VPSA 制氧設(shè)備的檢修體系化管理和優(yōu)化

高 博，辛庚嘉

（陽谷祥光銅業(yè)有限公司，山東聊城 252300）

0 引言

變壓吸附制氧工藝（VPSA）具有啟動(dòng)快、能耗低、操作簡單、負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)調(diào)整范圍大及維修簡單等特點(diǎn)，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于有色金屬冶煉、黑色金屬冶煉、化工造氣、富氧燃燒、醫(yī)療、污水處理、紙漿漂白、碳黑生產(chǎn)、醫(yī)用保健等領(lǐng)域。以其在減少占地面積、節(jié)省總體投資、降低成本、節(jié)約能耗的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)幫助企業(yè)生存發(fā)展。

2011 年7 月，祥光銅業(yè)制氧車間引進(jìn)了4 套VPSA 系統(tǒng)，其設(shè)備主體包括鼓風(fēng)機(jī)、真空泵（含電機(jī)、減速機(jī)）、液壓泵站、程控執(zhí)行機(jī)構(gòu)、管道氧氣增壓機(jī)、循環(huán)水水泵等。

在實(shí)際運(yùn)行中，VPSA 系統(tǒng)存在一些問題，如電耗值大、程控閥故障率高等，無法滿足工藝需求。如此大規(guī)模的VPSA 變壓吸附系統(tǒng)在國內(nèi)的制氧設(shè)備中尚屬首例，而在國內(nèi)的變壓吸附空分設(shè)備系統(tǒng)中，都存在著能耗較高的情況。進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)備組合配置，并通過有效的設(shè)備維護(hù)和改進(jìn)，減少設(shè)備故障率，提增系統(tǒng)產(chǎn)能，對(duì)VPSA 系統(tǒng)深層次節(jié)能降耗，設(shè)備常態(tài)化生產(chǎn)運(yùn)行有著重大意義。針對(duì)VPSA 變壓吸附系統(tǒng)中機(jī)械設(shè)備的優(yōu)化展開研究，通過優(yōu)化設(shè)備選型，設(shè)備常態(tài)化維護(hù)等諸多方面進(jìn)行剖析，改善設(shè)備單位耗能，使設(shè)備持續(xù)平穩(wěn)運(yùn)行。

1 VPSA 主要機(jī)械設(shè)備類別及功用

1.1 類別及功用

VPSA 制氧系統(tǒng)主要包括鼓風(fēng)機(jī)、真空泵、切換閥、吸附器和氧氣平衡罐。

（1）鼓風(fēng)機(jī)：鼓風(fēng)機(jī)在風(fēng)口處裝有管道，使風(fēng)力集中，持續(xù)提供一定的供氣壓力，為制氧提供條件。鼓風(fēng)機(jī)為整個(gè)系統(tǒng)提供原料空氣，根據(jù)變壓吸附制氧設(shè)備的設(shè)計(jì)工況，結(jié)合用戶的使用條件，選擇排氣壓力符合設(shè)計(jì)條件的鼓風(fēng)機(jī)供氣。

（2）真空泵：其工作時(shí)需要前級(jí)循環(huán)水泵的配合，可以在較大的壓力范圍內(nèi)有較大的抽速，對(duì)氧氣中含有的灰塵和水蒸氣不敏感。通過水環(huán)式泵體的真空度調(diào)整，結(jié)合泵的連續(xù)旋轉(zhuǎn)，以保持真空。真空泵保證吸附系統(tǒng)正常解析，使其處于理想真空狀態(tài)，與鼓風(fēng)配合，使整體設(shè)備能完成連續(xù)吸氮產(chǎn)氧工作。

