膨胀机进口压差及主换热器污氮通道热端温差过大问题分析处理.pdf

2024 年第 2 期总 第 270 期冶 金 动 力METALLURGICAL POWER膨胀机进口压差及主换热器污氮通道热端温差过大问题分析处理邵新中（宝钢集团新疆八一钢铁股份有限公司，新疆乌鲁木齐 830022）【摘要】针对膨胀机进口压差增大及主换热器污氮通道热端温差过大，导致主冷液位无法维持正常生产的异常现象进行了分析，并对分子筛纯化器使用过程及增压机冷却器运行状态进行判断，确认纯化器吸附剂吸附性能下降以及增压机冷却器泄漏是导致异常发生的主要原因。通过采取空分临时停运加热空气通道以及强化纯化器吸附剂吸附性能等方法有效解决了该问题。【关键词】膨胀机；压差；温差；纯化器【中图分类号】TQ116.11 【文献标志码】B【文章编号】1006-6764（2024）02-0014-03 【开放科学（资源服务）标识码（OSID）】Analysis and Treatment of Large Differential Pressure at the Inlet of Expander and Large Temperature Difference at the Hot End of Dirty Nitrogen Channel of the the Main Heat ExchangerSHAO Xinzhong(Baosteel Group Xinjiang Bayi Iron&Steel Co.,Ltd.,Urumqi,Xinjiang 830022,China)【Abstract】In view of the anomaly that the main coolant level could not be maintained for normal production due to the increased differential pressure at the inlet of the expander and the large temperature difference at the hot end of the main heat exchanger dirty nitrogen channel,the operating process of the molecular sieve purifier and the operating status of the booster cooler were judged,it was confirmed that the decline in adsorption performance of adsorbent of the purifier as well as leakage of the booster cooler were the main causes for the occurrence of the anomaly.The problem was effectively solved by temporary shutdown of the air separation to heat the air passages and strengthening the adsorption performance of the purifier adsorbent.【Keywords】expander;differential pressure;differential temperature;purifier前言KDON-18000/21000 空分装置采用外压缩流程，不带氩系统，主要由原料空气压缩机、换热器、节流阀以及膨胀机等设备组成。从能量转换角度来看，空压机依靠消耗外功来提高空气的压力，同时对外放出热量。换热器中的空气将热量传递给低温返流气体（被分离的低温氧、氮、污氮气体），经过节流阀的空气只降低温度，没有能量转换。膨胀机靠对外做功使空气的能量减少，其中换热器的换热效果以及膨胀机运转是否正常将直接影响到空分的正常运行1。