大型制氧机全流程国产化配置及安装过程问题处理

池至河

(福建三钢闽光股份有限公司炼钢厂，福建三明 365100)

1 引言

三钢本部年产600万t钢产能布局，现有的五套制氧机总装机容量61500m3/h无法满足，经论证新建一套32000m3/h制氧机。目前，同一等级制氧机行业通常配置为空分系统国产，空压机、氮压机、膨胀机（其中一台）进口。考虑大型空压机、氮压机、膨胀机采用进口设备，投资大、订货周期长、检修备件费用高，又有本单位20000m3/h等级制氧机配套的国产空压机、氮压机成功运行经验。32000m3/h制氧机空分系统、液体贮槽、氧压机、2台膨胀机由杭氧成套国产配置，空压机、氮压机由西安交大赛尔机泵成套设备有限责任公司成套国产配置，仪、电控系统及其它设备也基本采用国产设备，实现大型制氧机全流程设备国产化。

2 流程组织

2.1 流程技术特点

制氧流程采用国产空压机、分子筛净化空气、增压透平膨胀机制冷，上塔采用规整填料塔，氧气部分自增压、部分外压缩，全精馏无氢制氩工艺流程（见图1）。基于现有向化工厂提供9000m3/h的氧气是从1.6M Pa减压到40k Pa，能耗消耗大。本套流程8000～15000m3/h氧气采用液氧自增压，增压至60k Pa经换热气复热后直接送往化工厂。24000～17000m3/h氧气复热后经氧压机压缩3.0 M Pa送入管网。

2.2 产品产量及纯度设计指标

表132000m3/h制氧机产量及纯度

3 主要设备国产化配套情况

3.1 空气过滤器

空气过滤器采用无锡中盛净化设备有限公司的三层自洁式空气过滤器，处理空气量（按2.3倍计算）≥412000m3/h（101.3k Pa(A)0℃），≥2μm的颗粒，过滤效率≥99.9%，≥1μm的颗粒，过滤效率≥99.5%，正常运行阻力为400～650P a。自洁方式由自动、压差、手动三种方式，目前采用自动控制方式，周期为1m i n，用氮气分6组对过滤筒进行反吹。滤筒更换周期为18个月。最大优点：过滤效率高，分三层整体安装便捷快速，占地面积小。

图132000m3/h制氧空分流程

3.2 空压机

空压机采用西安交大赛尔机泵成套设备有限责任公司生产的4 D I 120单轴等温型压缩机。设计排气量 177000m3/h，排气压力 0.62M Pa（A），电机功率17000k W，调节范围75%～105%。机组采用双层布置，压缩机主机、增速机、电机布置在二层平台。压缩机主机和增速机共用一个底座，电机单独一个底座。中间冷却器及油站布置在底层，高位油箱布置在机组轴心线以上5m处。结构特点：（1）采用单轴等温四级离心式压缩机型式；（2）采用二体焊整体铣制结构“全可控涡”三元流叶轮；（3）机壳采用树脂砂铸造，有较光洁的外观及内部组织，水平剖分型式；（4）迷宫密封；（5）径向轴承采用错位瓦轴承，推力轴承采用均压止推轴承；（6）缩机与电动机之间采用叠片式联轴器。

3.3 氮水预冷系统

空冷塔和水冷塔采用散堆填料，具有传热传质效率高、操作弹性大、阻力降小等优点；同时充分利用污氮气的不饱和吸湿性，取消冷冻机，节省投资及运行费用。空气冷却塔顶部设置不锈钢丝网除雾器，防止水分带出并除去空气中的水滴。空气出空冷塔的温度与上段进塔冷水的温差≤2℃，并且空气出空冷塔的温度≤17℃，空气温降效果好。

3.4 分子筛系统

分子筛吸附器采用卧式双层床结构（活性氧化铝+分子筛），底层活性氧化铝有较强的吸水性及硬度可有效地保护上层分子筛，同时也降低了纯化器再生阻力和再生温度，节约再生能耗。吸附器筒体内部设有分隔板，防止分子筛和氧化铝混床。空气进口处设有下气体分布器，改善空气流的均匀性。污氮气进口处设有上气体分布器，改善再生污氮气流动的均匀性，同时也可过滤吸附剂可能产生的粉末。两只分子筛交替使用，运行周期为4h。配有3台（2用1备）立式圆筒加热器，电加热器电热元件为直管式，总功率为1014k W，使用功率为868k W。

3.5 透平膨胀机

两台透平膨胀机为三元流增压透平膨胀机，均采用杭氧生产的。叶轮采用三元流钎接闭式叶轮，等熵效率86.5%。增压空气进口采用锥型过滤气器。膨胀量为25900m3/h，进口压力0.92M Pa(A)，出口压力0.14M Pa(A)。

