宣化鋼鐵集團有限責任公司5#15000m3/h空 分設備由開封空分集團有限公司生產,采用分子篩 吸附凈化、膨脹空氣進下塔、氧和氬內壓縮、氮氣 外壓縮流程,制氬系統(tǒng)采用全精餾無氫制氬工藝。 配套的空壓機、增壓機、膨脹機和高、低壓板翅式 換熱器均為進口產品。
冷箱內高壓板式單元為正流高壓空氣、膨脹空 氣、返流中壓氧氣、中壓氬氣、氮氣換熱,低壓板 式單元為正流空氣、返流氮氣、污氮氣、壓力氮氣 換熱。
2003年5月23日正式投產運行至今, 15000m3/h空分設備已經累計運行4年?，F將空分 設備運行中出現的高壓板翅式換熱器堵塞的故障及 分析、處理過程進行總結,供同行參考。
1　故障現象
15000m3/h空分設備自2003年5月23日啟動 后,除調試過程中處理一些小故障之外,運行工況 一直保持穩(wěn)定。2003年6月19日22∶00,膨脹機進 口壓力出現下降趨勢,6月20日工況急劇惡化 膨脹機進口壓力明顯下降并且無法控制,導致空分 設備無法正常運行,被迫停車。
6月19日前,空分設備各部位工藝參數均正 常,從19日22∶00到20日15∶00,在沒有進行任 何相關操作的情況下,膨脹機增壓端的空氣流量 FI441由17000m3/h降至16400m3/h,流量變化不大 并且沒有工況惡化的跡象。15∶03左右,在同樣沒 有任何操作的情況下,膨脹機膨脹端進氣壓力由正常的4·3MPa降低到3·8MPa,15∶22FI441迅速降到 15244m3/h。調節(jié)高壓空氣進下塔節(jié)流閥V8,流量 亦無明顯的變化。此時增壓機排氣壓力、溫度正 常,但是回流閥逐步自動打開,流量下降。17∶00 膨脹機膨脹端進口壓力下降到3·61MPa,膨脹機轉 速下降,接近停車聯(lián)鎖值,空分設備被迫停車。
2　原因分析及相應處理措施
2·1　原因分析
根據故障現象分析,造成膨脹機膨脹端進口壓 力降低的原因有3個:①壓力表指示不準確;②機 前管路上存在泄漏點;③機前管路上有堵塞現象。 利用排除法分析、查找原因。通過校驗對比壓 力表數值,表明壓力表指示正確無誤,并且當時膨 脹機轉速確實下降,因此可以排除壓力表的問題; 設備、管路系統(tǒng)外觀檢查無異常,通過化驗分析, 氧氣、氮氣、污氮氣以及冷箱內氣體的純度都顯示 正常,因此可以排除高壓板翅式換熱器內漏、設備 及管路外漏的可能。那么,只有機前管路堵塞的可 能性zui大。
對比膨脹機進口的兩個壓力點PI6551（膨脹機 進口法蘭處壓力）和PI440（膨脹空氣出高壓板翅 式換熱器壓力）數值一致,說明高壓板翅式換熱器 至膨脹機管路暢通。由此可見,高壓板翅式換熱器 的膨脹空氣通道被堵塞。
對比高壓板翅式換熱器高壓空氣通道液空液位 計LIC8的正負管壓力,發(fā)現正管壓力為4MPa,而 負管壓力為5·8MPa（正常時應該是正管壓力略高 于負管壓力）,即高壓空氣通道阻力為1·8MPa。由 此可見,高壓板翅式換熱器高壓空氣通道也被堵塞。 膨脹空氣和高壓空氣均來自增壓機,而此時增 壓機運行很穩(wěn)定,首先可以排除機械雜質進入板翅 式換熱器的可能,其他原因只有水分或二氧化碳凍 結造成通道堵塞。此時,分子篩純化系統(tǒng)出口空氣 中二氧化碳含量分析儀顯示數據正常,由于低壓板 翅式換熱器中空氣流路沒有堵塞現象,說明分子篩 吸附沒有問題。
在短時間內高壓板翅式換熱器兩個空氣通道均 堵塞,表明有水分進入高壓板翅式換熱器空氣通 道,極有可能是增壓機氣路上出現了問題,因此判 斷增壓機冷卻器存在泄漏。但存在一個疑問:膨脹 機增壓后冷卻器出口水含量分析儀數據為何沒有明 顯升高?
2·2　處理過程
空分設備停車,一方面制定加溫解凍方案;另 一方面對增壓機的4臺冷卻器進行打壓檢漏。
2·2·1　加溫解凍
考慮到公司上半年煉鋼生產任務,決定采用只 對高壓板翅式換熱器進行局部加溫的方案。由于高 壓板翅式換熱器6·4MPa等級的高壓空氣通道沒有 設計獨立的加溫流路,如果用正流空氣局部加溫會 引起下塔進水,那將造成對整套空分設備進行加 溫。
為此,提出拆開V8閥對高壓空氣通道進行反 向加溫的方案。實施后收到了良好效果,既縮短了 故障處理時間,又保證了主塔的安全。與此同時, 改造膨脹機加溫吹掃管路,由污氮氣改為用中壓干 燥空氣做加溫氣源,使膨脹機加溫更*、更快 捷。從分子篩純化系統(tǒng)后接引臨時加溫管路,從膨 脹機膨脹端吹除閥進氣反向吹掃增壓機到膨脹端管 路,對高壓板翅式換熱器膨脹空氣通道進行加溫解 凍;從V8閥進氣反向吹掃增壓機到下塔管路,對 高壓板翅式換熱器高壓空氣通道進行加溫解凍。
2·2·2　冷卻器打壓檢漏
6月20日夜間到6月21日下午,先對4臺冷 卻器冷卻水側進行水壓試驗,其中一級冷卻器水壓 打到0·39MPa時保壓,當壓力降到0·33MPa時,不 再下降;其他3臺冷卻器沒出現壓力明顯下降現 象,故初步判斷一級冷卻器存在泄漏。為進一步確 認一級冷卻器是否泄漏,又對一級冷卻器水路、氣 路同時試壓。氣側打壓到0·6MPa,水側打壓到 0·04MPa,開始水側壓力上升0·001MPa,保壓2小 時后壓力沒有變化,故認定該級屬于微漏。因微漏 不可能通過現有手段監(jiān)測和處理,考慮到生產的需 要,在22日02∶00空分設備重新開車,調整工況 后,12∶00生產出合格的氧氣。

