某氮氧站聯(lián)鎖停車(chē)故障分析研究

楊曉靜 楊潞鋒 王天祥 陳 強(qiáng)

（航天低溫推進(jìn)劑技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100028）

1 概述

為保障某型火箭的推進(jìn)劑加注需求，在某發(fā)射場(chǎng)配套建設(shè)了氮氧站。氮氧站空分裝置采用成熟的分子篩凈化、串聯(lián)增壓雙膨脹、空氣循環(huán)制冷、雙塔精餾工藝流程，采用一套帶增壓透平膨脹機(jī)和循環(huán)壓縮機(jī)的分子篩吸附流程的全精餾空分裝置，具備液氧3.5m3/h或液氮5m3/h的生產(chǎn)能力。本文主要對(duì)在某型火箭首飛前推進(jìn)劑生產(chǎn)時(shí)出現(xiàn)的氮氧站突然聯(lián)鎖停車(chē)故障進(jìn)行分析研究，確定故障原因，為故障的解決和后續(xù)任務(wù)的生產(chǎn)保障提供參考。

2 氮氧站空分裝置工藝流程

原料空氣在空氣過(guò)濾器中去除灰塵和機(jī)械雜質(zhì)后，進(jìn)入原料空氣壓縮機(jī)壓縮，并由冷卻器冷卻；進(jìn)入空氣預(yù)冷機(jī)組降溫后，再進(jìn)入兩只相互切換使用的分予篩吸附器，吸附掉空氣中的H2O、CO2、C2H2等有害雜質(zhì)。凈化后的加工空氣與部份膨脹后復(fù)熱的空氣混和，經(jīng)中壓空氣壓縮機(jī)壓縮，抽出一股進(jìn)主換熱器換熱，冷卻后抽出進(jìn)高溫膨脹機(jī)膨脹，膨脹后返流空氣經(jīng)主換熱器復(fù)熱后回到循環(huán)空氣壓縮機(jī)前。另一股經(jīng)高低溫膨脹機(jī)兩次增壓后進(jìn)入冷箱，經(jīng)主換熱器冷卻后的空氣一股從主換熱器中部抽出，進(jìn)入低溫膨脹機(jī)膨脹后再分為兩部分，其中一部分送入下塔，另一部經(jīng)主換熱器復(fù)熱后出冷箱回到循環(huán)空氣壓縮機(jī)前；另一段空氣進(jìn)入主換熱器后，被返流產(chǎn)品氣體冷卻后經(jīng)節(jié)流進(jìn)入下塔。

空氣經(jīng)下塔初步精餾后，在下塔獲得液空、污液氮和純液氮。從下塔抽取液空、污液氮和純液氮，經(jīng)過(guò)液空液氮過(guò)冷器過(guò)冷后節(jié)流進(jìn)入上塔不同部位。經(jīng)上塔進(jìn)一步精餾后，在上塔底部獲得純度為99.6%的液氧產(chǎn)品出冷箱送往液氧貯槽。也可抽取一部份液氮作為產(chǎn)品出冷箱。從上塔頂部獲得污氮?dú)?，?jīng)過(guò)冷器、主換熱器復(fù)熱后出冷箱，進(jìn)入電加熱器作為分子篩的再生氣體，多余部分放空。

空分裝置工藝流程如圖1所示。

圖1 空分裝置工藝流程簡(jiǎn)圖

3 故障情況及分析

3.1 故障情況

某年8月11日，氮氧站開(kāi)機(jī)生產(chǎn)液氮，故障出現(xiàn)前生產(chǎn)過(guò)程正常，同年9月18日01時(shí)28分，在生產(chǎn)負(fù)荷、工藝控制參數(shù)正常狀態(tài)下，循環(huán)壓縮機(jī)突然自動(dòng)卸載停機(jī)，聯(lián)鎖作用下，空分裝置聯(lián)鎖停車(chē)。停車(chē)后，調(diào)取各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，循環(huán)壓縮機(jī)二級(jí)壓縮機(jī)入口溫度TE120溫度由45℃上升至74.4℃，超過(guò)聯(lián)鎖報(bào)警設(shè)定值，高溫報(bào)警，聯(lián)鎖循環(huán)壓縮機(jī)停車(chē)，由此導(dǎo)致整套裝置停車(chē)。

