合成氨裝置氨冰機跳車原因分析及解決

陳海庭，王 許

(中海石油化學(xué)股份有限公司，海南 東方 572600)

0 引 言

中海石油化學(xué)股份有限公司富島一期1 000 t/d合成氨裝置于1996年10月建成投產(chǎn)，主生產(chǎn)系統(tǒng)包括天然氣轉(zhuǎn)化、變換、脫碳、甲烷化、氨合成等系統(tǒng)。其中，氨冰機作為氨合成系統(tǒng)的重要設(shè)備，一直是單機運行模式，設(shè)計轉(zhuǎn)速為9 900 r/min、實際運行轉(zhuǎn)速為9 540 r/min，其作用主要是為氨合成系統(tǒng)提供冷量，并按一定的溫度、流量輸送成品液氨，氨冰機能否正常穩(wěn)定運行關(guān)乎整套合成氨裝置的效能。氨冰機驅(qū)動透平為三菱公司制造的抽汽背壓式蒸汽透平，壓縮機為日立公司制造的水平剖分三段離心式壓縮機，低壓缸為壓縮機一段，高壓缸為壓縮機二段、三段；壓縮機軸封型式為機械油密封，低壓缸采用平衡盤平衡軸向推力，高壓缸采用背靠背設(shè)計；機組徑向軸承采用可傾瓦式，推力軸承采用金斯伯雷式；機組控制系統(tǒng)現(xiàn)為康吉森公司的TS3000系統(tǒng)，工藝系統(tǒng)聯(lián)鎖集成在合成氨裝置安全儀表系統(tǒng)(SIS)，本機聯(lián)鎖和調(diào)速系統(tǒng)則集成在TS3000系統(tǒng)，防喘振控制系統(tǒng)集成在DCS。自1996年投運以來，氨冰機總體運行穩(wěn)定。2005年，原料空氣壓縮機低壓缸(02K001)一段入口增設(shè)冷卻系統(tǒng)，使用液氨作為冷卻介質(zhì)，空冷系統(tǒng)氨冷卻器(02E006)來的氣氨進入氨氣壓縮機低壓缸(09K001)二段入口；2008年，原控制系統(tǒng)WOODWARD的515調(diào)速器升級為TRICONEX公司的TRICON系統(tǒng)。近年來，氨冰機在成功啟動后短時間內(nèi)多次出現(xiàn)跳車事故，嚴重影響了上下游系統(tǒng)的開車運行，找到氨冰機跳車原因并予以徹底解決尤為重要。以下對有關(guān)情況作一介紹。

1 最近兩次氨冰機跳車事故簡介

(1)2018年6月13日07:00，氨冰機啟動過程中升速至3 000 r/min時發(fā)生密封油氣壓差低聯(lián)鎖跳車(油氣壓差指標為180 kPa，聯(lián)鎖設(shè)定值為50 kPa)。經(jīng)分析與排查，確認本次事故是氣動調(diào)節(jié)器(PDIC09055)控制失穩(wěn)造成油氣壓差失控所致，后經(jīng)調(diào)整PI參數(shù)，PDIC09055控制恢復(fù)穩(wěn)定。

(2)2018年6月13日08:30，氨冰機重啟過程中快達到最小控制轉(zhuǎn)速8 492 r/min時，氣動調(diào)節(jié)器(PDIC09055)控制失穩(wěn)跳車，用夾具限制密封油回油調(diào)節(jié)閥(PV09059)不能下關(guān)后，在線更換氣動調(diào)節(jié)器，重新整定PI參數(shù)，控制恢復(fù)穩(wěn)定；氨冰機再次開車后，升速過程中開氣氨閥時工況出現(xiàn)較大波動，觸發(fā)密封油泵雙泵運行(正常生產(chǎn)時密封油泵一開一備)，將PDIC09055打為手動模式穩(wěn)定差壓，再次投自動后其差壓波動仍較大，聯(lián)系工藝人員緩慢關(guān)小前截止閥后密封油回油調(diào)節(jié)閥(PV09059)、增大油氣差壓調(diào)節(jié)閥開度，PDIC09055輸出穩(wěn)定，油氣差壓也恢復(fù)穩(wěn)定。