2·3　故障驗證

幾天的檢查處理并未能*確定水的來源,因 此加強檢測分子篩純化系統(tǒng)出口、空氣增壓機出口 和膨脹機增壓后冷卻器出口空氣水含量。用露點儀 測試3個點的情況如下:

為了減少測量誤差,*次沒連接流量計,氣 源與儀器直接相連。測量結果:分子篩純化系統(tǒng)出 口空氣露點為-77·6℃（0·785×10-6）,增壓機出 口空氣露點為-72·7℃（1·691×10-6）,膨脹機增壓端出口空氣露點為-68·9℃（2·98×10-6）,3個 點空氣露點均符合要求（-65℃以下）。 為了使檢測結果更有可比性,第二次在氣源與 儀器之間連接1個浮子流量計,以保證每次測量的 樣氣流量相同。但是由于流量計干燥時間不夠（72 小時）,因此測量數據的真實性較差,但是有利于 對比3個點的差異。測量結果:分子篩純化系統(tǒng)出 口空氣露點為-57·7℃（14·49×10-6）,增壓機出 口空氣露點為-53·2℃（25·5×10-6）,膨脹機增 壓端出口空氣露點為-48·7℃（44·3×10-6）。空 氣水含量呈遞增趨勢,與不連接流量計測量結果的 趨勢吻合。由此判斷增壓機冷卻器有輕微泄漏,后 續(xù)通過測量可以進一步驗證此結論。