（3）切換閥：為安裝在儲(chǔ)冷氣熱端的氣動(dòng)開關(guān)閥。該裝置可以有效避免低壓裝置的損壞，可以滿足高低壓測(cè)試需要。

（4）吸附器：該系統(tǒng)由2 只內(nèi)裝沸石分子篩吸附劑的吸附塔和管道閥門等組成。工藝空氣從其中一只吸附塔底部進(jìn)入，當(dāng)流經(jīng)吸附劑層時(shí)，空氣中的氮?dú)?、二氧化碳、水蒸汽等被吸附，氧氣則通過吸附床層匯集到吸附塔頂部作為產(chǎn)品氣輸出。與此同時(shí)，另一只吸附塔處于再生工況，當(dāng)進(jìn)行吸附的吸附塔快達(dá)到吸附飽和時(shí)，在控制系統(tǒng)的干預(yù)下，工藝空氣轉(zhuǎn)而進(jìn)到已完成再生的吸附塔開始吸附產(chǎn)氧。2 只吸附塔如此交替輪流實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)氧氣的目的。

（5）氧氣平衡罐：由于兩塔流程的VPSA 制氧工藝與三塔流程相比，其產(chǎn)品氧氣輸出不連續(xù)，因而需要1 臺(tái)體積較大的緩沖罐，以滿足連續(xù)輸出氧氣。

1.2 關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行分析

VPSA 真空變壓吸附制氧設(shè)備主要為：鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、真空泵系統(tǒng)、儀表氣系統(tǒng)、氧氮分離系統(tǒng)、氧氣平衡系統(tǒng)、氧氣增壓系統(tǒng)以及電氣控制系統(tǒng)。鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)不可避免地產(chǎn)生較大振動(dòng)，為了降低振動(dòng)對(duì)后續(xù)設(shè)備的影響，也為了降低振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲，在鼓風(fēng)機(jī)的進(jìn)出口要安裝配對(duì)的彈性接頭以及波紋管接頭。真空泵系統(tǒng)包括真空泵主體及配套電機(jī)、旁路氣動(dòng)切換蝶閥及手動(dòng)蝶閥、波紋管接頭及密封軟化水裝置等，它的存在是為了在負(fù)壓真空狀態(tài)下有更好的解吸再生效果。儀表氣在自動(dòng)控制切換過程中，氣動(dòng)蝶閥和氣動(dòng)調(diào)節(jié)蝶閥需要0.5～0.8 MPa 的儀表氣源作為氣缸驅(qū)動(dòng)力，因而要保證儀表氣源的氣壓是關(guān)鍵。氧氣平衡系統(tǒng)是為了減緩吸附塔壓力波動(dòng)過大和穩(wěn)定產(chǎn)品氣壓的主要措施。氧氣增壓系統(tǒng)主要對(duì)產(chǎn)品氧氣進(jìn)行增壓以達(dá)到用戶用氣壓力并輸送給氧氣儲(chǔ)罐。在生產(chǎn)中，上述設(shè)備都要保證能夠正常運(yùn)行，不被污染，沒有被堵塞，可調(diào)節(jié)氧氣的流量，以免發(fā)生意外。

2 設(shè)備優(yōu)化改造

（1）對(duì)真空泵運(yùn)行系統(tǒng)進(jìn)行改造?，F(xiàn)有真空泵為水環(huán)式真空泵，設(shè)計(jì)抽氣能力為57 600 m3/h，電機(jī)功率為1250 kW，為目前國內(nèi)最大的真空泵。由于負(fù)荷大，軸承使用壽命短，只有12 個(gè)月左右。通過重新設(shè)計(jì)，改變真空泵軸承座結(jié)構(gòu)及加工方式，將軸承壽命提高到18 個(gè)月。同時(shí)根據(jù)真空泵工藝邏輯對(duì)減速機(jī)進(jìn)行速比改造，降低系統(tǒng)損耗2%，每年可節(jié)約用電2000 kW·h。

（2）對(duì)鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的改造。目前鼓風(fēng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)為54 000 m3/h，電機(jī)功率為1400 kW，采用二元流葉輪設(shè)計(jì)方法。經(jīng)研究決定采用更優(yōu)化的三元流風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)方法，在不改變鼓風(fēng)機(jī)主體結(jié)構(gòu)的前提下對(duì)鼓風(fēng)機(jī)葉輪進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，改造后鼓風(fēng)機(jī)的流量將提高到65 000 m3/h。

