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20000m3/h制氮机(制氮设备)特点及投产总结

前言
柳钢20000m3/h空分设备是柳钢“十五”规划
中的重点技改项目,是柳钢构建年产450万t钢综
合生产能力的主体配套工程。该套空分设备采用常
温分子筛吸附、增压透平膨胀机、规整填料塔和全
精馏无氢制氩技术,于2003年6月开始筹备,
2004年4月动工建设,2004年12月正式投产,
2005年5月通过性能考核。装置各项指标优良,
运行稳定,机组设计和装备均达到国内先进水平。
该项目采用进口设备与国产设备相结合的方
案,取各家之所长。空压机选用德国MAN—TURBO
公司的RIK80型压缩机,该机型成熟可靠,其最大
的优点是设计了与蜗壳合为一体的内置式中间冷却
器,安装简便,节省占地面积;氧压机选用沈阳透
平机械股份有限公司的2MCIA54+3MCL406型压缩
机,该机型具有完善的安全保护系统,已在国内多
家单位投入使用,运转情况良好;氮压机采用美国
英格索兰公司的C450Mx5型压缩机; 自动控制系
统采用HONEYWELL公司的TPS系统;空分主体设
备由杭州杭氧股份有限公司制造。
1 流程及设备配置特点
柳钢20000m~/h空分设备流程如图1所示。
1.1 自行设计制造的框式过滤器
由于本套空分设备所处的地理位置靠近柳钢煤
场,大气中煤灰等杂质较多,空气质量较差。因
此,没有选用传统的自洁袋式空气过滤器,而是选
用由柳钢气体公司自行设计制造的框式过滤器(结
构如图2所示)。空气由框式过滤器外部进入,经
过方框上的过滤层过滤后进入过滤器内部,再进入
与过滤器内部相连通的空压机进口管道中。过滤层
由两层滤布和两层不锈钢网框组成。内层滤布被固
定在两层不锈钢网框之间,外层滤布依靠空压机进
口的吸力自然贴在外层不锈钢网框上。滤布由羊毛
毡与合成纤维织成。
该过滤器的优点:结构简单,制造成本低,空
气流经阻力小,维护方便;更换滤布只需1人就能
完成,可在不停运空压机的情况下更换滤布;滤布
可以重复使用;每周定期更换滤布以保证过滤效
率,增加空压机运行的可靠性。适用于所处环境空
气中夹带粉尘较多的空分设备。从空压机运行近9
个月的情况看,振动值一直非常稳定,说明空气过
滤器过滤效率保持得比较好。
图2 框式过滤器结构示意图
1.2 高效规整填料塔
在柳钢20000m~/h空分设备中,除下塔采用筛
板塔外,上塔、粗氩塔和精氩塔均采用新型高效规
整填料塔。从设备实际运行情况看,其操作弹性较
好,操作负荷可在90% ~110%之间调节,工况恢
复迅速,阻力小,氧、氩提取率较高,分别达到
97%和75%。由于采用规整填料上塔,对降低能
耗也起到显著作用,空压机排气压力只要保持在
0.48MPa就可使空分设备正常生产,氧气单耗仅为
0.413kW·h/ln3。
1.3 全精馏无氢制氩技术
采用全精馏无氢制氩技术,即利用规整填料精
馏塔的优点,完全依靠精馏手段实现氩的提取,取
消了制氢站和粗氩净化系统。不但使空分设备安全
性能提高,还节省了设备投资和日常运行费用。
1.4 新型高效冷凝蒸发器
主冷凝蒸发器采用双层液氧池浸浴式结构,它
解决了空分设备大型化而产生的主冷体积过大问
题。由于采用了双液氧池结构,液氧液位在液氧容
量和板翅式换热器增加的情况下可保持不变,从而
达到既增加换热面积又保持甚至减小主冷温差的目
的。
1.5 完善的液体汽化应急系统
配备有液氧、液氮及液氩应急汽化系统。在空
分设备因故障停车时,用应急液体泵将贮槽内液体
加压至2.0MPa,再经过蒸汽汽化器复热为常温气
体后送出,可在10min内恢复向管网送气,送气量
达到氧气20000m3/h、氮气20000m3/h和氩气
200m3/h
, 可保证40h的正常供气。
1.6 完善的DCS控制系统
DCS控制系统设置3台GUS,工作人员通过它
监测空分设备各系统的运行情况并进行遥控操作调
节。同时,通过以太网与工厂管理网直接连接,将
机组运行情况传到管理人员和生产调度电脑上。
DCS系统实现对空气预冷系统液位自动调节、
水泵联锁停车及分子筛纯化系统各阀门的顺序控
