内压缩流程空分设备冰堵现象故障分析

宣化钢铁集团有限责任公司5#15000m3/h空 分设备由开封空分集团有限公司生产,采用分子筛 吸附净化、膨胀空气进下塔、氧和氩内压缩、氮气 外压缩流程,制氩系统采用全精馏无氢制氩工艺。 配套的空压机、增压机、膨胀机和高、低压板翅式 换热器均为进口产品。
冷箱内高压板式单元为正流高压空气、膨胀空 气、返流中压氧气、中压氩气、氮气换热,低压板 式单元为正流空气、返流氮气、污氮气、压力氮气 换热。
2003年5月23日正式投产运行至今, 15000m3/h空分设备已经累计运行4年。现将空分 设备运行中出现的高压板翅式换热器堵塞的故障及 分析、处理过程进行总结,供同行参考。
1　故障现象
15000m3/h空分设备自2003年5月23日启动 后,除调试过程中处理一些小故障之外,运行工况 一直保持稳定。2003年6月19日22∶00,膨胀机进 口压力出现下降趋势,6月20日工况急剧恶化 膨胀机进口压力明显下降并且无法控制,导致空分 设备无法正常运行,被迫停车。
6月19日前,空分设备各部位工艺参数均正 常,从19日22∶00到20日15∶00,在没有进行任 何相关操作的情况下,膨胀机增压端的空气流量 FI441由17000m3/h降至16400m3/h,流量变化不大 并且没有工况恶化的迹象。15∶03左右,在同样没 有任何操作的情况下,膨胀机膨胀端进气压力由正常的4·3MPa降低到3·8MPa,15∶22FI441迅速降到 15244m3/h。调节高压空气进下塔节流阀V8,流量 亦无明显的变化。此时增压机排气压力、温度正 常,但是回流阀逐步自动打开,流量下降。17∶00 膨胀机膨胀端进口压力下降到3·61MPa,膨胀机转 速下降,接近停车联锁值,空分设备被迫停车。
2　原因分析及相应处理措施
2·1　原因分析
根据故障现象分析,造成膨胀机膨胀端进口压 力降低的原因有3个:①压力表指示不准确;②机 前管路上存在泄漏点;③机前管路上有堵塞现象。 利用排除法分析、查找原因。通过校验对比压 力表数值,表明压力表指示正确无误,并且当时膨 胀机转速确实下降,因此可以排除压力表的问题; 设备、管路系统外观检查无异常,通过化验分析, 氧气、氮气、污氮气以及冷箱内气体的纯度都显示 正常,因此可以排除高压板翅式换热器内漏、设备 及管路外漏的可能。那么,只有机前管路堵塞的可 能性zui大。
对比膨胀机进口的两个压力点PI6551（膨胀机 进口法兰处压力）和PI440（膨胀空气出高压板翅 式换热器压力）数值一致,说明高压板翅式换热器 至膨胀机管路畅通。由此可见,高压板翅式换热器 的膨胀空气通道被堵塞。
对比高压板翅式换热器高压空气通道液空液位 计LIC8的正负管压力,发现正管压力为4MPa,而 负管压力为5·8MPa（正常时应该是正管压力略高 于负管压力）,即高压空气通道阻力为1·8MPa。由 此可见,高压板翅式换热器高压空气通道也被堵塞。 膨胀空气和高压空气均来自增压机,而此时增 压机运行很稳定,首先可以排除机械杂质进入板翅 式换热器的可能,其他原因只有水分或二氧化碳冻 结造成通道堵塞。此时,分子筛纯化系统出口空气 中二氧化碳含量分析仪显示数据正常,由于低压板 翅式换热器中空气流路没有堵塞现象,说明分子筛 吸附没有问题。
在短时间内高压板翅式换热器两个空气通道均 堵塞,表明有水分进入高压板翅式换热器空气通 道,极有可能是增压机气路上出现了问题,因此判 断增压机冷却器存在泄漏。但存在一个疑问:膨胀 机增压后冷却器出口水含量分析仪数据为何没有明 显升高?
2·2　处理过程
空分设备停车,一方面制定加温解冻方案;另 一方面对增压机的4台冷却器进行打压检漏。
2·2·1　加温解冻
考虑到公司上半年炼钢生产任务,决定采用只 对高压板翅式换热器进行局部加温的方案。由于高 压板翅式换热器6·4MPa等级的高压空气通道没有 设计独立的加温流路,如果用正流空气局部加温会 引起下塔进水,那将造成对整套空分设备进行加 温。
为此,提出拆开V8阀对高压空气通道进行反 向加温的方案。实施后收到了良好效果,既缩短了 故障处理时间,又保证了主塔的安全。与此同时, 改造膨胀机加温吹扫管路,由污氮气改为用中压干 燥空气做加温气源,使膨胀机加温更*、更快 捷。从分子筛纯化系统后接引临时加温管路,从膨 胀机膨胀端吹除阀进气反向吹扫增压机到膨胀端管 路,对高压板翅式换热器膨胀空气通道进行加温解 冻;从V8阀进气反向吹扫增压机到下塔管路,对 高压板翅式换热器高压空气通道进行加温解冻。
2·2·2　冷却器打压检漏
6月20日夜间到6月21日下午,先对4台冷 却器冷却水侧进行水压试验,其中一级冷却器水压 打到0·39MPa时保压,当压力降到0·33MPa时,不 再下降;其他3台冷却器没出现压力明显下降现 象,故初步判断一级冷却器存在泄漏。为进一步确 认一级冷却器是否泄漏,又对一级冷却器水路、气 路同时试压。气侧打压到0·6MPa,水侧打压到 0·04MPa,开始水侧压力上升0·001MPa,保压2小 时后压力没有变化,故认定该级属于微漏。因微漏 不可能通过现有手段监测和处理,考虑到生产的需 要,在22日02∶00空分设备重新开车,调整工况 后,12∶00生产出合格的氧气。