（3）三偏心程控蝶閥參照工藝實(shí)際，部分調(diào)整為中線對(duì)稱閥體，為國內(nèi)大型變壓吸附技術(shù)的發(fā)展提供新的實(shí)踐參考依據(jù)，促進(jìn)VPSA 在冶金行業(yè)的應(yīng)用和推廣。

（4）液壓程控系統(tǒng)的優(yōu)化改造。目前配置：閥組，單一換向閥；主油缸推動(dòng)輔助油缸；蓄能器，10 MPa，為系統(tǒng)配置。優(yōu)點(diǎn)：反應(yīng)速度快。缺點(diǎn)：單一執(zhí)行器的壓力不可控，壓降較大，穩(wěn)定性無法保證；沖擊力大，會(huì)牽制于主油缸的阻塞而導(dǎo)致閥組的不動(dòng)作。

增加項(xiàng)目：減壓閥（外泄式）、壓力表、液控單向閥、單向節(jié)流閥、電磁閥電源線等其他附件對(duì)應(yīng)配套。更改項(xiàng)目：三位四通換向閥、雙缸體平行式供油，增加液壓軟管，三通接頭。優(yōu)點(diǎn)：穩(wěn)定供壓，不因外界壓降導(dǎo)致單一執(zhí)行系統(tǒng)的動(dòng)作不到位；增強(qiáng)動(dòng)作協(xié)調(diào)性和可控性；所有液壓系統(tǒng)執(zhí)行裝置可根據(jù)自身扭力需求調(diào)整壓力。要求：保持液壓油的清潔，定期更換液壓油；保證液壓焊接位置的密封性；系統(tǒng)壓力提升后，其他執(zhí)行器工藝位置也需要增加減壓閥，以防止由此可能造成的高振動(dòng)；目前系統(tǒng)允許調(diào)壓到10 MPa，可以保證目前改進(jìn)的基礎(chǔ)。

3 設(shè)備基礎(chǔ)維護(hù)與系統(tǒng)性維修

3.1 離心式鼓風(fēng)機(jī)

（1）故障及原因：用電中斷后，負(fù)荷側(cè)軸承合金被燒毀。主要原因是潤滑油站油壓不足導(dǎo)致潤滑不良。

（2）處理方案：①更換負(fù)荷端軸瓦：按照裝置安裝手冊(cè)技術(shù)規(guī)格，頂部間隙為0.18～0.24 mm，推力間隙0.30～0.50 mm。解體檢修對(duì)新軸瓦進(jìn)行研刮，轉(zhuǎn)子連續(xù)旋轉(zhuǎn)幾次，以確保軸瓦落位良好，涂紅丹粉檢查該位置，軸瓦與軸的接觸面積在70%以上，尖端間隙測(cè)量墊0.20 mm，推力間隙為0.40 mm，滿足技術(shù)要求；②重新對(duì)聯(lián)軸器找中心：根據(jù)制造商的安裝說明，要求該機(jī)組徑向偏移公差±0.06 mm，軸向容差±0.06 mm。調(diào)整后徑向偏差≤0.045 mm、軸向偏離≤0.04 mm，滿足技術(shù)要求。

3.2 水環(huán)式真空泵

（1）故障及原因：4 臺(tái)減速機(jī)運(yùn)行8 個(gè)月后，內(nèi)部出現(xiàn)異響，拆開檢查發(fā)現(xiàn)滾動(dòng)軸承發(fā)生點(diǎn)蝕。原因有：①潤滑油污染、黏度改變，導(dǎo)致潤滑性能降低，滾動(dòng)元件或滾道表面產(chǎn)生疲勞裂紋；②4 臺(tái)減速機(jī)的板式熱交換器傳熱性差，經(jīng)常堵塞，導(dǎo)致油溫上升/油壓力低，不能保證設(shè)備的正常和穩(wěn)定的操作。