3.2 故障定位及原因分析

3.2.1 故障定位

根據(jù)故障情況，可知整套裝置停車(chē)的直接原因是循環(huán)壓縮機(jī)二級(jí)壓縮機(jī)入口溫度TE120高溫報(bào)警，聯(lián)鎖循環(huán)壓縮機(jī)停機(jī)，并由此導(dǎo)致空分裝置停車(chē)。要確定裝置停機(jī)，需分析導(dǎo)致循環(huán)壓縮機(jī)二級(jí)壓縮機(jī)入口溫度TE120溫度超高報(bào)警的各種可能原因。結(jié)合系統(tǒng)工藝流程，TE120溫度超高報(bào)警的原因如下：TE120溫度傳感器自身故障；循環(huán)壓縮機(jī)入口進(jìn)氣溫度高；氣體在循環(huán)壓縮機(jī)內(nèi)溫度升高。

（1）TE120溫度傳感器自身故障

裝置停車(chē)后，通過(guò)調(diào)取循環(huán)壓縮機(jī)停機(jī)前的運(yùn)行趨勢(shì)，TE120溫度傳感器測(cè)量溫度維持在45℃，停車(chē)后，TE120溫度傳感器測(cè)量溫度為設(shè)備停放環(huán)境溫度，可以排除TE120溫度傳感器自身故障原因。

（2）循環(huán)壓縮機(jī)入口進(jìn)氣溫度高

裝置停車(chē)后，通過(guò)調(diào)取循環(huán)壓縮機(jī)故障前上游各溫度測(cè)點(diǎn)的氣體溫度運(yùn)行趨勢(shì)，氣體溫度維持在45℃以下，可以排除循環(huán)壓縮機(jī)入口進(jìn)氣溫度高原因。

（3）氣體在循環(huán)壓縮機(jī)內(nèi)溫度升高

裝置停車(chē)后，調(diào)取生產(chǎn)記錄，檢查故障前壓縮機(jī)冷卻水循環(huán)系統(tǒng)供水情況及壓縮機(jī)工作電壓、電流，均處于正常狀態(tài)，可排除循環(huán)冷卻水系統(tǒng)故障及壓縮機(jī)工況變動(dòng)導(dǎo)致氣體溫升的情況。調(diào)取閥位動(dòng)作趨勢(shì)記錄，MS1202分子篩入口V1214閥出現(xiàn)過(guò)非正常打開(kāi)，打開(kāi)~2s后，循環(huán)壓縮機(jī)電流值由~130A開(kāi)始下降，循環(huán)壓縮機(jī)卸載，系統(tǒng)壓力由0.5MPa泄壓至~0。調(diào)取DCS系統(tǒng)報(bào)警記錄，發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)卸載后，分子篩再生氣體流量小于1500Nm3/h，低流量報(bào)警；精餾塔上塔壓力高于73kPa，高壓報(bào)警；期間壓縮機(jī)二級(jí)壓縮機(jī)入口溫度TE120溫度由45℃逐漸上升至74.4℃，高溫報(bào)警。