1 异常现象简述1#、2#膨胀机在运行期间出现膨胀机进口压差从 20 kPa增大到约 200 kPa的异常现象（正常运行期间约为 22 kPa），导致膨胀量从 9 000 m3/h 降至 2 000 m3/h左右，主冷液位持续下降，空分无法正常运行。在此期间，污氮出主换热器TI32通道温度偏低，较其他两个通道TI30、TI31低约14，导致主换热器出口污氮通道热端温差增大至12（正常值约3），系统冷损增加，加剧了主冷液位持续下降。制氧燃气2 主换热器污氮通道热端温差过大原因分析2.1 温度测点显示检查用红外线测温仪器进行测温比对以及对污氮出换热器三个测温点TI30、TI31、TI32热电阻进行检查，确认测温准确。2.2 返流气流量检查对氧气、氮气、污氮以及空气流量进行检查，确保测量准确。2.3 空气进主换热器前管道检查查看冷箱密封气压力、基础温度以及现场阀门、管道法兰，未发现泄漏迹象。2.4 分子筛纯化器吸附性能检查检查分子筛纯化器出口空气中二氧化碳在线分析数据，自2022年2月13日开机至今，二氧化碳含量均值从0.42510-6逐渐上升至0.51910-6。从5月6日开始，2#分子筛使用末期，二氧化碳数值呈上升趋势，峰值逐渐提高，6月24日最高达1.31310-6（规定要求110-6）。随着带入主换热器空气通道的二氧化碳含量增加，二氧化碳析出区下移，导致与 TI32 对应的污氮换热通道有效换热面积减小，TI32温度过低，热端温差增大。按空气流动方向，主换热器空气进口阀门V30、V31、V32属于管道最末端，而V32阀对应空气通道最末端，空气进换热器流速相对较低，水分和二氧化碳相对容易冻结析出，致使在二氧化碳含量增加的情况下TI32温度过低，换热器出口污氮热端温差过大。综上所述，分子筛纯化器吸附剂吸附性能下降，出口空气中水分和二氧化碳含量增加，会导致换热器TI32对应换热的空气通道中水分和二氧化碳冻结区下移、换热不良，从而造成TI32温度过低、主换热器出口污氮热端温差过大。3 膨胀机进口压差增大原因分析3.1 增压机冷却器泄漏2022年7月1日1：36，正在运行的2#膨胀机进口压差由21 kPa逐渐增大至160 kPa，增压机出口管道露点分析数值由-83 升高至-64。3：40系统切换成1#膨胀机运行，同时对2#膨胀机进行加温，随后对已停运的2#增压冷却器水侧进、回水管道加盲板并排空余水，气侧通入0.46 MPa空气约1 h后，打开水侧排水阀有气体排出，结合露点升高可以确认2#膨胀机增压机冷却器内部有泄漏。系统切换至1#膨胀机运行后，压差又出现增大现象，最大达200 kPa，停运后采取相同措施对水侧进、回水管道加盲板并排空余水，气侧通入0.46 MPa空气约1 h，打开水侧排水阀也有气体排出，可以确认1#增压机冷却器内部也存在泄漏。1#和2#膨胀机增压机冷却器冷却水采用的是空气预冷系统冷冻泵出口冷冻水，冷却器水侧压力为 0.9 MPa，气侧压力 0.71 MPa。当冷却器产生内漏，水进入气侧，造成主换热器膨胀机进口空气通道以及膨胀机进口过滤器堵塞，导致压差过大。3.2 分子筛纯化器吸附剂吸附性能下降分子筛纯化器运行过程中，吸附剂吸附性能逐步下降，不能有效吸附系统内微量水分、二氧化碳，导致膨胀机进口空气通道以及进口过滤器被水分及二氧化碳积聚堵塞，加剧了膨胀机进口压差增大现象。综上所述，1#、2#膨胀机增压机冷却器内部泄漏以及分子筛纯化器吸附剂吸附性能下降是导致膨胀机进口压差增大的主要原因。4 异常处理措施4.1 对主换热器空气通道进行单独加温因膨胀机无法正常运行，空分被迫停运。停运后需要加温清除主换热器空气通道内积聚的水分和二氧化碳，使其恢复正常的换热功能。但因生产原因不能对空分进行全面大加温，为此，只能对主换热器空气通道进行单独加温，其中涉及到空气进下塔通道和膨胀机进口空气通道。加温前，在空分停运后关闭出主换热器返流气体阀门，关闭空气进主换热器阀门，关闭主塔液空、液氮节流阀和下塔液氮回流阀。空压机、空气预冷系统和分子筛纯化系统仍然保持正常运行，将空压机排气压力控制在0.46 MPa，对主换热器空气通道进行加温。加温气体为经过分子筛纯化系统吸附后的干燥空气。