3.6 分馏塔

下塔采用四溢流筛板塔，上塔、粗氩Ⅰ塔、粗氩Ⅱ塔、精氩塔均采用规整填料塔（苏尔寿填料），具有变工况迅速，氧、氩提取率高，能耗低等优点。主冷凝蒸发器采用浴式结构，全浸式操作。本套空分带有液氧蒸发器，冷箱内部流程有变动。进入主换热器空气，被返流气体冷却至饱和温度后又分为两部分：一部分直接进入下塔参与精馏，另一部分进入液氧蒸发器与液氧换热后进入下塔精馏。上塔精馏后，在冷凝蒸发器底部得到液氧，进入液氧蒸发器增压并汽化，经过主换热器复热后得到60k Pa氧气，液氧从液氧蒸发器底部抽出送入贮存系统。另一部分氧气直接从上塔底部抽取，流程取消了粗氩液化器。

3.7 液体贮存汽化系统

液体贮存汽化系统配置1台1000m3立式常压低温液氧贮槽（珠光砂绝热），1台1000m3立式常压低温液氮贮槽（珠光砂绝热），3台100m3立式真空绝热液氩贮槽。配置1套输送流量6000m3/h（压力3.0 M Pa）液氧加压汽化系统，1套输送流量3000m3/h（压力3.0M Pa）液氮加压汽化系统，1套输送流量1200m3/h（压力3.0M Pa）液氩加压汽化系统。配有20m3/h液氧、液氮槽车转注泵。整套系统由杭氧提供。

3.8 氧压机

氧压机采用杭氧生产的3 T Y S 85+2 T Y S 68氧气透平压缩机，设计排气量16000m3/h，排气压力3.0 M Pa，电机功率4000k W，调节范围75%～100%。机组采用双层布置，压缩机主机、增速机、电机布置在二层平台。低压缸、高压缸和增速机共用一个底座，电机单独一个底座。5个中间冷却器及油站布置在底层。双缸、8级压缩、水平剖分式型式。1级、2级单独各配置一个冷却器，3级至8级每2级配置一个冷却器。设有氮气自动防火保护措施，当压缩机出现温度异常升高时，可自动充氮灭火停机，保证压缩机安全高效运行。

3.9 氮压机

氮压机采用西安交大赛尔机泵成套设备有限责任公司生产的2台国产6 G H 42多轴等温型压缩机。设计排气量 16000m3/h，排气压力 2.3M Pa（A），电机功率2800k W，调节范围75%～105%。整套机组为单层布置，整体采用齿轮箱体布置，典型的三轴六级等温离心式压缩机。二号中间冷却器布置在压缩机底座上，其余5个中冷器布置在压缩机两侧，油站布置在压缩机底座旁。结构特点：（1）布置紧凑，占地面积小。（2）叶轮采用二体焊整体铣制结构“全可控涡”三元流叶轮，叶轮与轴的联结采用三角圆弧联结方式，此联结传递面积大，拆装简单、方便。（3）箱体采用焊接齿轮箱体，分底层大齿轮轴水平剖分、顶层5、6级小齿轮轴水平剖分两层剖分。（4）蜗壳采用树脂砂铸造，有较光洁的外观及内部组织；（5）迷宫软密封；（6）径向大齿轮轴承采用错位瓦轴承；径向小齿轮轴承采用可倾瓦轴承；推力轴承采用米切尔式滑动轴承；（7）压缩机与电机之间采用膜片式联轴器。

3.10氧气球罐

2台1000m3氧气球罐，1台1000m3氮气球罐，设计压力3.15M Pa，2台50m3氩气球罐，设计压力3.3M Pa。

3.11 低温液体输送管

液体输送管采用四川活力生产的高真空多层绝热低温液体输送管，绝热性能好，液体汽化率低。

3.12仪控

和利时D C S集散控制系统，配有4台操作站和2台上位机，实现空压机、氧压机、氮压机、空分系统及液体贮存系统等的远程控制。

冷箱内低温调节阀采用无锡工装，常温气体调节阀采用重庆川仪。

在线分析仪器由北京凯龙成套提供。

3.13 电气设备

空压机、氧压机、氮压机电机采用上海电机厂异步电机。空压机采用国产高压降补固态软启动器，氧压机、氮压机采用国产高压晶闸管软启动器。无功就地补偿装置及配电高低压成套开关均选用国产的元器件。变压器、直流屏、调功屏也都有国内厂家提供。

4 设备投资

4.1 电气设备投资。包括4台软启动器、无功就地补偿装置、调功屏、直流屏、变压器、配电高低压成套开关（不包括电缆）510万左右。

4.2 主体设备投资。包括空气过滤器、空压机、空分成套（包括2台膨胀机）、1台氧压机、2台氮压机、3个1000m3球罐、液体贮存汽化系统、高真空多层绝热低温液体输送管及其他小设备9720万左右。

