高壓板翅式換熱器液空通道堵塞原因分析及處理效果

田 偉，顧培軍，段志棟

（山西中煤平朔能源化工有限公司，山西 朔州 036000）

引言

空分裝置冷箱系統(tǒng)換熱器換熱能力和通過能力好壞，對于空分設(shè)備能否長期保持高效低耗、安全穩(wěn)定的運行至關(guān)重要。而侵入冷箱系統(tǒng)的各種雜質(zhì)，如水分、CO2、分子篩粉末、珠光砂、機械雜質(zhì)等，在氣流的夾帶作用下，往往最終堵塞在換熱器通道中造成換熱器阻力上升、換熱效果降低，對空分裝置的產(chǎn)品產(chǎn)量、產(chǎn)品純度及安全穩(wěn)定性造成很大的影響，嚴(yán)重時甚至引發(fā)事故[1-2]。

1 裝置介紹

中煤平朔能源化工有限公司空分裝置（KDON-32000/60000）由四川空分集團公司設(shè)計制造。該裝置采用單泵內(nèi)壓縮流程，由一托二空壓機組、原動機為汽輪機、分子篩吸附凈化、增壓透平膨脹機制冷、液氧內(nèi)壓縮、精餾系統(tǒng)配置粗氬塔和粗氬冷凝器、DCS 控制系統(tǒng)等組成。裝置于2016 年5 月調(diào)試完成，產(chǎn)出合格的氧氮產(chǎn)品。

2 空分裝置工藝流程及調(diào)試存在問題

2.1 工藝流程

裝置采用第六代空氣分離設(shè)備，內(nèi)壓縮流程，原料空氣自空氣過濾器過濾掉其中的機械雜質(zhì)、粉塵后進(jìn)入原料空壓機組壓縮至0.5 MPa 后進(jìn)入預(yù)冷系統(tǒng)。在預(yù)冷系統(tǒng)中被冷卻水洗滌和降溫至8 ℃送入分子篩純化系統(tǒng)，經(jīng)分子篩吸附劑去除空氣中的水、乙炔、CO2及一些碳?xì)浠衔锏?。純化后的精餾加工空氣，一部分直接進(jìn)入冷箱系統(tǒng)低壓換熱器，被返流氣體冷卻至接近液化溫度后進(jìn)入下塔參與精餾，另一部分進(jìn)入空氣增壓機系統(tǒng)。在空氣增壓機中，一段抽氣0.8 MPa作為儀表氣送至管網(wǎng)；二段抽氣2.7 MPa 進(jìn)入膨脹機的增壓端增壓，經(jīng)冷卻后進(jìn)入冷箱系統(tǒng)的高壓主換熱器，被返流氣體及液氧冷卻到一定溫度后，進(jìn)入增壓透平膨脹機的膨脹端膨脹，膨脹后的空氣進(jìn)入下塔，末級7.0 MPa 高壓空氣去冷箱系統(tǒng)的高壓板翅式換熱器被返流氣體及液氧冷卻、液化、節(jié)流后進(jìn)入下塔。

參與精餾的加工空氣全部進(jìn)入冷箱系統(tǒng)，在下塔上部得到0.45 MPa 產(chǎn)品氮氣，復(fù)熱后送至用戶；在上塔頂部得到低壓25 kPa 產(chǎn)品氮氣，復(fù)熱后送至氮氣壓縮機加壓至3.0 MPa 送至用戶；上塔底部（主冷）得到液氧，去工藝液氧泵加壓后進(jìn)入高壓板翅式換熱器，高壓液氧汽化復(fù)熱后成為高壓產(chǎn)品氧氣送至用戶。

本裝置雖沒有純氬產(chǎn)品的生產(chǎn)要求，但是為了提高氧產(chǎn)品的收率以及提高氧產(chǎn)品的純度，配置了氬塔精餾系統(tǒng)，在粗氬塔頂部得到粗氬氣，在低壓主換熱器復(fù)熱后送入水冷塔[1]。見圖1。

圖1 空分裝置工藝流程圖

2.2 存在問題

2017 年4 月，空分裝置計劃性短停車，停車后現(xiàn)場打開增壓機末級冷卻器（氣走管程、水走殼程）氣側(cè)導(dǎo)淋，發(fā)現(xiàn)大量循環(huán)水排出，初步判斷由冷卻器管束內(nèi)漏造成，隨后立即將冷卻器進(jìn)行隔離檢修，經(jīng)打壓檢查發(fā)現(xiàn)75 根管束內(nèi)漏，并進(jìn)行堵漏處理。2017 年10 月，生產(chǎn)系統(tǒng)停車搶修，空分裝置停運后再次發(fā)現(xiàn)增壓機末冷卻器器泄漏，本次排查內(nèi)漏管束115根，并進(jìn)行堵漏（換熱器總管束740 根，兩次堵漏共計190 根）。

