管网氮气超标特点分析及改进

顾云杰，王斌

（宝山钢铁股份有限公司能源环保部，上海200941）

管网氮气超标特点分析及改进

顾云杰，王斌

（宝山钢铁股份有限公司能源环保部，上海200941）

主要分析了某钢厂管网氮气纯度超标的内在原因，并以一起典型超标情况为案例，提出了相应的改进措施。

氮气纯度；超标；氮压机；管网

1 氮气纯度超标原因

氮气纯度超标主要影响某钢厂冷轧产品和硅钢产品的生产。氮气在冷轧和硅钢生产中用作保护气，氮气中含氧量突然上升，会造成冷轧和硅钢产品氧化报废，经济损失严重。目前某钢厂氮气质量总体控制良好，但也会偶有发生。

某钢厂氮气质量控制标准为氮中氧含量小于等于10×10-6，目前某钢厂氮气质量超标事故发生率在1年1次左右的水平。查阅历年制氧氮气纯度超标案例，发现氮气纯度超标的原因有如下几点：

（1）氮压机启动过程中氮气纯度超标；

（2）供气管网上其他介质窜入引起氮气纯度超标；

（3）空分纯度超标未及时脱网；

（4）空分跳车引起氮气纯度超标；

（5）停役空分氮气送出阀泄漏造成低压氮气母管纯度受到破坏；

（6）液氮蒸发过程引起氮气纯度超标。

以上几点引起氮气纯度超标的原因，其中（1）项内在原理我们经过反复分析后有了一个较清晰的认识，（2）项内在原理并不复杂，但在改进方面受控难度较大。（3）、（4）、（5）和（6）项成因和改进措施相对清晰和简单。本文重点对（1）和（2）项进行分析。

2 氮压机启动过程中氮气纯度超标原因分析及改进

氮压机起动步序，起动前，进口导叶全关，旁通阀全开。起动后，打开导叶，开放空阀置换氮气。置换完毕后，关放空阀，打开出口阀，关小旁通阀对氮压机加载送出。按照操作顺序，氮压机氮气送出前都经过吹扫置换，管网氮气纯度不应该下降。

经过多次分析试验，发现起动不同的氮压机，引起氮气纯度超标的现象也不相同，1#～4#氮压机在送出前，总管氮气纯度就已超标，而5#、6#氮压机氮气纯度超标发生在氮气送出的瞬间。虽然现象不同，但超标的原因是一样的，关键问题出在导叶。

从上式中看出，流通截面F0减少时，只有让截面前后压差驻P增大时，才能确保流量Q不变，氮压机起动时，进口导流叶片是全关的。当导流叶片前压力不变时（4 kPa），只有降低导流叶片后的压力才能确保压缩机流量满足运转需要。这样在导流叶片后就会形成负压，从而使氮压机外部空气进入机体内造成氮气纯度下降。因而，造成氮压机氮气纯度破坏的原因是氮压机导叶关小。

氮压机氮气送出前，都进行放空置换，机内的不纯氮气怎么会进入管网，就要从氮压机起动调节特性来分析。

图1 中压氮压机流程简图

图2 氮压机管网示意图

2.1 1#～4#中压氮压机起动超标原因

根据运行制度，1#～4#氮压机基本上是同时运行，当起动其中的一台时，机内氮气纯度受到污染，在放空置换前，氮压机旁通全开位置，机内污染的氮气通过旁通阀进入氮压机进口处，由于低压管网压力的波动，当压力低于氮压机进口处压力时，氮压机进口处污染的氮气倒流至低压管网，有附近其他的氮压机吸入压送至管网，造成氮气管网纯度超标。

2.2 5#和6#中压氮压机起动超标原因

5#和6#氮压机根据运行制度，平时只运行其中的1台。而且与1#～4#氮压机分别位于制氧分厂的两端，相距较远，因此，不可能是上述原因造成管网纯度超标。通过氮压机导叶关小是引起氮压机氮气纯度上升这一根本原因，对氮压机整个起动、送出过程进行分析，就不难发现问题所在。

5#、6#氮压机负载调节与1#～4#氮压机不同，是由计算机自动控制，不像1#～4#氮压机导叶可以手动操作。5#、6#氮压机起动后，机内氮气受到污染，对氮压机进行加载置换，由计算机根据设定压力开大导叶，关小旁同阀进行加载，手动打开放空阀置换。确认置换完毕（现场氮气分析仪）后，开始向管网输送，关小放空阀，打开送出阀。当出口阀打开时，机外管网压力与氮压机出口处压力均压，计算机根据出口压力与设定压力的偏差进行调节，因出口压力高于置换时的设定压力，氮压机进行减负荷调节，关小导叶，开大旁通，引起机外空气进入氮压机向管网输送造成氮气纯度超标。

2.3 1#～4#中压氮压机起动改进

1#～3#中压氮压机起动是按照程序设定的起动顺序和时间，自动完成起动过程。4#中压氮压机容量与1#～3#机相同，但无自动起动功能，起动方式按1#～3#机自动程序进行手动操作进行。根据流量公式：

要确保氮压机起动时导叶后压力保持正压，在Q不改变的条件下，只有提高导叶前的压力（低压管网）或提高流通截面（开大导叶），而低压管网受空分氮气产品压力的制约，无法任意提高压力来满足需要。因此只能从开大导叶来考虑。空载起动（导叶全关）是为了确保压缩机起动时起动电流控制在最小范围内。经过反复研究和试验，当导叶在小于20%开度时，氮压机氮气纯度出现超标。在导叶20%开度时起动氮压机，起动电流和机内氮气纯度都在可控制允许范围内。