4.3 仪控系统投资。包括D C S成套、调节阀、变送器、流量计等650万左右。

整个工程设备投资约为10880万左右。

5 工程安装问题处理、质量监控及优化设想

整套设备的安装、调试过程总体来说比较顺利，但也出现一些问题，这里列出工程中一些问题的解决方法及优化设想。

5.1 空压机系统

（1）进口导叶

空压机导叶传动部分整体安装在蜗壳以内，通过一连轴与机壳外执行机构连接。在试车过程发现，无论导叶开大还是关小，气量都在150000m3/h左右。现场对外部执行机构调试、校对都正常，判断是内部执行机构有问题。停机揭盖检查，发现机壳内执行机构轴与传动连接件上的定位螺栓脱滑，导致导叶无法调节。后在执行机构轴上，与传动连接件上的定位螺栓接触处，钻一定位孔洞，并锁死，解决问题。

（2）放空阀原厂家设计选型为D N 400，当流量为177000m3/h，出口压力为0.52M Pa的压缩空气紧急放空时无法满足，工程设计增加一路D N 300手动调节阀，并在两个调节阀前增设手动蝶阀，便于放空阀检修、调校。

（3）空压机出口压力变送器按通常都在出口管下方就近布置，这样出口饱和空气沿仪表铜管逐渐冷凝，出口压力指示偏高，造成空压机偷放空。后把压力变送器改装在二楼出口管上方，解决问题。

（4）中间冷却器冷凝水原为D N 25，冷凝水排不干净，改为D N 50解决问题。

5.2 预冷系统

（1）水冷塔应多设一路氮气进口管，便于操作及冷量回收。

（2）流程配套设备的最高进水点在水冷塔上部28m处，供水管网最低压力取决于此处，压力太高。流程设计时可以考虑从空冷塔常温水泵出口增设去水冷塔补水管路，补充水的量列入常温水泵选型考虑。这样，可以降低供水管网压力，节约能耗。

（3）空冷塔顶部容器内捕水器的连接法兰，应重点检查，此处法兰密封不好，向上喷射的水流比较容易随气流带入分子筛。

（4）系统预留有一台冷水机组接口，根据需要配备冷水机组。

5.3 分子筛系统

（1）V 1205、V 1206调节阀动作频繁，实际运行中，故障较高，检修更换需临时停车。V 1205、V 1206阀前各增设一个截止阀，随时可在线进行调节阀的校对、调节、更换。

（2）原分子筛系统程序设计在冷吹结束时，切断冷吹污氮，同时打开污氮排放阀V 1219，但是由于阀门打开有一个过程和一定滞后性，造成上塔压力升高。因此，改为在冷吹结束前10s强制打开V 1219阀50%的开度，取得很好效果。

（3）吸附剂装入过程的细节把控：①填装过程在晴天进行较好，防止吸潮；②装前确认底层不锈钢孔板焊缝是否焊牢、缝隙＜1m m，与壳体四周活动连接是否密封；③氧化铝装好后要平整床面；④在装分子筛时，要检查分隔板是否与壳体配合良好，空隙处丝网翻上来。装好分子筛后平整到床面水平度＜10m m。只有做好细节，才能保证吸附效果。否则，由于吸附剂泄漏，直接导致设备无法运行下去，最终需重新填装吸附剂，这方面是得到过教训的。

（4）配套的分隔板还是采用碳钢板，到现场生锈严重，处理麻烦，建议分隔板采用不锈钢板。

5.4 膨胀机系统

（1）膨胀机进口过滤器，通常采用“T”结构，水平安装，这种方式检修比较方便。本套过滤器采用“Y”结构，向下倾斜45°角安装。由于过滤器内没有设计定位导轨，过滤器本体密封凹槽又小，过滤桶的安装对准难度相当大。费劲对准后，过滤桶有没有固定卡扣卡住，无法固定，过滤器法兰盲板无法安装，现场只能用不锈钢焊接固定过滤桶后，再盖法兰盲板。建议，如采这种结构，过滤器内部应设有四个方位的定位导轨及过滤桶固定卡扣。

（2）密封气排放口堵塞，密封气顺轴流向供油侧，进而流向油箱，最后导致排油烟风机底部排油管（插入油箱液面以下）由于背压升高，排油管内油位上升最终连通，油箱内的油通过这根管道，由排油烟风机抽出外部，油位急剧下降。

（3）杭氧32000m3/h空分配套的膨胀机，安装后首次开车不需要跑合，与以往要分好几个转速跑合，应该是一个大进步。膨胀机设计转速为16285 r/m i n，开车时快速调至8000r/m i n以渡过喘振区，视轴温情况，提高转速，直至达到工作转速。

