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制氮机(制氮设备)开车过程中有关问题

前 言
江苏南京钢铁联合有限公司气体供应公司(以
下简称: 南钢气体) 建有5 套空分设备, 均由杭州
杭氧股份有限公司(以下简称: 杭氧) 生产。这些
空分设备既有采用切换流程的, 也有采用分子筛吸
附净化、增压膨胀、规整填料塔及全精馏无氢制氩
外压缩和内压缩流程的20000m3/ h 空分设备。多
年来, 5 套空分设备运行一直正常, 其产量、纯度
都能达到设计指标。
空分设备的开车过程是一个只有消耗、没有产
出的时间, 因此空分行业采取了一系列措施来缩短
开车过程。而开车过程中空分设备出现的各种故
障, 若不能及时得到有效处理, 则会大大延长开车
过程, 甚至造成开车不成功。
现针对空分设备开车过程中出现的几个问题进
行分析, 并提出相应的解决办法, 供同行参考。
1  空压机出口空气压力波动
现在运行的大型空分设备普遍采用DCS 控制
系统控制, 而空压机的控制方式有两种: 一种是空
压机自成一个体系, 自带防喘振控制系统; 还有一
种是由用户空分设备DCS 控制系统直接控制。
由于现在大型空分设备普遍采用分子筛吸附水
分、二氧化碳等杂质, 在空压机刚启动时, 分子筛
吸附器不与空分设备一起升压。因此, 如果一开机
就投入压力自动调节, 有的空压机容易产生压力波
动, 并振荡。这是由于从空压机出口至分子筛吸附
器进口这一段空间比较小, 放空阀一关闭, 压力很
快就会升高, 而一放空, 压力又很快降低。此时,
如果进口导叶投入自动控制, 就会频繁地进行调
节, 容易造成压力波动, 同时引起机组振动。这时
最好将进口导叶和放空阀都改为手动控制。
在空压机开机过程中, 由于空气量和空压机压
力的变化都比较大, 空压机进口导叶的开度最好控
制在正常开度的80 %左右。这样, 即使空分系统
进气量不多, 也可以通过调节放空阀的开度, 使空
压机压力稳定, 不进入喘振区, 以保证空压机安全
运行。
2  空冷塔水位高联锁停车
空冷塔的作用是洗涤空气, 降低空气进板翅式
换热器或分子筛吸附器的温度。为防止发生出空冷
塔的空气带水故障, 空冷塔设有水位高报警、联锁
的功能。
在南钢气体空分设备开车过程中, 曾出现过空
冷系统常温大水泵跳车后再启动时, 空冷塔水位快
速升高, 超过空冷塔水位上限联锁停车值, 造成空
压机联锁放空, 空分设备被迫停车的故障。
某20000m3/ h 空分设备空冷塔设计的正常工
作水位值为1200mm , 报警水位值为1600mm , 水
位上限联锁停车值为1800mm , 此值联锁停运空冷
系统水泵、空压机放空、板翅式换热器停止进气。
某次由于外部供电影响, 空冷系统常温大水泵停
运, 空冷塔水位由正常的1200mm 下降至730mm
后, 而后又自动恢复到设计水位。此时, 操作工启
动空冷系统常温大水泵, 在只有1 分多钟时间内,
空冷塔水位快速由1200mm 上升至1950mm , 超过
空冷塔水位上限联锁停车值, 导致空压机放空, 空
分设备停止进气, 氧、氮、氩产品供应中断。
该套空分设备空冷塔下部直径3000mm , 空冷
系统常温大水泵流量420m3/ h , 低温小水泵流量
50m3/ h 。空冷系统常温大水泵的出水量为7t/ min ,
而7t 水能让空冷塔水位上涨1000mm。在空冷塔
水位上涨的过程中, 空冷塔回水调节阀会逐渐开
大, 由于该阀门调节具有滞后性, 阀门打开的时间
较长, 因此不能快速将空冷塔水位自动调节至设计
值, 造成空冷塔水位过高而联锁空压机放空、空分
设备停车。
改进方法: 在运行空冷系统常温大水泵前, 先
将空冷塔的水位设定值由1200mm 改为500mm ,
在空冷塔水位为500mm 时运行常温大水泵, 不进
行任何人为操作。空冷塔水位在1 分钟内上涨至
1300mm 后, 就会自动回调至设定值, 这样可以避
开联锁点。在空冷塔水位降到1200mm 以下时, 再
将空冷塔水位设定值调至1200mm。
3  板翅式换热器进气流量波动