2 氨冰機跳車原因分析與排查

2017年以前氨冰機油氣壓差一直比較穩(wěn)定，但2017年以來正常生產(chǎn)中氨冰機油氣壓差易出現(xiàn)異常波動，當油氣壓差在175～190 kPa區(qū)間時，密封油回油調(diào)節(jié)閥(PV09059)閥位約50%，氣動調(diào)節(jié)器(PDIC09055)處于穩(wěn)定調(diào)節(jié)區(qū)間，但一旦油氣差壓超出175～190 kPa區(qū)間，PDIC09055輸出壓力就易波動，造成調(diào)節(jié)閥失調(diào)，從而引起油氣差壓聯(lián)鎖動作。現(xiàn)場使用的控制回路中，差壓變送器、就地調(diào)節(jié)器等均為老式氣動型產(chǎn)品，而氣動器件在控制過程中存在一定的傳遞滯后與測量精度不高等問題。工藝設(shè)計中，PDIC09055的給定值為180 kPa，現(xiàn)場變送器測量值波動范圍在150～220 kPa之間，這對于PDIC09055的給定范圍來說過于巨大，導(dǎo)致調(diào)節(jié)器內(nèi)部的P、I調(diào)節(jié)無法做到穩(wěn)定被調(diào)參數(shù)與消除余差。據(jù)工藝人員反映與現(xiàn)場觀察得知，氨冰機油氣壓差波動較為頻繁，要想穩(wěn)定油壓則需PV09059動作不能有較大的滯后性，這就要求閥門定位器應(yīng)具有較快的動作速度以及調(diào)節(jié)精度，而現(xiàn)場使用的老式氣動定位器并不能滿足工藝控制要求。

統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2015年、2016年、2017年、2018年、2019年、2020年氨冰機控制油電磁閥(SV09073)線圈電阻值(一年測1次)分別為211.5 Ω、214.3 Ω、224.2 Ω、240.3 Ω、255.7 Ω、268.2 Ω?？梢钥吹?，電磁閥線圈電阻值在2016年后開始出現(xiàn)異常增大現(xiàn)象，詢問工藝操作人員后得知SV09073在近些年發(fā)生過若干次電磁閥不帶電情況下復(fù)位手柄未能成功復(fù)位的事故。經(jīng)分析與討論，得出結(jié)論，SV09073常年工作在高溫環(huán)境下，內(nèi)部線圈電阻已出現(xiàn)異常增大現(xiàn)象，而線圈電阻增大則極有可能會導(dǎo)致電磁閥動作異常，通過更換電磁閥是能夠有效解決電磁閥動作異常問題的。近年來氨冰機跳車可能原因與排查情況梳理見表1。

3 解決方案及可行性分析

排查情況表明，氨冰機跳車的可能原因主要有兩方面--油氣差壓調(diào)節(jié)器失調(diào)、電磁閥動作異常，需通過對比分析制定相應(yīng)的解決方案。

3.1 解決方案選擇

3.1.1 油氣差壓調(diào)節(jié)器失調(diào)

針對油氣差壓調(diào)節(jié)器失調(diào)，在更換現(xiàn)有調(diào)節(jié)回路器件的前提下于變送器負向?qū)汗芮霸鲈O(shè)1臺緩沖罐是一種解決方案，因為在氣相端增設(shè)緩沖罐可在一定程度上消除氣壓波動，可緩解油氣差壓波動，且該方案便于實施；但單獨在氣相端加裝緩沖罐，液相油壓仍存在波動，依然存在整體油氣差壓波動較大的風險。

將氣動調(diào)節(jié)回路整體更新為智能電動回路并在主控DCS內(nèi)重新組態(tài)，智能電動回路能有效提高調(diào)節(jié)精度并克服調(diào)節(jié)滯后問題，智能定位器與變送器由于使用電動回路，整體測量反饋速度以及響應(yīng)速度均會得到明顯提升，對于波動較大較頻繁的回路，能完美克服其調(diào)節(jié)不穩(wěn)的情況。