制。
空压机、氧压机现场不设机旁仪表盘,只配备
必要的现场仪表、探头和传感器,在中控室DCS
系统上可以实现压缩机启动、自动上载、自动卸载
及停车等操作,可以观察压缩机重要的运行参数。
DCS系统还负责事故联锁停车的实现、防喘振控
制、油泵的自动启动和油箱加热器的温度控制等。
2 项目建设经验
柳钢20000m3/h空分设备建设从一开始就面临
着工期短、工程量大和施工单位多等问题。但是,
经过柳钢和各施工单位的共同努力、通力配合,
20000In3/h空分设备从土建开工到投产出氧仅用了
231d,其中设备安装、调试仅用了119d。能在这么
短的时间内圆满完成项目,主要归功于采取了以下
一些措施。
2.1 成立工程建设指挥部,指导协调各部门的工作
空分设备建设专业性很强,要严格按照有关标
准、规范施工。同时,工程中涉及到多个工种交叉
作业。因此,成立强有力的指挥协调机构非常必
要。柳钢集中厂内各专业的工程技术人员、管理人
员成立20000m3/h空分设备工程建设指挥部,由经
理亲自挂帅,下设工艺、机械、仪表、电气和土建
等专业组。各专业组按照专业分工指导监督各相关
单位的施工和安装。由工程建设指挥部牵头,每周
定期召开两次工程例会。指挥部与各专业主要负责
人、设备制造厂家现场代表和各施工单位负责人一
起明确施工进度,及时协调解决出现的问题,保证
建设顺利开展。
2.2 严格执行科学制定的施工进度计划
工程建设指挥部制定周密的工作计划(如图3
所示),以冷箱及内部配管和空压机安装调试为主.
线,编制科学、合理的施工网络计划,协调整个工
程的施工、安装,使设备安装、调试与土建工作灵
活有序地穿插进行,最大限度节省施工时间,并设
置了13个考核节点(见图3),督促各相关单位严
格按进度组织施工。
2.3 严把质量关,创优质工程
安装开始前,柳钢会同各设计单位、设备制造
单位对装置的工艺、机械、仪电控以及工程设计进
行了认真的审查,及时发现并纠正设计失误,避免
因此造成工程质量问题和事故。在施工过程中,工
程建设指挥部与各设计单位根据现场情况不断修
改、完善设计和施工方案,把问题解决在萌芽阶
段。对于装置各系统、各设备的安装,工程建设指
挥部要求各专业组都指派专人负责,全程跟随施工
人员进行设备安装,认真检查设备安装质量,及时
消除设备、管道安装中的缺陷,使质量监督落实到
位。
2.4 做好人力资源准备,实现建设与生产顺利过渡
设备建成后能否顺利投产,生产操作人员的技
术素质和对新设备的熟悉程度是一个关键因素。为
此,对空分设备的操作人员进行针对性的培训,为
将来空分设备的正常运行做好人力资源准备。
组织操作人员提前介入安装工作,检查工艺管
道安装是否正确,对冷箱内精馏系统进行查漏。通
过对每一个法兰、每一条焊缝反复仔细查漏,保证
了施工质量,也使操作人员充分熟悉工艺管线,为
后来熟练操作、确保顺利交接奠定了坚定基础。
3 空分设备操作经验和体会
3.1 启动冷却阶段,返充液氮蒸汽加速冷却
2004年12月7 13空分设备首次正式启动,23:
30启动膨胀机,进入冷却阶段。但是在启动过程
中,2 膨胀机发生故障,被迫待修。由于只开1
台膨胀机,冷却速度明显放缓,温度下降较慢。为
及早生产出氧气,减少无谓的电能消耗,工程指挥’
部决定采取返充液氮蒸汽的方法加速空分设备的冷
却。这是基于两个方面的考虑:①液氮蒸汽充入上
塔,向精馏系统补充一部分冷量;②充入液氮蒸汽
而不直接充入液氮,不会引起由于管道温度变化太
大而造成热应力过大。
从12月8 Et 17:30起,将槽车内低温液氮的
蒸发气体返充回上塔,补充冷量,冷却速度明显加
快,使20000m3/h空分设备在12月10 Et如期出
氧。
3.2 增开备用膨胀机。变工况运行
为避免原有空分设备氧压机跳车引起
设备与原有空分设备低压氧连通阀。但是,由于
20000m3/h空分设备氧压机压缩能力的限制,
20000m3/h空分设备的产品氧气约有1500m3/h的余
量放空。为避免氧气放空,并增加液体产量,提出
增开1台备用膨胀机、空分设备变工况运行的方
案。由于国内大型空分设备在这方面可借鉴的实践