本次正常開車后，裝置負(fù)荷受到嚴(yán)重影響，產(chǎn)品氮氣取出量明顯減少，嚴(yán)重偏離設(shè)計值，冷箱系統(tǒng)高壓換熱器熱端溫差變大，氧氣通道跑冷嚴(yán)重。在之后的運行期間，增壓機末級冷卻器第三次出現(xiàn)內(nèi)漏，增壓空氣大量漏入循環(huán)水側(cè)，增壓機末級排氣壓力由設(shè)計值7.0 MPa 降至6.2 MPa，只能維持裝置低負(fù)荷運行。2018 年1 月，增壓機末級排氣壓力斷崖式下降，由6.2 MPa 下降至5.4 MPa，末級冷卻器內(nèi)漏加重，已無法滿足裝置運行要求，2 月被迫停車，更換末級冷卻器管束?？辗盅b置增壓機末級冷卻器見圖2。

圖2 空分裝置增壓機末級冷卻器

2.3 故障原因分析

針對本次裝置出現(xiàn)的故障異?，F(xiàn)象，對空分設(shè)備的運行工況進(jìn)行了認(rèn)真的分析，排查情況如下：

1）由于增壓機末級冷卻器管束因循環(huán)水水質(zhì)原因腐蝕穿孔造成撕裂，或是管口腐蝕減薄引起的內(nèi)泄漏等因素。

2）由于氣側(cè)管線排出大量的水，裝置再次開車時管線內(nèi)殘存的水分或雜質(zhì)會隨正流空氣帶入冷箱系統(tǒng)進(jìn)入高壓換熱器液空通道。

3）此前增壓機末級冷卻器多次出現(xiàn)內(nèi)漏的情況，循環(huán)水帶入冷箱高壓板翅式換熱器后一直未進(jìn)行徹底加溫和極速反吹，殘留在系統(tǒng)中的污堵物導(dǎo)致?lián)Q熱效果逐漸惡化。

4）冷卻器內(nèi)漏進(jìn)入高壓空氣中的循環(huán)水成分較為復(fù)雜，可能有腐蝕性雜質(zhì)被帶入高壓板翅式換熱器在液空通道形成的冰堵和污堵。

5）檢查高壓板翅式換熱器膨脹空氣通道壓差及含水量均在正常指標(biāo)，液氧通道阻力比對試車時指標(biāo)正常。

6）分子篩后純化空氣含水量和CO2含量均在正常值，低壓板式換熱器阻力及熱端溫差均在正常指標(biāo)，排除了低板異常的可能性。

3 處理方案及措施

3.1 處理方案

內(nèi)壓縮流程空分是該行業(yè)應(yīng)用最普遍的煤化工生產(chǎn)技術(shù)之一，空分采用內(nèi)壓縮流程，液氧、液氮經(jīng)液體泵壓縮后在高壓板翅式換熱器內(nèi)與高壓空氣換熱汽化后送往下游裝置，所以高壓板翅式換熱效果直接影響到整個系統(tǒng)生產(chǎn)負(fù)荷及能耗。傳統(tǒng)解決高壓板翅式換熱器內(nèi)異物的方法是對整個系統(tǒng)進(jìn)行加溫吹掃，但高壓板翅式換熱器高壓空氣通道和膨脹空氣通道沒有設(shè)置專門的吹掃口，對換熱器內(nèi)存在的異物無法通過普通加溫吹掃的方法進(jìn)行徹底清除，不能從根本上解決高壓板翅式換熱器堵塞問題。表1 為高板故障狀態(tài)和正常狀態(tài)重要參數(shù)對照。

表1 高板故障狀態(tài)和正常狀態(tài)重要參數(shù)對照

本裝置高壓板翅式換熱器采用單臺進(jìn)口（FIVES）產(chǎn)品，為多層板翅式換熱器，各通道中的冷、熱流體通過翅片和隔板進(jìn)行換熱，液氧從主冷氧側(cè)引出，經(jīng)液氧泵加壓后，在高壓板翅式換熱器分別與空氣增壓機二段出口2.7 MPa 和三段段出口7.0 MPa 的加壓空氣換熱，液氧氣化至3.6 MPa 后送入氧氣管網(wǎng)。從上塔上部引出的污氮氣經(jīng)過冷器和高壓板翅式換熱器復(fù)熱后出冷箱去水冷塔[2]。具體流程見圖3。

圖3 高壓板翅式換熱器各通道流程簡圖

經(jīng)過全方面分析判斷，計劃利用系統(tǒng)大修期間采取反吹的方法對高板液空通道進(jìn)行徹底吹掃，同時對高板其他通道也進(jìn)行吹掃，盡可能消除各個通道存在的污堵，從而讓空分裝置的運行效果得到充分的改善。

3.2 處理措施

2021 年4 月，公司利用大修機會，對空分裝置進(jìn)行常規(guī)復(fù)熱36 h，同時對高板進(jìn)行反吹（在此期間低壓換熱器正常吹掃），具體反吹方案如下：