2·3　故障验证

几天的检查处理并未能*确定水的来源,因 此加强检测分子筛纯化系统出口、空气增压机出口 和膨胀机增压后冷却器出口空气水含量。用露点仪 测试3个点的情况如下:

为了减少测量误差,*次没连接流量计,气 源与仪器直接相连。测量结果:分子筛纯化系统出 口空气露点为-77·6℃（0·785×10-6）,增压机出 口空气露点为-72·7℃（1·691×10-6）,膨胀机增压端出口空气露点为-68·9℃（2·98×10-6）,3个 点空气露点均符合要求（-65℃以下）。 为了使检测结果更有可比性,第二次在气源与 仪器之间连接1个浮子流量计,以保证每次测量的 样气流量相同。但是由于流量计干燥时间不够（72 小时）,因此测量数据的真实性较差,但是有利于 对比3个点的差异。测量结果:分子筛纯化系统出 口空气露点为-57·7℃（14·49×10-6）,增压机出 口空气露点为-53·2℃（25·5×10-6）,膨胀机增 压端出口空气露点为-48·7℃（44·3×10-6）。空 气水含量呈递增趋势,与不连接流量计测量结果的 趋势吻合。由此判断增压机冷却器有轻微泄漏,后 续通过测量可以进一步验证此结论。

2·4　监护措施

（1）密切监视分子筛纯化系统空气中二氧化碳 含量在线分析仪AIA-1201数据变化,随时掌握分 子筛纯化系统出口空气中二氧化碳含量,以及膨胀 机增压后冷却器出口在线分析仪AI-401数据变化, 从而判断分子筛纯化系统和膨胀机出口空气中水含 量是否超标。

（2）新增1台露点仪,每天两次分析上述3个 点的露点,从而及时掌握分子筛纯化系统、增压机 和膨胀机出口空气中的水含量,并与在线分析仪进 行对比验证。

（3）随时观察膨胀机膨胀端进出口压力、温度 和流量的变化情况,以便及时发现问题并判断处 理。

（4）保持4#空分设备正常运行,5#空分设备 按第四工况运行,多生产的液体产品贮存起来,为 生产调峰和事故状态供氧提供保证。

6月22日02∶00左右,陆续启动空压机、空气 预冷系统、分子筛纯化系统、增压机以及精馏塔系 统等,11∶55送出氧气约7000m3/h,13∶00空分设 备达产,至此故障处理告一段落。空分设备各运行 参数正常、稳定。

3　再次出现故障和重新查找原因

6月23日白天,空分设备运行工况发生变化, 即膨胀机进口压力略有下降但不明显。但是25日 白天,膨胀机进口压力由原来的4·19MPa左右下降 到4·15MPa,26日下午压力下降较为明显。说明仍 然有水分泄漏进低温系统,而且根源不在于增压机 的冷却器。

2003年7月7日,仔细分析空分流程并到现场 核对管道,zui后发现一个疑点:在自洁式空气过滤 器的反吹管道上有外接气源进入分子筛纯化系统出 口空气管道,但在空气管线上未设置截止阀（如图 1所示）。
当图1中的阀门打开时,由于外接氮气管网的 压力是0·7MPa,高于分子筛纯化系统出口空气的 压力（0·5MPa）,这时会有部分氮气进入分子筛纯 化系统出口空气中,如果氮气水含量高会直接造成 分子筛纯化系统出口空气水含量增加。外接氮气由 活塞式氮压机提供。氮压机活塞杆密封盒要靠水冷 却,偶尔发生泄漏时不可避免会有水分进入压力氮 气中,使露点达不到要求。
为了验证这个疑点,曾在图1中阀门开、关两 个状态下,测量分子筛纯化系统出口空气的水含 量,尽管没有超出工艺要求的露点,但是有明显的 变化,并且在试车初期一直在使用氮气做反吹气源。 为此在分子筛纯化系统出口空气管道上加设1 个阀门,为了避免误操作又增加了盲板,*截断 氮气进入分子筛纯化系统出口空气的通道。 通过检查,排除了其他设备、管道带水的可 能,等待开车运行来验证。