綜合上述數(shù)據(jù)及情況可確定在故障發(fā)生時(shí)，由于MS1202分子篩入口V1214閥非正常開(kāi)啟，正常狀態(tài)下進(jìn)入循環(huán)壓縮機(jī)的氣體流量~23000Nm3/h，實(shí)際進(jìn)入循環(huán)壓縮機(jī)的氣體量~18000Nm3/h，迅速降為0Nm3/h，大部分氣體經(jīng)V1214閥排放，在壓縮機(jī)功率不變的情況下，氣體在壓縮機(jī)內(nèi)增壓升溫至74.4℃，導(dǎo)致高溫報(bào)警。同時(shí)由于2個(gè)分子篩共用一根放空管，自MS1202分子篩V1214泄出的大量氣體占據(jù)放空管，導(dǎo)致MS1201分子篩的再生氣流排放中斷，精餾塔上塔壓力出現(xiàn)驟升，高壓報(bào)警。因此，導(dǎo)致循環(huán)壓縮機(jī)停機(jī)的故障原因可確定為MS1202分子篩入口V1214閥非正常開(kāi)啟導(dǎo)致循環(huán)壓縮機(jī)因二級(jí)壓縮機(jī)入口溫度超高報(bào)警聯(lián)鎖停機(jī)?，F(xiàn)需要進(jìn)一步確定V1214閥非正常打開(kāi)的原因。

3.2.2 原因分析

為去除原料空氣中的H2O、CO2、O2等雜質(zhì)，本空分裝置設(shè)置了兩套分子篩吸附器MS1201及MS1202，成對(duì)交替使用，通過(guò)氣動(dòng)閥開(kāi)關(guān)控制，實(shí)現(xiàn)一只工作、另一只再生，分子篩吸附器工藝流程圖（見(jiàn)圖2）。出現(xiàn)故障時(shí)，MS1202處于工作狀態(tài)，MS1201處于再生狀態(tài)。MS1202入口的V1214閥主要用于MS1202再生時(shí)，將污氮引入MS1202，進(jìn)行分子篩的活化，在裝置啟動(dòng)前，也可用凈化空氣進(jìn)行分子篩吹除。在MS1202分子篩吸附器處于正常工作狀態(tài)時(shí)，V1214閥應(yīng)處于程序關(guān)閉狀態(tài)，來(lái)自預(yù)冷機(jī)組的空氣自V1202凈化后去往循環(huán)壓縮機(jī)，加壓后送往下游裝置。該閥門(mén)為氣動(dòng)閥，由二位五通電磁閥控制閥門(mén)操作氣的輸送，進(jìn)行的閥門(mén)開(kāi)閉操作。二位五通電磁閥采用單電控電磁閥，供氣正常下，加電，氣動(dòng)閥門(mén)打開(kāi)，斷電，電磁閥在彈簧作用下復(fù)位，氣動(dòng)閥關(guān)閉，電磁閥線圈兩端電壓為0V。