3.1.2 電磁閥動作異常

針對電磁閥動作異常，對其內(nèi)部復(fù)位彈簧進行更換(拆下電磁閥，解體，用庫房彈簧備件更換即可)可在一定程度上解決電磁閥失電狀態(tài)下復(fù)位手柄無動作的現(xiàn)象，然而電磁閥內(nèi)部線圈電阻值增大為不可逆現(xiàn)象且?guī)旆坎o線圈備件，無法解決內(nèi)部線圈電阻值增大的問題，亦即電磁閥故障問題并不能得到徹底解決。簡言之，更換電磁閥內(nèi)部復(fù)位彈簧，消耗材料雖僅為新彈簧1個，整體成本可以忽略不計，但此方案并不可行。更換為新的電磁閥，簡單直接，只需將原電磁閥斷電拆線拆卸并安裝新電磁閥即可，能有效解決舊電磁閥內(nèi)部線圈電阻值增大以及復(fù)位彈簧老化等問題。

3.2 可行性分析

(1)針對油氣差壓調(diào)節(jié)器失調(diào)問題，將氣動調(diào)節(jié)回路整體更新為智能電動回路并在主控DCS內(nèi)重新組態(tài)，現(xiàn)場將舊調(diào)節(jié)回路整個拆除，安裝智能閥門定位器與智能差壓變送器并配管連接，將定位器與變送器電信號線接至SIS機柜安全柵，主控DCS操作界面完成卡件內(nèi)部調(diào)節(jié)組態(tài)，并整定新調(diào)節(jié)系統(tǒng)的PI參數(shù)。其他氣動調(diào)節(jié)器回路有成功改造的經(jīng)驗，本技改方案總體上可行。

(2)針對電磁閥動作異常問題，試驗將舊電磁閥拆下更換為同型號的新電磁閥--將舊電磁閥主控220 V供電切斷并拆下電磁閥內(nèi)部電線，將舊電磁閥整體拆下并更換為新電磁閥且接線，測試新電磁閥復(fù)位手柄動作情況后，主控送220 V電測試電磁閥整體動作情況。試驗結(jié)果表明，新電磁閥內(nèi)部線圈電阻值在210～220 Ω區(qū)間，線圈對地絕緣良好，電磁閥帶電與失電動作正常，復(fù)位手柄動作流暢，電磁閥失電時復(fù)位手柄能正常復(fù)位，本技改方案總體上可行。

4 技改措施

4.1 調(diào)節(jié)器更新

2020年5月，將原有調(diào)節(jié)回路器件整體拆除，包括就地調(diào)節(jié)器、氣動變送器、氣動閥門定位器、氣電轉(zhuǎn)換器，安裝新調(diào)節(jié)回路器件并配好器件間的不銹鋼導(dǎo)壓管；現(xiàn)場完成器件安裝后，將閥門定位器與變送器通過電信號線連接至SIS機柜內(nèi)，機柜內(nèi)卡件與電信號線間用安全柵進行隔離。原調(diào)節(jié)系統(tǒng)使用氣電轉(zhuǎn)換器將油氣差壓氣信號轉(zhuǎn)換為電信號輸送至機柜卡件內(nèi)，并已完成壓力報警與聯(lián)鎖的功能組態(tài)，當變送器檢測到油氣差壓發(fā)生變化時，定位器通過調(diào)節(jié)密封油閥開度來調(diào)節(jié)回路中的油氣差壓值使之穩(wěn)定在所需的給定值附近--油氣差壓過小會導(dǎo)致聯(lián)鎖動作，油氣差壓過大則會導(dǎo)致報警動作。經(jīng)過2 d的探討與設(shè)置，作業(yè)小組順利完成了控制系統(tǒng)的功能組態(tài)，回到現(xiàn)場，作業(yè)小組又對閥門定位器與變送器進行了最后的單獨校驗與參數(shù)標定。