加温时应尽量做到温度缓慢而均匀上升，以免由于温差过大造成应力急剧变化，损坏设备和管道2。（1）加温空气进下塔通道打开主换热器出口空气进下塔之前加温吹除阀（主塔简图见图1），然后缓慢打开空气进主换热器阀门，加温空气进下塔通道。空气进主换热器阀门开度依据空气进下塔测温点T的温升速率控制，温升速率应15，随着速率下降，逐渐增大空气进主换热器前阀门开度。加142024 年第 2 期总 第 270 期冶 金 动 力METALLURGICAL POWER2 主换热器污氮通道热端温差过大原因分析2.1 温度测点显示检查用红外线测温仪器进行测温比对以及对污氮出换热器三个测温点TI30、TI31、TI32热电阻进行检查，确认测温准确。2.2 返流气流量检查对氧气、氮气、污氮以及空气流量进行检查，确保测量准确。2.3 空气进主换热器前管道检查查看冷箱密封气压力、基础温度以及现场阀门、管道法兰，未发现泄漏迹象。2.4 分子筛纯化器吸附性能检查检查分子筛纯化器出口空气中二氧化碳在线分析数据，自2022年2月13日开机至今，二氧化碳含量均值从0.42510-6逐渐上升至0.51910-6。从5月6日开始，2#分子筛使用末期，二氧化碳数值呈上升趋势，峰值逐渐提高，6月24日最高达1.31310-6（规定要求110-6）。随着带入主换热器空气通道的二氧化碳含量增加，二氧化碳析出区下移，导致与 TI32 对应的污氮换热通道有效换热面积减小，TI32温度过低，热端温差增大。按空气流动方向，主换热器空气进口阀门V30、V31、V32属于管道最末端，而V32阀对应空气通道最末端，空气进换热器流速相对较低，水分和二氧化碳相对容易冻结析出，致使在二氧化碳含量增加的情况下TI32温度过低，换热器出口污氮热端温差过大。综上所述，分子筛纯化器吸附剂吸附性能下降，出口空气中水分和二氧化碳含量增加，会导致换热器TI32对应换热的空气通道中水分和二氧化碳冻结区下移、换热不良，从而造成TI32温度过低、主换热器出口污氮热端温差过大。3 膨胀机进口压差增大原因分析3.1 增压机冷却器泄漏2022年7月1日1：36，正在运行的2#膨胀机进口压差由21 kPa逐渐增大至160 kPa，增压机出口管道露点分析数值由-83 升高至-64。3：40系统切换成1#膨胀机运行，同时对2#膨胀机进行加温，随后对已停运的2#增压冷却器水侧进、回水管道加盲板并排空余水，气侧通入0.46 MPa空气约1 h后，打开水侧排水阀有气体排出，结合露点升高可以确认2#膨胀机增压机冷却器内部有泄漏。系统切换至1#膨胀机运行后，压差又出现增大现象，最大达200 kPa，停运后采取相同措施对水侧进、回水管道加盲板并排空余水，气侧通入0.46 MPa空气约1 h，打开水侧排水阀也有气体排出，可以确认1#增压机冷却器内部也存在泄漏。1#和2#膨胀机增压机冷却器冷却水采用的是空气预冷系统冷冻泵出口冷冻水，冷却器水侧压力为 0.9 MPa，气侧压力 0.71 MPa。当冷却器产生内漏，水进入气侧，造成主换热器膨胀机进口空气通道以及膨胀机进口过滤器堵塞，导致压差过大。3.2 分子筛纯化器吸附剂吸附性能下降分子筛纯化器运行过程中，吸附剂吸附性能逐步下降，不能有效吸附系统内微量水分、二氧化碳，导致膨胀机进口空气通道以及进口过滤器被水分及二氧化碳积聚堵塞，加剧了膨胀机进口压差增大现象。综上所述，1#、2#膨胀机增压机冷却器内部泄漏以及分子筛纯化器吸附剂吸附性能下降是导致膨胀机进口压差增大的主要原因。4 异常处理措施4.1 对主换热器空气通道进行单独加温因膨胀机无法正常运行，空分被迫停运。停运后需要加温清除主换热器空气通道内积聚的水分和二氧化碳，使其恢复正常的换热功能。但因生产原因不能对空分进行全面大加温，为此，只能对主换热器空气通道进行单独加温，其中涉及到空气进下塔通道和膨胀机进口空气通道。加温前，在空分停运后关闭出主换热器返流气体阀门，关闭空气进主换热器阀门，关闭主塔液空、液氮节流阀和下塔液氮回流阀。空压机、空气预冷系统和分子筛纯化系统仍然保持正常运行，将空压机排气压力控制在0.46 MPa，对主换热器空气通道进行加温。