圖2 分子篩吸附器工藝流程圖

現(xiàn)場(chǎng)V1214閥及DCS控制柜控制線路原理圖如圖3所示。DCS控制柜中FA模塊用于巡檢來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)的開(kāi)關(guān)量，將收集到的開(kāi)關(guān)量送給DCS的DI模塊，正常由DCS的 DI（數(shù)字量輸入）模塊供24VDC或者單獨(dú)由24VDC供電（兩路同時(shí)供電存在不良影響）。FB模塊用于接收DCS-DO模塊的控制信號(hào)啟閉繼電器KA給相應(yīng)氣動(dòng)閥門(mén)電磁閥供電或斷電，由24VDC供電。在正常工作狀態(tài)下，當(dāng)DCS-DO模塊發(fā)出加電信號(hào)，F(xiàn)B模塊繼電器KA1閉合，V1214閥電磁閥形成通路，電磁閥線圈兩端電壓為24VDC，當(dāng)DCS-DO模塊發(fā)出斷電信號(hào)，F(xiàn)B模塊繼電器KA1斷開(kāi)，V1214閥電磁閥通路斷開(kāi)，電磁閥線圈兩端等電勢(shì)，電壓為0V。本應(yīng)關(guān)閉的閥出現(xiàn)非正常打開(kāi)表明V1214閥電磁閥非正常加電，電磁閥線圈兩端有電壓，V1214閥不受程序控制，非正常打開(kāi)。在排除了電磁閥自身故障后，檢查外部環(huán)境影響因素。在停車(chē)狀態(tài)下，分子篩所有閥門(mén)全部關(guān)閉（即所有閥門(mén)線圈為斷電狀態(tài)），用萬(wàn)用表直流電壓檔，測(cè)量V1214線圈兩端，發(fā)現(xiàn)有16VDC電壓，在DCS控制柜內(nèi)，安全隔離柵輸出側(cè)將V1214閥與現(xiàn)場(chǎng)斷開(kāi)后，V1214閥線圈兩端16VDC 電壓消失，可判斷該16VDC 電壓來(lái)自中控室DCS柜。檢查DCS控制供電系統(tǒng)，確認(rèn)該16VDC電壓來(lái)自DCS柜子的FA模塊。由圖3可知，在FB模塊的繼電器斷開(kāi)下，V1214閥的電磁閥線圈正負(fù)極間電位差本應(yīng)為0，而實(shí)際上出現(xiàn)了電位差，電路已經(jīng)形成了通路。V1214閥的電磁閥線圈與DCS-DI模塊-16V負(fù)極連接，當(dāng)電磁閥線圈正極與地導(dǎo)通時(shí)，正極電勢(shì)為0V，電磁閥線圈兩端的電位差為16V，與實(shí)測(cè)情況相符。對(duì)比裝置正常生產(chǎn)和出現(xiàn)故障時(shí)的生產(chǎn)條件：裝置本身并無(wú)變化，出現(xiàn)故障時(shí)外部環(huán)境條件的變化是正值雨天。現(xiàn)場(chǎng)檢查防爆接線盒，接線盒內(nèi)進(jìn)水，接線端子與盒體間的絕緣已被破壞，與大地形成通路，符合理論分析與實(shí)測(cè)情況。更換防爆接線盒后，故障消失。由此可確定裝置出現(xiàn)停車(chē)的原因是V1214閥電磁閥防爆接線盒受潮進(jìn)水導(dǎo)致絕緣失效，而引起的V1214閥異常打開(kāi)，導(dǎo)致循環(huán)壓縮機(jī)吸入氣量減少，二級(jí)壓縮機(jī)進(jìn)口溫度高溫報(bào)警聯(lián)鎖循環(huán)壓縮機(jī)停車(chē)，進(jìn)而導(dǎo)致整套空分裝置停車(chē)。

圖3 V1214閥及DCS控制柜控制線路原理圖

4 整改措施及效果

根據(jù)故障原因，對(duì)裝置進(jìn)行相應(yīng)整改。

（1）更換防爆接線盒，調(diào)整防爆接線盒的進(jìn)出線，防止水分進(jìn)入或積聚。（2）取消FA模塊的24VDC供電，確保FA模塊接線正確。（3）舉一反三，復(fù)查整套裝置氣動(dòng)閥門(mén)的接線狀態(tài)，更換可能存在問(wèn)題的部件。

裝置整改后，重新啟動(dòng)，連續(xù)生產(chǎn)1個(gè)月，期間有多次雨天及晴天交替，裝置均正常運(yùn)行，未出現(xiàn)故障。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)某氮氧站聯(lián)鎖停車(chē)故障進(jìn)行分析研究，并進(jìn)行實(shí)測(cè)驗(yàn)證，確認(rèn)氮氧站出現(xiàn)聯(lián)鎖停車(chē)故障的原因，據(jù)此進(jìn)行整改，取得了良好的效果。根據(jù)故障發(fā)生的情況，結(jié)合當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境條件，在后續(xù)任務(wù)的生產(chǎn)保障過(guò)程中，建議在生產(chǎn)前對(duì)裝置的室外電氣設(shè)備、電氣接口以及接地電阻加強(qiáng)檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障隱患和整改，在生產(chǎn)過(guò)程中，特別在雨季加強(qiáng)對(duì)室外電氣設(shè)備防護(hù)。