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内压缩流程空分设备高压板式换热器空气通道堵塞分析点击：1947 日期：[ 2014-04-26 22:55:00 ] |
| 内压缩流程空分设备高压板翅式换热器空气通道堵塞的分析 庞文斌 (宣化钢铁集团有限责任公司气体厂技术开发部,河北省张家口市宣化区牌楼东街30号 075100) 摘要:介绍了15000m3/h内压缩流程空分设备高压板翅式换热器空气通道被冰堵的故障现 象,详细分析了故障原因,并阐述了查找过程和处理措施。 关键词:大型空分设备;内压缩流程;板翅式换热器;堵塞 中图分类号:TQ116·11 文献标识码:B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 能性最大。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,使膨胀机加温更彻底、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完全确定水的来源,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,第一次没连接流量计,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,最后发现一个疑点: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,彻底截断 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,最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彻底大加温。4 彻底排除故障2004年7月底,对所有工艺管道进行了一次 彻底的排查,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,最后发现分子筛吸附器的阻力计疑点最大。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 校验仪表的零点完全正确,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完全关 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,最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 问题思考无论是第一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。 |
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