4.2 電磁閥更新

2020年5月，從公司庫房找來同型號的電磁閥備件，新電磁閥復(fù)位手柄動作良好，實測其內(nèi)部線圈電阻值為211.3 Ω，對地絕緣良好，用新電磁閥替換舊電磁閥完成安裝；其后，作業(yè)小組聯(lián)系工藝人員協(xié)作對新電磁閥進行功能測試，包括控制油建立功能以及聯(lián)鎖失電復(fù)位功能。經(jīng)測試，在復(fù)位后工況正常的情況下，新電磁閥能順利帶電動作建立控制油壓并使復(fù)位手柄保持在相應(yīng)位置；聯(lián)鎖動作試驗，電磁閥正常失電，復(fù)位手柄復(fù)位并將控制油壓缷除。

5 技改效果

先更新了調(diào)節(jié)器時氨冰機油氣差壓波動頻率存在變快跡象，接著又更新了電磁閥后氨冰機油氣差壓波動頻率降低。調(diào)節(jié)器與電磁閥更新都完成后，對氨冰機運行狀況進行跟蹤與統(tǒng)計，從DCS界面來看，氨冰機轉(zhuǎn)速較為平穩(wěn)，均在正常運行區(qū)間；各振動與位移探頭示數(shù)也較穩(wěn)定，溫度探頭數(shù)據(jù)準確且一致；新電磁閥運行狀態(tài)良好，每日測量電磁閥外殼溫度，電磁閥外殼溫度整體上波動較小，無異常溫升情況，最高溫度只有42 ℃；觀察油氣差壓趨勢圖--對氨冰機油氣差壓波動量進行記錄并繪制趨勢圖進行監(jiān)控，可發(fā)現(xiàn)油氣差壓波動整體上呈等幅震蕩趨勢，峰值185kPa、最低值174kPa，總體波動量較小，維持在10kPa以內(nèi)，較改造前明顯改善?？傊貑⒅蟮陌北鶛C各項運行數(shù)據(jù)均良好（無異常），再未出現(xiàn)過因自身故障導(dǎo)致的跳車，改造達到了預(yù)期目標。

6 結(jié)束語

氨冰機是一種制冷設(shè)備，利用氨氣作為工質(zhì)，通過壓縮、冷凝、膨脹和蒸發(fā)等過程，將熱量從低溫的物體或空間帶走，使其溫度降低，達到制冷的目的。氨冰機常用于工業(yè)和商業(yè)領(lǐng)域，如冷庫、制冷系統(tǒng)、空調(diào)等。相較于傳統(tǒng)的制冷設(shè)備(如氟利昂壓縮式制冷系統(tǒng))，氨冰機具有能耗低、制冷效率高等優(yōu)點，但其操作和維護風險也相對較高，需要專業(yè)技術(shù)人員進行操作和維護。日常生產(chǎn)中，導(dǎo)致氨冰機跳車的原因有油氣差壓調(diào)節(jié)器失調(diào)、電磁閥動作異常、打閘彈簧機械結(jié)構(gòu)損壞、控制油/潤滑油壓力開關(guān)動作異常等，出現(xiàn)問題后，需及時查明原因，制定相應(yīng)的解決方案，并對其實際應(yīng)用效果進行檢查確認，制定相關(guān)的鞏固措施，優(yōu)化工藝指標，穩(wěn)定氨冰機的工況，盡量避免跳車事故的發(fā)生。本次針對油氣差壓調(diào)節(jié)器失調(diào)、電磁閥動作異常導(dǎo)致的氨冰機跳車，經(jīng)過不懈努力，成功解決了氨冰機啟動過程中的跳車問題，消除了隱患，降低了生產(chǎn)消耗，優(yōu)化了工藝指標，并整理匯總了有關(guān)生產(chǎn)數(shù)據(jù)和鞏固措施。值得一提的是，本次技改將老式氣動調(diào)節(jié)回路整體更新為智能電動回路，回路調(diào)節(jié)效果得到極大優(yōu)化，富島一期1 000 t/d合成氨裝置與1 765 t/d尿素裝置有多處氣動調(diào)節(jié)回路，如合成氣壓縮機密封油回油調(diào)節(jié)器(PDIC07062)、液位調(diào)節(jié)器(LIC07055、LIC07059)等，建議在下次大修期間再次進行類似的回路改造，并且可考慮在公司其他裝置中推廣應(yīng)用?？傊?，此種技改投資小、實施易、效果好，可為業(yè)內(nèi)提供一些參考與借鑒。