進(jìn)口閥。

高壓板式換熱器可與系統(tǒng)一起復(fù)熱，三段空氣高壓節(jié)流閥門(HV01308)在測(cè)溫點(diǎn)溫度(TI01322)≤-20 ℃前可以打開向精餾系統(tǒng)導(dǎo)氣，用來(lái)復(fù)熱污氮、低壓氮、氧氮?dú)夤芫€，TI01322>-20 ℃時(shí)需要關(guān)閉三段空氣高壓節(jié)流閥門，因?yàn)楦邏嚎諝夤?jié)流會(huì)產(chǎn)生冷量導(dǎo)致精餾系統(tǒng)溫度上漲緩慢。

復(fù)溫后期，精餾塔下塔液位調(diào)節(jié)閥(LV01301)、液氮進(jìn)上塔調(diào)節(jié)閥(HV01302)、污液氮進(jìn)上塔調(diào)節(jié)閥(FV01303)、貧液空進(jìn)上塔調(diào)節(jié)閥(HV01304)、粗氬塔液位調(diào)節(jié)閥(LV01309)、低壓板式換熱器污氮?dú)庹{(diào)節(jié)閥(PV01332)、低壓板式換熱器粗氬氣調(diào)節(jié)閥(FV01333)、低壓板式換熱器氧氣調(diào)節(jié)閥(FV01334)、高壓板式換熱器污氮?dú)庹{(diào)節(jié)閥(PV01331)全開。

復(fù)熱流程見圖1。

4.2 系統(tǒng)吹掃

在冷箱內(nèi)各測(cè)溫點(diǎn)溫度達(dá)到0 ℃以上時(shí)，由加溫階段轉(zhuǎn)為吹掃階段。先吹掃高壓板式換熱器。如果先吹掃低壓板式換熱器，其體積流量(100 000 m3/h)會(huì)導(dǎo)致低壓板式換熱器空氣進(jìn)下塔溫度(TI01301)降低，影響整體復(fù)熱效果。

吹掃時(shí)應(yīng)集中氣量分別對(duì)低壓板式換熱器污氮管線、高壓板式換熱器污氮管線、低壓氮?dú)夤芫€、高壓氧氣管線、高壓氮?dú)夤芫€分別進(jìn)行吹掃。

吹掃流路為：

(1) 污氮?dú)鈱?dǎo)至高壓板式換熱器，全開PV01331，關(guān)小PV01332，控制上塔壓力≤50 kPa，高壓板式換熱器污氮?dú)夥?組吹掃。第1組：全開E01302A污氮?dú)馔馑褪珠y(V01315A/B)→PV01331，全關(guān)E01302B污氮?dú)馔馑褪珠y(V01316A/B)，吹掃12 h，關(guān)閉閥門時(shí)注意上塔壓力。第2組：全開V01316A/B→PV01331，全關(guān)V01315A/B，吹掃12 h，關(guān)閉閥門時(shí)注意上塔壓力。

(2) 污氮?dú)鈱?dǎo)至低壓板式換熱器，全開PV01332，關(guān)小PV01331，控制上塔壓力≤50 kPa，吹掃12 h。

(3) 高壓空氣旁通氧氣管線，全開高壓空氣旁通總閥(V01374B)→高壓空氣旁通高壓氧氣管線閥門(V01375B)→高壓氧氣放空調(diào)節(jié)閥(FV01339B)放空，吹掃18 h，全開閥門的總氣體積流量為5 500 m3/h左右。

(4) 高壓空氣旁通氮?dú)夤芫€，全開V01374B→高壓空氣旁通高壓氮?dú)夤芫€閥門(V01376B)→高壓氮?dú)夥趴照{(diào)節(jié)閥(FV01336B)放空，吹掃18 h，全開閥門的總氣體積流量為5 500 m3/h左右。

(5) 低壓氮?dú)夤芫€吹掃，低壓氮?dú)夥趴照{(diào)節(jié)閥(FV01335B)閥門開大，體積流量取13 000 m3/h左右吹掃。

(6) 進(jìn)口膨脹機(jī)冷端吹掃，增壓端進(jìn)口閥(V01451)→增壓端出口閥(V01454)→膨脹端進(jìn)口閥(V01461)→膨脹端吹除閥(V01483)，用旁路閥控制，其余閥門全開，以膨脹機(jī)無(wú)轉(zhuǎn)速為原則，控制吹掃氣體積流量≤2 000 m3/h。如果膨脹機(jī)出現(xiàn)轉(zhuǎn)速，可以適當(dāng)關(guān)小V01454、V01461保持小開度，通過(guò)旁路閥控制氣量。

(7) 國(guó)產(chǎn)膨脹機(jī)冷端吹掃，增壓端進(jìn)口閥(V01452)→增壓端出口閥(V01456)→膨脹端進(jìn)口閥(V01462)→膨脹端吹除閥(V01484)，用旁路閥控制，其余閥門全開，以膨脹機(jī)無(wú)轉(zhuǎn)速為原則，控制吹掃氣體積流量≤2 000 m3/h，如果膨脹機(jī)出現(xiàn)轉(zhuǎn)速，可以適當(dāng)關(guān)小V01456、V01462，保持小開度，通過(guò)旁路閥控制氣量。

吹掃污氮?dú)夤芫€與氧氮?dú)夤芫€同時(shí)進(jìn)行，共計(jì)36 h；三段壓力提至6.0 MPa,吹掃氧氣管線時(shí)，氮?dú)夤芫€放空閥關(guān)閉，吹掃氮?dú)夤芫€時(shí)，氧氣管線放空閥關(guān)閉。

儀表點(diǎn)吹掃，在吹掃過(guò)程中，打開精餾塔下塔壓差表(PDI01301)、精餾塔上塔壓差表(PDI01302)、粗氬塔壓差表(PDI01303)、精餾塔下塔液位計(jì)(LIC01301)、主冷下層液位計(jì)(LI01302)、主冷上層液位計(jì)(LI01303)、粗氬塔液位計(jì)(LIC01309)，現(xiàn)場(chǎng)變送器處就地吹除管，進(jìn)行吹掃。

在各吹掃點(diǎn)進(jìn)行露點(diǎn)分析，連續(xù)2次露點(diǎn)≤-60 ℃為吹掃合格。開車后運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比見表3。

表3 空分冷箱復(fù)溫前后主要數(shù)據(jù)對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

空分裝置復(fù)熱后，各工藝參數(shù)恢復(fù)到正常運(yùn)行指標(biāo)，膨脹機(jī)運(yùn)行工況得到優(yōu)化，板式換熱器熱端溫差縮小，主冷液位在35 000 m3/h的氧氣體積流量下，膨脹機(jī)正常負(fù)荷運(yùn)行即可滿足生產(chǎn)。膨脹機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行能夠?qū)⒀鯕怏w積流量取到45 000 m3/h，滿足氣化爐在線切換的條件，徹底解決了由于板式換熱器堵塞導(dǎo)致主冷液位不漲的問(wèn)題，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)加溫吹掃的方法進(jìn)行了總結(jié)優(yōu)化，為以后的工藝操作提供了技術(shù)參考。