（4）本套膨胀机进口过滤器、进出口阀门均放置在膨胀机小仓内，相比以往放置在主换热器冷箱仓显的合理，实现膨胀机系统整体独成体系，便于配管、维护、检修。

5.5 氮压机系统

（1）回流阀D N 80、放空阀D N 80口径太小，每次开机，回流阀全开，放空阀全关，就会引起机组振动超高限停车。经多次尝试，回流阀全开，放空阀开50%，开机成功。建议16000m3/h氮气压缩机回流阀、放空阀应配D N 100。

5.6 冷箱内

（1）仪表管线安装。仪表管线是冷箱内最细的管线，且数量较多，焊缝繁多，尤其是液位正管，一旦泄漏就会引发冷箱扒砂处理。安装过程中应从多处细节着手有效避免：①冷箱内所有计器管以及分析管采用整根布置，一个冷箱内测点，冷箱内只有一条焊缝，大大减少焊缝漏液的概率。②在塔体仪表管向冷箱壁过渡时，仪表管线应做水平～300m m U弯，第一道扎口应离容器或管道预留～800m m左右的距离，仪表管应用铜丝松散地缠绕在保护角钢上，使其在热胀冷缩时有充分的自由收缩。③对于仪表管线保护角钢，要根据仪表管线冷态收缩方向，决定仪表管是放上还是放下。与向下收缩的容器相连的仪表管，仪表管是放在角钢下方。与向上收缩的容器相连的仪表管，仪表管是放在角钢上方，如从精氩蒸发器引出的仪表管，在冷箱壁的导向形式，保护架需放在仪表管下方。

（2）管道安装。冷箱内大部分从设备接出的管道沿着塔往下走，达到管道与设备同步收缩，减小甚至消除了相对位移。

（3）支架安装。冷箱内的管道支架、阀门支架、容器支架均采用不锈钢，增加强度，减少跑冷损失。冷箱内的管架要根据管道的收缩方向，区分采用导向型、上限型、固定型支架。例如液氮管V 3阀后进上塔，在+58m处只能用上限型支架，一可以托住液氮管，二冷却时不会阻碍管道收缩。固定于容器上的导向型管道支架，管道外边缘与支架之间应留有＞2 m m的空隙，保证管道冷热的自由伸缩。固定冷箱型钢上的水平托架，管道底部与支架间应留有合适的高度h，处于冷箱不同高度的托架，h值不一样。例如V 713阀后液氩D 210×5在+26.6m及+34.6m处水平段h值分别40m m（26.6m×1.5‰）和52m m（34.6m×1.5‰）。

（4）阀门安装。V 11、V 717采用活动阀门设计，安装时将阀门向相反方向移动，开车时阀门随管道相下收缩刚好处在阀筒中心，把阀门与管道视为一个整体，有效降低整个系统的应力。其余固定阀门安装，应注意阀门的前后限位固定管箍须安装在尽量靠近阀门的管道上，并抱紧，防止管道在阀门进出缩径焊缝处由于应力而断裂。

（5）液氧、液氮分析阀及氖、氦气体吹出阀，直接与塔体相连，又经常操作，很容易出现不能全关或损坏、需要停车处理。在这些阀门前加装一个阀门、正常操作全开前面的阀门、用后面的阀门控制，这样阀门有故障很容易处理。

冷箱内设备的安装，只有确实做好每个细节，才能提高整个冷箱运行的安全性。

5.7 公共气源

（1）对仪表气源、空压机、膨胀机、氧压机、氮压机密封气及1000m3低温贮槽保温气均采用双路供气，确保机组用气安全。

（2）仪表空气作为液氩泵密封气影响精氩纯度，改用汽化后的精氩气作密封气，保证精氩纯度。

6 设备运行指标

32000m3/h2012年2月19日裸冷完成，3月23日一次出氧成功以来，已连续、稳定运行了多个月，各项指标良好（见表2）。空压机运行电耗0.0936k W·h/m3空气（进 /排气压力 99.11k Pa（A）/0.503M Pa(G)），氧压机运行电耗0.22k W·h/m3O2（进/排气压力12k Pa(G)/1.93M Pa(G)），氮压机运行电耗.15k W·h/m3N2（进 /排气压力 11k Pa（G）/1.58M Pa（G））。

表2 产量及纯度运行指标

7 体会

（1）30000m3/h等级制氧机全流程采用国产化配置，运行稳定，能耗合理。同时投资小，订货周期短，检修备件费用低，维护方便。

（2）制氧机的配套设备多，工艺管道复杂，工程安装、调试应从细节着手，尤其冷箱内的安装更是重中之重。所有细节都监控到位了，才能确保整套制氧机的顺利投产。