加温气体为经过分子筛纯化系统吸附后的干燥空气。加温时应尽量做到温度缓慢而均匀上升，以免由于温差过大造成应力急剧变化，损坏设备和管道2。（1）加温空气进下塔通道打开主换热器出口空气进下塔之前加温吹除阀（主塔简图见图1），然后缓慢打开空气进主换热器阀门，加温空气进下塔通道。空气进主换热器阀门开度依据空气进下塔测温点T的温升速率控制，温升速率应15，随着速率下降，逐渐增大空气进主换热器前阀门开度。加152024 年第 2 期总 第 270 期冶 金 动 力METALLURGICAL POWER温空气进下塔通道后，上塔压力 P也逐渐升高，此时，打开氮气、污氮进主换热器前吹除阀进行控制，将上塔压力P控制在40 kPa左右。随着空气进下塔温度T的上升，加温空气量逐渐减少，可适当提高空压机排气压力至0.50 MPa，待空气进下塔温度T高于0，则认为加温合格。（2）加温膨胀机进口空气通道加温前，必须保证膨胀机油压正常，增压端和膨胀端密封气压力正常，在单独加温空气进下塔通道时，同步加温主换热器膨胀机进口空气通道。关闭膨胀机中抽阀门，全开底抽阀门，全开2台膨胀机加温吹除阀，稍开2台增压机进、出口阀，此时增压机回流阀处于全开状态，检查2台膨胀机出口阀处于关闭状态，然后缓慢稍开2台膨胀机进口阀，开度以现场2台膨胀机加温吹除阀有气出来即可，对主换热器膨胀机进口空气通道进行加温。在2台膨胀机进口阀开启和加温过程中，操作人员应密切关注膨胀机转速，加温过程应确保转速没有变化，若有变化应通知现场操作人员关小膨胀机进口阀，减少加温气量。待膨胀机底抽温度达到0 以上，关闭底抽阀门，打开中抽阀门。待中抽温度达到0 以上，主换热器膨胀机进口空气通道加温结束，关闭增压机和膨胀机进出口阀后，按操作规程单独加温膨胀机。4.2 增压冷却器泄漏点的检查处理增压冷却器为管束式冷却器，管程走气、壳程走水。停运后拆除冷却器两端封头，水侧通水并观察管程及胀口是否有水渍痕迹，对有水渍的管束进行封堵处理。4.3 分子筛纯化器吸附剂性能下降处理措施（1）空分运行期间，1#、2#分子筛纯化器在冷吹期间，将冷吹阀门全开，加大冷吹气量。冷吹末期，在出口气体温度30 的前提下，将冷吹时间由120 min减少到100 min。在保证单台纯化器总使用周期不变或略微减少的前提下增加再生加热时间，加热时间由90 min增加到95 min，并保证再生加热气量。依据电炉功率提高再生加热气体温度，将温度由175 提高至185，再生温度越高，再生越完善，吸附器工作性能越好3。（2）在满足生产需求前提下，减少空气量，降低分子筛纯化器工作负荷。降低冷冻机温度控制设定值，降低空冷塔上部冷冻水温度，使出空冷塔空气温度尽量降低。随着冷冻机温度控制设定值的降低，冷冻水低温垢出现的风险会增加。应加强对循环水系统的水质监测，控制钙离子浓度和碱度，必要时增加新水补充置换量，防止低温垢的产生。5 处理后的效果在单独加温主换热器膨胀机进口空气通道以及空气进下塔通道过程中，主冷液氧蒸发较多，因此，需化验分析主冷液氧危险杂质含量，确认正常后，方可启动2台膨胀机进行积液操作。膨胀机进口压差显示正常，主换热器污氮热端温差显示正常，TI32温度显示正常。主冷液面正常后停运1台膨胀机，调整工况，空分系统运行正常。6 结语为防止分子筛纯化器吸附剂性能下降以及增压机冷却器内漏导致空气通道堵塞或换热不良，应制订预防纯化器出口空气中水分、二氧化碳超标控制管理办法，阐明可能造成超标的原因及对应预防控制措施，防患于未然。吸附剂应根据使用年限要求及时进行更换。膨胀机启动前，应采取通气、通水以及测露点等方式对增压机冷却器进行内漏检测，发现异常及时处理。参 考 文 献 1 李化治.制氧新工艺与制氧设备安装调试、操作维护及故障处理和安全生产技术实用手册 M.北京：冶金工业出版社，2005.2 毛绍融，朱朔元，周智勇.现代空分设备技术与操作原理 M.杭州：杭州出版社，2005.3 李化治.制氧技术（第2版）M.北京：冶金工业出版社，2009.收稿日期：2023-11-15作者简介：邵新中（1974-），男，大专，工程师，现从事制氧专业技术管理工作。图1 主塔简图16