在空分设备开车过程中, 板翅式换热器开始进
气的速度一定要缓慢, 否则极易引起整个空分系统
压力和加工空气流量波动。
一般在大型空分设备空气进板翅式换热器的管
道前配有调节阀, 如杭氧生产的KDON220000/
30000 型空分设备, 在空气进冷箱的管道前配有
V111 、V112 和V113 3 个调节阀。当空冷塔出口
空气压力低于014MPa 及分子筛吸附器进出口空气
压差大于10kPa 时, 空压机就会联锁放空, 3 个调
节阀联锁关闭, 空冷系统常温大水泵联锁停运。在
开车初期, 若导气过快, 空压机的放空阀关小不及
时, 就会出现空压机压力低于014MPa 的情况, 这
时空压机就会放空, V111 、V112 和V113 阀自动
关闭。待空压机压力高于014MPa 时, V111 、
V112 和V113 阀又会自动打开, 快速进气, 造成
空压机压力又瞬间下降, 空压机再放空的情况, 空
分系统压力和进板翅式换热器的空气量就会出现周
期性波动。
为避免出现这种现象, 可在板翅式换热器导气
初期, 将V111 、V112 和V113 阀设置成手动控
制, 根据空压机压力变化情况, 缓慢逐个打开
V111 、V112 和V113 阀。对有些带有板翅式换热
器出口空气进下塔蝶阀V10 的空分设备, 也可以
缓慢开大V10 阀, 以避免空压机压力波动。
4  开车过程中边积液边调纯
空分设备的启动时间比较长, 设计值约为36
~48 小时。开车过程可以大致分为全面冷却、积
液、调纯3 个阶段。其中: 全面冷却阶段需14~
20 小时, 积液时间15~24 小时, 调纯时间2~4
小时。不同类型的空分设备, 由于膨胀机制冷量、
设备容量、板翅式换热器复热效果和环境温度等因
素不同, 开车时间会有较大区别, 但开车的过程都
差不多。
如何缩短开车时间、尽快出氧、降低能耗是大
家普遍关心的问题, 除了在开车中返充液体、增加
冷量来缩短开车时间外, 还可以通过边积液边调纯
的方法来缩短开车出氧的时间。
南钢气体在5 套空分设备的开车过程中均采用
边积液边调纯的方法。在主冷出现液位后, 一般膨
胀气体的温度比较低, 这时应尽量将膨胀气体全部
送入上塔, 利用过冷器或液化器来回收冷量, 防止
板翅式换热器过冷, 以达到加快液体积累的目的。
目前, 采用分子筛吸附净化、增压流程的大型
空分设备在积液时, 往往在主冷先出现液位, 当主
冷液位上升至主冷中换热器下端口时, 下塔上升的
气体就会与主冷氧侧的液体进行换热, 而换热会使
下塔上升的气体冷凝, 主冷氧侧的液体蒸发。随着
下塔液体的下流, 与上升的气体在塔板上进行了热
质交换, 下塔的精馏工况就已经开始。当下塔的液
体一导入上塔, 上塔的精馏工况也开始了。主冷在
制氧过程中, 尽管不产生冷量, 但提前让主冷适量
工作, 并将重要阀门调节到位, 是可以达到提前出
氧的目的。
有些单位要求在积液阶段, 不投运主冷, 以提
高上塔操作压力, 减少主冷液体的蒸发。从表面上
看, 由于减少主冷液体蒸发量, 塔板上不发生精馏
工况, 空分设备的冷量都集中在主冷氧侧, 液面上
升得比较快。可是一旦开始调节产品纯度, 由于塔
板上原先没有液体或液体较少, 必然有大量的液体
会滞留在塔板上, 引起主冷液位快速下降。
提高上塔压力, 减少主冷液体蒸发的操作方法
其实并不科学, 它会使膨胀机出口空气压力升高,
影响膨胀机进出口的压降, 从而影响膨胀机的制冷
效果, 延长开车时间。以上是指积液阶段膨胀气体
进上塔的情况。如果将膨胀气体旁通, 则会影响板
翅式换热器的换热效果, 造成板翅式换热器复热不
足, 同样会延长开车时间。
南钢气体在空分设备的启动过程中, 采用边积
液边调纯的操作方法, 一般在膨胀机启动24 小时
后, 产品氧气纯度就能达标, 30 小时后就可以稳
定供氧。
结束语
空分设备的各个系统和参数关联紧密, 无论是
开车还是平时的运行, 都有很多技术问题值得探
讨, 特别是开车过程, 这是一个不断建立工况的过
程, 操作和调节比较多。摸索开车经验, 减少操作
失误, 缩短开车时间, 还有很多工作要做。