3.2.1 反吹前的準(zhǔn)備

1）緩慢關(guān)閉高壓液空節(jié)流閥HV-171501、增壓機末級送氣閥HIC-171066，現(xiàn)場打開高壓液空吹除閥V171402，將高壓液空通道降壓至無壓力。

2）在高壓空氣進(jìn)冷箱盡量靠近冷箱合適位置對管道進(jìn)行開孔，開孔完成后必須清理干凈開孔產(chǎn)生的鐵屑等機械雜質(zhì)，開孔處增加DN150 管道與主管道承壓相同增加并增加DN150 常溫蝶閥（用于快速開關(guān),不斷改變通道流速），吹掃工作完成后拆除該新增換線及閥門，管道口加堵板并焊接牢靠。

3）臨時管道施工，現(xiàn)場將增壓機二段送氣閥FIC-171063 關(guān)閉，增壓機二段至膨脹機增壓端管線壓力排盡，膨脹機增壓端進(jìn)口管線處增加盲板，防止吹掃氣體進(jìn)入膨脹機增壓端。

4）將兩臺膨脹機增壓端回流閥拆除，閥前管道法蘭處分別連接DN50 臨時管與氧氣通道吹除閥V-171401 和高壓液空吹除閥V-171402 對接，對接完成后關(guān)閉該閥。

5）臨時管道可提前預(yù)置，嚴(yán)格脫脂、吹掃干凈后通過法蘭連接。

3.2.2 反吹工藝處置（見圖4）

圖4 反吹工藝處置示意圖

第一流路，現(xiàn)場將新增DN150 常溫碟閥全開，高壓空氣導(dǎo)淋閥V-171402 打開，膨脹機增壓端入口閥緩慢打開；確認(rèn)關(guān)閉高壓液空節(jié)流閥HV-171501，關(guān)閉增壓機末級送氣閥HIC-171066，緩慢打開增壓機二段送氣閥FIC-171063 控制流量約20 000 m3/h，壓力約2.0 MPa 進(jìn)行反吹掃。

第二流路，中控確認(rèn)氧氣管線放空閥PCV-171405 開至50%，現(xiàn)場關(guān)閉氧泵出口閥截止閥，打開液氧管線導(dǎo)淋閥V-171401，緩慢打開增壓機二段送氣閥FIC-171063 控制流量約20 000 m3/h，壓力約2.0 MPa。通過氧氣放空閥PCV-171405 開度大小控制吹掃氣量，要保持壓降小于0.3 MPa。

第三流路，將增壓端出口閥關(guān)閉，脫開閥后法蘭并加擋板，增壓端入口管線盲板已就位，緩慢打開增壓機二段送氣閥FIC-171063 控制流量約20 000 m3/h，壓力約2.0 MPa。

反向吹掃的流速必須達(dá)到或者超過20 m/s，否則效果將大打折扣，第一流路（高壓液空通道）在吹掃過程中為連續(xù)性吹掃120 h，第二流路檢測露點合格后切換至第三流路進(jìn)行吹掃。

輔助高壓板式復(fù)溫（污氮通道）吹掃流路，盡可能多的將污氮氣通過高壓板翅式換熱器污氮通道經(jīng)FCV-171405 去水冷塔。

4 處理后效果

經(jīng)過本次冷箱系統(tǒng)較大幅度加溫以及對高壓板翅式換熱器液空通道、液氧通道、膨脹空氣通道的復(fù)溫及吹掃，且嚴(yán)格按反吹方案及節(jié)點執(zhí)行，圓滿地完成了本次反吹任務(wù)。高壓板翅式換熱器各通道檢測露點及多次打靶實驗均合格。高壓液空通道露點-76.7℃，膨脹空氣通道露點-78.4 ℃，液氧通道露點-77.9 ℃。

2021 年5 月，生產(chǎn)系統(tǒng)大修完成，空分裝置熱態(tài)開車，產(chǎn)出合格產(chǎn)品氧氣、氮氣，徹底解決了高壓板翅式換熱器氧側(cè)跑冷的異常現(xiàn)象，高板熱端溫差恢復(fù)至設(shè)計范圍，冷量回收充分，各項工藝參數(shù)（見表2）均在正常范圍。

表2 反吹后運行工況重要參數(shù)

5 結(jié)語

空分裝置高壓板翅式換熱器換熱效果是否良好,回收冷量是否充分，是正常的生產(chǎn)的主要制約因素。如果換熱器內(nèi)的污堵物不能被有效吹除,勢必影響空分設(shè)備長周期安全、穩(wěn)定運行和公司的長期經(jīng)濟效益。經(jīng)過公司技術(shù)人員對故障的正確分析、判斷以及大膽嘗試,成功地解決了高壓板翅式換熱器液空通道污堵故障，增加了空分裝置操作人員對空分設(shè)備的認(rèn)知能力,增強了對異常情況的分析、判斷以及處理的方法，從而使操作人員在空分設(shè)備管理和維護方面積累了寶貴的經(jīng)驗。