2·4　監(jiān)護措施

（1）密切監(jiān)視分子篩純化系統(tǒng)空氣中二氧化碳 含量在線分析儀AIA-1201數據變化,隨時掌握分 子篩純化系統(tǒng)出口空氣中二氧化碳含量,以及膨脹 機增壓后冷卻器出口在線分析儀AI-401數據變化, 從而判斷分子篩純化系統(tǒng)和膨脹機出口空氣中水含 量是否超標。

（2）新增1臺露點儀,每天兩次分析上述3個 點的露點,從而及時掌握分子篩純化系統(tǒng)、增壓機 和膨脹機出口空氣中的水含量,并與在線分析儀進 行對比驗證。

（3）隨時觀察膨脹機膨脹端進出口壓力、溫度 和流量的變化情況,以便及時發(fā)現問題并判斷處 理。

（4）保持4#空分設備正常運行,5#空分設備 按第四工況運行,多生產的液體產品貯存起來,為 生產調峰和事故狀態(tài)供氧提供保證。

6月22日02∶00左右,陸續(xù)啟動空壓機、空氣 預冷系統(tǒng)、分子篩純化系統(tǒng)、增壓機以及精餾塔系 統(tǒng)等,11∶55送出氧氣約7000m3/h,13∶00空分設 備達產,至此故障處理告一段落?？辗衷O備各運行 參數正常、穩(wěn)定。

3　再次出現故障和重新查找原因

6月23日白天,空分設備運行工況發(fā)生變化, 即膨脹機進口壓力略有下降但不明顯。但是25日 白天,膨脹機進口壓力由原來的4·19MPa左右下降 到4·15MPa,26日下午壓力下降較為明顯。說明仍 然有水分泄漏進低溫系統(tǒng),而且根源不在于增壓機 的冷卻器。

2003年7月7日,仔細分析空分流程并到現場 核對管道,zui后發(fā)現一個疑點:在自潔式空氣過濾 器的反吹管道上有外接氣源進入分子篩純化系統(tǒng)出 口空氣管道,但在空氣管線上未設置截止閥（如圖 1所示）。
當圖1中的閥門打開時,由于外接氮氣管網的 壓力是0·7MPa,高于分子篩純化系統(tǒng)出口空氣的 壓力（0·5MPa）,這時會有部分氮氣進入分子篩純 化系統(tǒng)出口空氣中,如果氮氣水含量高會直接造成 分子篩純化系統(tǒng)出口空氣水含量增加。外接氮氣由 活塞式氮壓機提供。氮壓機活塞桿密封盒要靠水冷 卻,偶爾發(fā)生泄漏時不可避免會有水分進入壓力氮 氣中,使露點達不到要求。
為了驗證這個疑點,曾在圖1中閥門開、關兩 個狀態(tài)下,測量分子篩純化系統(tǒng)出口空氣的水含 量,盡管沒有超出工藝要求的露點,但是有明顯的 變化,并且在試車初期一直在使用氮氣做反吹氣源。 為此在分子篩純化系統(tǒng)出口空氣管道上加設1 個閥門,為了避免誤操作又增加了盲板,*截斷 氮氣進入分子篩純化系統(tǒng)出口空氣的通道。 通過檢查,排除了其他設備、管道帶水的可 能,等待開車運行來驗證。

7月9日開車后直到9月底一直沒有出現高壓 板翅式換熱器堵塞問題。但是由于制氬系統(tǒng)改造, 在9月底空分設備停車加溫并扒砂,10月10日制 氬系統(tǒng)改造結束,空分設備開車后直到2004年4 月底,在6個多月的運行中沒有出現高壓板翅式換 熱器堵塞現象。但在2004年5月10日又出現高壓 板翅式換熱器堵塞現象,被迫停車加溫高壓板翅式 換熱器。

由于有上次的經驗,把問題又集中在外接氮氣 上,zui后發(fā)現儀表氣源也是一個疑點,盡管氣路上 截止閥已經關閉,漏入的可能性不大,但還是做了 處理。原來的外接儀表氣源與空分設備配置的氣源 管道只有各自1個閥門控制,在外接氣源壓力高的 時候水分可能會進入空分設備。對儀表氣源管路進行了改動,如圖2所示。