（2）處理方案：①齒輪油抽樣檢驗(yàn)（理化和鐵譜分析），發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)黏度為405 cSt（40 ℃），嚴(yán)重超標(biāo)（機(jī)油的黏度應(yīng)為198～242 cSt，黏度指數(shù)70，沒有達(dá)到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，且含有大量25～50 μm 的金屬粒，存在質(zhì)量問題。更換軸承，清洗循環(huán)油泵，并更換潤滑油為美孚（ISOVG220）相同質(zhì)量的黏度；②原始換熱器采用了整體式設(shè)計(jì)，不能進(jìn)行清洗。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)水質(zhì)，適當(dāng)增加其散熱面積（10%～20%），修改為可拆洗板式冷卻器，取得了良好的效果。

3.3 關(guān)建設(shè)備基礎(chǔ)維修

制氧設(shè)備的最大原則是確保生產(chǎn)安全，保證設(shè)備的溫度、壓力、流量處于正常狀態(tài)。采用電氣設(shè)備在線檢測(cè)技術(shù)，以提高預(yù)測(cè)風(fēng)險(xiǎn)的能力。提高轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備的潤滑，以保證設(shè)備的安全運(yùn)行。

VPSA 系統(tǒng)發(fā)生故障往往是由于以下原因：①閥門系統(tǒng)故障；②振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)混亂；③儀表空氣故障；④純水系統(tǒng)中斷；⑤外部電網(wǎng)波動(dòng)。

3.4 設(shè)備檢修管理

設(shè)備并不是檢查的越頻繁，故障就越少，需要根據(jù)實(shí)際情況來制定檢修計(jì)劃。對(duì)旋轉(zhuǎn)設(shè)備采取狀態(tài)維修模式，靜態(tài)設(shè)備要采取定期巡檢模式。此外，根據(jù)保養(yǎng)維修頻率的影響，及時(shí)調(diào)整在線監(jiān)測(cè)。

根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)VPSA 制氧設(shè)備維修的管理進(jìn)行研究之后，檢修管理安排如下：①每季度開展對(duì)鼓風(fēng)機(jī)和真空泵減速機(jī)的潤滑排查，重點(diǎn)為風(fēng)機(jī)軸瓦和減速機(jī)齒輪點(diǎn)蝕情況；②季度開展對(duì)吸附塔A/B 的維護(hù)，重點(diǎn)為各處閥門閥桿，執(zhí)行器齒輪齒條等；③每年開展對(duì)程控閥檢測(cè)維護(hù)，重點(diǎn)是檢查閥板、密封、執(zhí)行機(jī)構(gòu)磨損、卡澀情況等，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整；④每年對(duì)DCS、儀控設(shè)備等開展一次綜合排查，重點(diǎn)為更換老化元器件、運(yùn)行記錄維護(hù)、程序備份確認(rèn)等；⑤每年對(duì)真空泵軸承、減速機(jī)、液壓站、稀油站油品進(jìn)行檢測(cè)更換，每季度對(duì)以上潤滑部位進(jìn)行補(bǔ)油。

4 總結(jié)

VPSA 系統(tǒng)在運(yùn)行中會(huì)受到各個(gè)方面的影響。當(dāng)前對(duì)VPSA的研究多數(shù)是在具體工作中，實(shí)驗(yàn)研究影響其工作效率的具體參數(shù)。

本文介紹了VPSA 的優(yōu)化研究，針對(duì)企業(yè)實(shí)際用氧需求、在不改變主要設(shè)備主體的前提下，利用空氣動(dòng)力學(xué)、機(jī)械原理、自動(dòng)化控制、流體動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)等相關(guān)理論工具對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行重新設(shè)計(jì)改造，以達(dá)到降低能耗、提高設(shè)備壽命的目的。