经验比较少,因此,在实施过程中,柳钢主要依靠
自身的经验,不断摸索和调整,逐渐使工况达到了
20000m3/h空分设备氧压机因吸气压力波动而跳 较为稳定和理想的状态。

20000m3/h空分设备增开
车,从2005年6月10 Et起,关闭20000m3/h空分 备用膨胀机前后运行参数比较

见表
表1 20000m3/h空分设备增开备用膨胀机前后运行参数比较
项 目 增开膨胀机前 增开膨胀机后
氧气产量/(m3/h) 21315 l9975
液氧产量/ (m3/h) 380 75O
液氮产量/ (m3/h) 75 157.5
工艺氩量/ (m3/h) 765 735
液氮节流阀V3开度/% 55.5 55
进上塔膨胀空气量/ (ms/h) ll50o lO50o
膨胀机转速/ (r/rain) l970o l750o/l73o0
注:液体产品产量已折合成标准状态下的气体产量,下同。
3.3 改进粗氩泵的切换操作
运行当中切换粗氩泵是全精馏无氢制氩流程特
有的一项操作,也是一项对技能水平要求较高的操
作,稍有不慎,就会造成制氩系统工况变化,甚至
影响主塔工况。经过大胆实践,柳钢总结出一些经
验和体会。
(1)粗氩泵切换时,最容易发生的问题是在泵
启动后,由于泵体及管道还没有被完全冷却,粗氩
泵进口管液体汽化,造成汽堵,使两台粗氩泵同时
抽不上液体,泵后压力逐渐下降,制氩系统工况恶
化。因此,启动备用粗氩泵前应做彻底预冷,边预
冷边盘车,将泵内和管道的蒸发气体排净。
(2)启动前,粗氩泵的进口阀开一半,出口阀
全关,稍开泵进口吹除阀和出口吹除阀。启动后,
用变频器提升电机转速时应缓慢进行,避免泵转速
提升过快产生汽蚀。
(3)粗氩泵进口压力波动,表明泵进口管道发
生汽堵现象,应立即开大泵前吹除阀将气体排出。
(4)当粗氩泵后压力上升、泵的运转电流达到
负载电流(约22A)时,可打开泵出口阀,逐渐关
闭出口吹除阀,全开泵进口阀;然后切断另一台泵
的进、出口阀。切换结束。
3.4 采取多种手段,缩短调氩时间
(1)在出氧前就可以启动粗氩泵,尽快投运制
氩系统。
(2)尽量不排或少排粗氩Ⅱ塔塔釜液体,如塔
釜液体液面过高,只需排出部分液体,使液面保持
在粗氩Ⅱ塔粗氩气人口以下即可。尽量利用这些富
氩液体,加速氩的积聚。
(3)在保持氩馏分稳定的前提下,尽量关小工
艺氩放空阀,也可以尽快投运精氩塔,将精氩塔废
液送回粗氩Ⅱ塔塔釜,避免氩的直排,减少氩的损
失。
通过采取以上措施,调氩时间从26h缩短到
16h左右。
4 主要性能指标
2005年5月,20000m~/h空分设备通过性能考
核,各项性能指标达到或优于设计值,见表2。
表2 柳钢20000m。/h空分设备产品主要性能指标
产量/(m3/h) 纯度
产品
合同值 考核值 合同值 考核值
加工空气量 l08O00 lO70o0
氧气 200o0 2l39O ≥99.6%02 99.725%02
液氧 50o 433 ≥99.6%02 99.725%02
氮气 200o0 23550 ≤5 x 10一 02 0.166 x 10一 02
压力氮气 l0o0 l000 ≤5 x 10一 02 0.166 x 10一 02
液氮 200 102 ≤5 x 10一 02 0.166 x 10一 02
≤ 2 x 10 02, 0.75 x 10一 02.
液氩 740 755
≤ 3 x 10一 N2 0.212 x 10一N2
氧气单耗/
0.42 0.3974
(kW·h/m )
5 有待改进的方面
(1)氧压机从氮试起就被发现其高压缸振动值
偏高,最高达到46.7 m (50/~m联锁停车)。拆开
高压缸盖对转轴反复对中后,现已下降到35.5btm,
但仍偏高。
(2)20000m~/h空分设备仪表气总管管径过细
( 60mm), 当15000m3/h 空分设备停车而由
20000m3/h空分设备单独供应两套空分设备仪表气
时,仪表气压力会下降较多,降至0.42MPa。
(3)分子筛纯化系统手动充压管道管径过细
( 60mm),造成启动时分子筛纯化系统充压时间
过长(40min),成为影响空分设备启动时间的一个
重要原因。