2.4 5#和6#中压氮压机起动改进

5#和6#中压氮压机起动造成氮气纯度超标的原因，是由于出口阀刚打开时氮压机进行减负荷调节时关小导叶引起的，改进的手段是在打开出口阀时使导叶保持一定的开度而不进行减负荷调节。5#和6#中压氮压机负荷调节模块按压缩机厂方要求是不能随意更改的。因此只能在操作方法上进行改进，只要在打开出口阀时确保管网压力低于压缩机压力设定值，在氮气送出过程中始终保持氮压机全载，就能确保氮气纯度稳定。

在具体操作中，利用中压氮压机置换放空阀对负载进行手动调整，放弃氮压机的自动调节功能。在置换过程中，将氮压机出口压力设至650 kPa开大放空阀，将出口压力维持在600 kPa，使氮压机导叶全开、旁通阀全关进行全负荷运转。待纯度合格后，打开出口阀，慢慢关小放空阀。在关小放空阀过程中，要配合出口阀开度来进行，防止出口背压超过650 kPa，因中压管网压力最高620 kPa，因此，在氮气送出过程中，氮压机始终不会参与自动调节，从而保证氮压机在送出过程中氮气纯度的稳定。

3 供气管网上用户施工作业引起氮气纯度超标

此类超标事故近年某钢厂发生率最高，究其原因主要跟某钢厂近年大量建设技改项目的进行有关。下面具体分析一起典型的管网氮气纯度超标案例。

3.1 冷轧薄板厂氮气纯度超标原因分析和改进

3.1 .1事件经过

某年1月18日16：28冷轧薄板厂能介车间来电话反映氮气纯度超标，氮中含氧量达250×10-6，5：15开始发现氮中含氧量有上升趋势，16：00开始对其氮气球罐前管道进行放散，期间控制球罐出口供用户的氮中含氧量≤80×10-6。

能环部启动氮气纯度超标处理预案，确认供出侧（制氧分厂）氮气纯度正常。对系统用户分析，确认五冷轧在使用高压氮气对氢气球罐试压过程中，管网压力与球罐压力均衡后，充压阀门未关。氢气球罐中不纯氮气随着系统压力波动流回系统，造成冷轧薄板氮气纯度超标。17：14关闭五冷轧高压氮气交接点阀门，至18：10纯度恢复正常。

3.1 .2事件分析

五冷轧施工单位为了对新建氢球罐(400 m3×2)进行充压试验，从NHV5H2阀后高压氮管道上接了一根临时管道(直径32 mm)至球罐进行充压（图3）。动力调度（计划作业时间1月17日13：00～1月18日15：00）指令巡检于17日14：32打开NHV5H2阀门。施工单位于17日15：00开通内部球罐充压阀门开始充压。

判断冷轧薄板氮气纯度超标系此次五冷轧氢球罐进行充压试验所致。于18日17：14关闭交接点阀门（NHV5H2）。经向五冷轧和施工单位调查，18日上午9点左右，球罐已经充压至2.0 MPa（高压氮气系统压力1.8～2.6 MPa）。

经分析，在18日上午9点以后的这段时间，球罐与高压氮系统是均压的，导致球罐内的气体随高压氮气主管网压力波动而吞吐，引起高压氮纯度超标。根据高压氮管道的走向，五冷轧下游用户主要是不锈钢和冷轧薄板厂，所以超标的氮气基本都送至这两家用户，而不锈钢分公司由于目前高压氮气主要用于高炉喷煤和转炉溅渣对氮气纯度要求不高，因此没有反映。

图3 氮压机管网示意图

3.1 .3管网氮气纯度超标整改措施

上文介绍的案例属于试压过程中空气和氮气混合后窜入氮气管网，另外也有压缩空气压力高于氮气管网压力时顶入氮气管网的事故发生。对此类事故的经验进行总结分析，某钢厂能环部采取了以下相关整改措施：

（1）各用户临时使用管道氮气进行气密性试验、耐压试验时，要确保氮气管网的氮气纯度不被污染。必须编制完整的作业方案，设备业主是方案的审核、批准单位，也是试压方案实施的管理单位，对试压作业全过程负责。充气过程中试压管道或设备压力要低于系统管网接出点压力0.2 MPa以上。氮气充气完成后，不论试压设备是否需要继续进行其他方法的升压，应立即与氮气管网进行物理断开，断开方法可以采用拆除连接管或加装盲板。

（2）对由于原设计已存在的非同一介质与氮气、氧气、氩气管道连接的问题，责任单位进行清理，除应急保安用气外（仅指煤气），一律物理断开。未物理断开的应急保安用气责任单位须装设止回阀和压力控制联锁，并报能环部备案。

（3）氮气、氧气、氩气上未做设计的，生产方禁止新增物理连接压缩空气管道、天然气、煤气、氢气和蒸汽等非同一介质管道。

Analysis of the Characteristics of Nitrogen Purity Deviation in Pipeline Network and Improvement

GU Yunjie，WANG Bin
（Energy&Environmental Protection Department,Baoshan Iron&Steel Co.,Ltd.,Shanghai 200941,China）

The intrinsic cause of nitrogen purity deviation in some steel plant is mainly analyzed;and relevant improvement measures are put forward taking a typical case of nitrogen purity deviation as an example.

nitrogen purity;deviation;nitrogen compressor;pipeline network

TQ116.15

B

1006-6764(2014)06-0032-03

2014－03－07

顾云杰（1979－），男，2003年毕业于上海同济大学热能与动力专业，工程师，现从事制氧工艺专业技术工作。