7月9日开车后直到9月底一直没有出现高压 板翅式换热器堵塞问题。但是由于制氩系统改造, 在9月底空分设备停车加温并扒砂,10月10日制 氩系统改造结束,空分设备开车后直到2004年4 月底,在6个多月的运行中没有出现高压板翅式换 热器堵塞现象。但在2004年5月10日又出现高压 板翅式换热器堵塞现象,被迫停车加温高压板翅式 换热器。

由于有上次的经验,把问题又集中在外接氮气 上,zui后发现仪表气源也是一个疑点,尽管气路上 截止阀已经关闭,漏入的可能性不大,但还是做了 处理。原来的外接仪表气源与空分设备配置的气源 管道只有各自1个阀门控制,在外接气源压力高的 时候水分可能会进入空分设备。对仪表气源管路进行了改动,如图2所示。

这样,即使有外接气源泄漏也会通过增加的放 空阀排出,而不会进入空分设备。

流程设计污氮气分两路:一路进入分子筛纯化 系统;另一路进入水冷塔,如果进水冷塔这一路的 阀门关闭不严,在压力波动时再生气路的压力会出 现瞬间降低,有可能引起水冷塔中的水分返到分子 筛纯化系统。尽管这种可能性很小,但还是在此阀 门后打上了盲板。

然而在7月,水分泄漏、高压板翅式换热器堵 塞的故障又一次出现,被迫在2004年7月17日— 21日对空分设备进行了一次*大加温。

4　*排除故障

2004年7月底,对所有工艺管道进行了一次 *的排查,再没有发现造成气体带水的来源。但 鉴于问题的多次重现,水的泄漏点可能依然存在。 开始从工艺管道以外去考虑问题。经过仔细排 查,zui后发现分子筛吸附器的阻力计疑点zui大。由 于设备说明书中并未给出该阻力点的正常值,因此 无法判断阻力是否正确, 当时分子筛吸附器的运行阻力是5kPa（得到 设计人员的认可）。由仪表人员校验该阻力计,经 校验仪表的零点*正确,在没有做任何处理的情 况下恢复后,发现阻力升高到14~15kPa。这说明 在1年多的运行中该阻力表的平衡阀没有*关 闭,这样分子筛纯化系统前饱和空气直接通过阻力 表的正管进入负管,zui后混入分子筛纯化系统出口 的干燥空气中（如图3所示）。仪表管的直径为 Φ12mm,泄漏的水分虽然很少,但是长期、不断 的泄漏,水量也很可观。

在处理阻力计前,空分设备运行约20天,就开始出现类似堵塞的现象,但是处理了阻力计之后 工况明显趋于稳定,空分设备一直正常运行,高压 板翅式换热器没有出现堵塞现象,故障终于排除。

5　问题思考

无论是*次开车外接氮气带入水分还是分子 筛吸附器阻力计平衡阀泄漏,同样是分子筛纯化系 统出口空气中水含量增加,为什么高压板翅式换热 器空气通道会堵塞而低压板翅式换热器空气通道没 有堵塞呢?查阅板翅式换热器图纸资料发现,这与 通道中空气质量、流量和翅片规格有关。低压板翅 式换热器空气通道的质量流量相对较小,采用常规 翅片;高压板翅式换热器空气通道的质量流量大, 每层翅片通道中带入的水量多,而且采用高密度翅 片,翅片节距小,气体流过的空间小,水分更容易 冻结,形成结晶颗粒,更容易堵塞通道。
为什么在2003年10月到2004年4月之间没有 出现问题,而5月和7月连续出现翅板式换热器堵 塞现象?这归因于空气出空冷塔温度和大气条件。 冬季,北方的气温比较低,循环冷却水的条件比较 好,空气出空冷塔的饱和水含量较少,这样从分子 筛纯化系统前短路进入分子筛纯化系统出口空气中 的水量减少,板翅式换热器被堵塞的时间延长。而 夏季气温升高后,出空冷塔空气中水含量增加,板 翅式换热器被通道更容易堵塞。
6　结束语

通过对5#15000m3/h空分设备高压板翅式换热 器堵塞故障的分析和处理,对空分设备中板翅式换 热器冰堵的问题有了更深的认识:不仅要关注分子 筛吸附效果、换热器的换热效率,还要关心系统中 外供仪表气、压力氮气及干、湿气体连接管线的影 响,而且,需重视长期少量水分泄漏、水分析仪也 不能及时有效反映的情况,少量水长期进入空分设 备,累积效应不可忽视,否则会影响空分设备的安 全、稳定运行。