這樣,即使有外接氣源泄漏也會通過增加的放 空閥排出,而不會進入空分設備。

流程設計污氮氣分兩路:一路進入分子篩純化 系統(tǒng);另一路進入水冷塔,如果進水冷塔這一路的 閥門關閉不嚴,在壓力波動時再生氣路的壓力會出 現瞬間降低,有可能引起水冷塔中的水分返到分子 篩純化系統(tǒng)。盡管這種可能性很小,但還是在此閥 門后打上了盲板。

然而在7月,水分泄漏、高壓板翅式換熱器堵 塞的故障又一次出現,被迫在2004年7月17日— 21日對空分設備進行了一次*大加溫。

4　*排除故障

2004年7月底,對所有工藝管道進行了一次 *的排查,再沒有發(fā)現造成氣體帶水的來源。但 鑒于問題的多次重現,水的泄漏點可能依然存在。 開始從工藝管道以外去考慮問題。經過仔細排 查,zui后發(fā)現分子篩吸附器的阻力計疑點zui大。由 于設備說明書中并未給出該阻力點的正常值,因此 無法判斷阻力是否正確, 當時分子篩吸附器的運行阻力是5kPa（得到 設計人員的認可）。由儀表人員校驗該阻力計,經 校驗儀表的零點*正確,在沒有做任何處理的情 況下恢復后,發(fā)現阻力升高到14~15kPa。這說明 在1年多的運行中該阻力表的平衡閥沒有*關 閉,這樣分子篩純化系統(tǒng)前飽和空氣直接通過阻力 表的正管進入負管,zui后混入分子篩純化系統(tǒng)出口 的干燥空氣中（如圖3所示）。儀表管的直徑為 Φ12mm,泄漏的水分雖然很少,但是長期、不斷 的泄漏,水量也很可觀。

在處理阻力計前,空分設備運行約20天,就開始出現類似堵塞的現象,但是處理了阻力計之后 工況明顯趨于穩(wěn)定,空分設備一直正常運行,高壓 板翅式換熱器沒有出現堵塞現象,故障終于排除。

5　問題思考

無論是*次開車外接氮氣帶入水分還是分子 篩吸附器阻力計平衡閥泄漏,同樣是分子篩純化系 統(tǒng)出口空氣中水含量增加,為什么高壓板翅式換熱 器空氣通道會堵塞而低壓板翅式換熱器空氣通道沒 有堵塞呢?查閱板翅式換熱器圖紙資料發(fā)現,這與 通道中空氣質量、流量和翅片規(guī)格有關。低壓板翅 式換熱器空氣通道的質量流量相對較小,采用常規(guī) 翅片;高壓板翅式換熱器空氣通道的質量流量大, 每層翅片通道中帶入的水量多,而且采用高密度翅 片,翅片節(jié)距小,氣體流過的空間小,水分更容易 凍結,形成結晶顆粒,更容易堵塞通道。
為什么在2003年10月到2004年4月之間沒有 出現問題,而5月和7月連續(xù)出現翅板式換熱器堵 塞現象?這歸因于空氣出空冷塔溫度和大氣條件。 冬季,北方的氣溫比較低,循環(huán)冷卻水的條件比較 好,空氣出空冷塔的飽和水含量較少,這樣從分子 篩純化系統(tǒng)前短路進入分子篩純化系統(tǒng)出口空氣中 的水量減少,板翅式換熱器被堵塞的時間延長。而 夏季氣溫升高后,出空冷塔空氣中水含量增加,板 翅式換熱器被通道更容易堵塞。
6　結束語

通過對5#15000m3/h空分設備高壓板翅式換熱 器堵塞故障的分析和處理,對空分設備中板翅式換 熱器冰堵的問題有了更深的認識:不僅要關注分子 篩吸附效果、換熱器的換熱效率,還要關心系統(tǒng)中 外供儀表氣、壓力氮氣及干、濕氣體連接管線的影 響,而且,需重視長期少量水分泄漏、水分析儀也 不能及時有效反映的情況,少量水長期進入空分設 備,累積效應不可忽視,否則會影響空分設備的安 全、穩(wěn)定運行。