KDON-42000/20000型空分设备下塔冰堵分析

郭士雪，赵 斐，杨文娟

(开封空分集团有限公司 设计研究院a.设备室;b.调试室，河南开封 新区魏都路189号475004)

某化工单位年产72万t甲醇项目配套42 000 Nm3/h空分设备，该空分设备采用分子筛吸附净化、增压透平膨胀机、全精馏制氩及氧气内压缩工艺，由开封空分集团有限公司成套供应。于2010年8月正式开车出产品，但在2015年4月开车时，连续出现膨胀机达不到气量及转速，下塔液空液位建立不起来等情况，最后通过多次反复开停设备，查到原因并解决了问题。

1 流程形式

经吸附器净化好的空气分为两股，一股直接进入冷箱。这股空气先进入低压换热器与返流气体换热，冷却到接近液化温度进入下塔进行分离;另一股通过空气增压机进一步压缩，并经增压机末级冷却器冷却后送入冷箱，经高压换热器冷却变为液体后节流进入下塔。膨胀空气自空气增压机中部抽出，首先经过膨胀机增压端的压缩及后冷却器的冷却，再进入高压换热器被冷却，而后经膨胀机膨胀后进入下塔。

下塔中的上升气体通过与回流液体接触含氮量增加。所需的回流液氮来自上塔底部的冷凝蒸发器，在这里氧得到蒸发，而氮得到冷凝。

2 现象

2015年4月6日，空分设备因粗氩塔Ⅰ顶部蒸气回上塔管线焊缝拉裂跑冷，经过一个月的检修重新开车。

4月7日下午15:28空气导入下塔进行加温吹除，运行至凌晨2:00因锅炉原因空分系统紧急停车，恢复后启动空分。

4月8日凌晨4:00启动Cryostar膨胀机，上塔上主冷温度到－52℃时，膨胀机转速16 500 r/min(正常转速值20 000 r/min)，再也不能提高。此时膨胀空气量24 229 m3/h(正常值45 000 m3/h)，同样也不能增加。将回流阀关至15°，喷嘴开到80°左右(因当时觉得有可能是膨胀机本身问题)，一直开到4月8日上午11:42上主冷温度降至－134℃，下塔阻力在主冷液位未建立、液氮回流阀V11未开的情况下就从0.58 kPa升至3 kPa(当时没注意此变化)，膨胀机转速仍然不能提高(18 000 r/min)，同样，膨胀空气量(27 563 m3/h)仍然不能增加，这时已将回流阀关至9°，喷嘴开到90°左右。决定停进口膨胀机加温吹除，然后接着开进口膨胀机，膨胀空气量仍然不能增加。

图1 空分设备简易流程图Fig.1 Simple flow chart for air separation equipment

4月9日8:00停进口膨胀机开国产膨胀机，国产膨胀机转速15 000 r/min，流量只有14 600 m3/h，也不能增加。据此认为膨胀机处和高压板式换通道有堵塞现象，停机把二段到膨胀端前吹除阀处打通流路小气量进行单独吹除。4月9日11:14重新启动进口膨胀机，转速 19 800 r/min，膨胀空气量45 000 m3/h均达到设计值。

4月10日13:00上主冷液位达到2700 mm，下主冷达到3400 mm也均达到指标，但是从9日～10日凌晨，上塔阻力从10 kPa(16:31)上升到15 kPa(20:00)。20:42开液氮回流阀V11后上升到20 kPa，无论怎么开关 V11阀，上塔阻力总是不断上升，也不见下塔有液空出现，入塔空气量一直保持在120 000 m3/h，多次排放下塔液空没有液体排出，把V1阀关到0%也不见有液空出现，通过检查分馏塔系统阀门，开度均无问题;如此只好把V1液空、V2液氮、V3污液氮、V4贫液空、V11开到原调纯阀位，观察纯度有无好转:上塔氧气纯度90%，下塔液空纯度30% ～34%，下塔顶氮气纯度5% ～8%，阻力也慢慢上升到满量程40 kPa。当时分析有可能发生下塔液悬了，通过减少膨胀量，关小高压液空节流阀V8(从50%关到40%)，降低空压机排压，下塔压力至0.45 MPa，最后通过开大 V1、V2、V3、V4 阀，空气量才从120 000 m3/h增至160 000 m3/h，阻力慢慢从满量程40 kPa降到30.2 kPa，但氧、氮纯度却更低，下塔仍然没有液空液位，下塔液空纯度30% ～34%是自动表读数的下限，但是无论怎样调整，上下主冷液位一直保持稳定状态。被迫在4月10日4:48把气从冷箱退出，此时下塔阻力再次出现满量程，估计是下塔塔板被堵。中午12:43重新进塔启动膨胀机，下塔阻力马上到满量程，只好停车加温处理待检查原因。

3 故障分析及处理

经查看整个空分运行参数，明显是下塔塔板上液体流不下来，堵塞在下塔中下部。

1.开大V4阀，从50%开到100%后，气体能顺利进入上塔，空气量增大到160 000 m3/h，说明V4阀以下塔板没有堵塞，此处多以气态形式存在，这从富氧液空纯度太低可知几乎没有精馏换热。而上下主冷没有变化是因为下塔上部温度太低，上升气体多被液化，而入塔气量被塔板堵塞使上升到中上部的气量少，主冷没有得到蒸发，故主冷液面没有发生波动。

2.检查增压端出口压力为3.55 MPa(设计3.7 MPa)，膨胀端进口压力3.49 MPa(设计3.68 MPa)，阻力为0.06 MPa，接近设计值 40～80 kPa，而且还有上升趋势，说明有堵塞现象但不明显。

3.检查下塔压力0.46 MPa与分子筛后压力0.49 MPa，压差为 30 kPa，而正常值为 20 kPa。

4.检查污氮出高压板式温度TI-23319曾经到过－0.47℃，操作人员把污氮出高压板式 V318、V319阀门各关至35%，而原本这两个手动阀门基本是全开;污氮出低压换热器阀门开到85%，原本这个阀门开度在60%，上塔压力基本和平时一样保持在45 kPa，明显冷量集中到低压板式上了。

5.操作人员向下塔导气时，为避免进塔空气自动阀无背压打不开阀门，一般预先把增压机三段，高压液空 V8阀先打开50%，压力一般保持在2.4 MPa，一直到4月8日4:00三段压力才提到5.1 MPa。

6.分子筛后露点仪发生故障后一直没有更换，得不到有效的监控。根据这些情况我们主要怀疑以下几点:

1)入上塔各个节流阀开度是否正常;

2)高压板式高压液空通道压差变化和两个高低压板式换热温差情况;

3)分子筛吸附器空气出口露点及二氧化碳是否超标;

4)蒸汽加热器排污阀处，露点是否超标;

5)在冷吹时因压力低有可能纯化系统仪表管道漏进空气，检查所有纯化系统仪表管有无泄漏;

6)检查增压机、空压机机间冷却器后各个出气口露点。

经过一天的检查，只发现膨胀机和高压液空进塔管线有问题，分子筛后及增压机、空压机机间冷却器后各个出气口露点均合格，节流阀开度也正常。堵塞原因到底在哪里呢?根据两个高低压板式换热温差进一步分析，认为膨胀机和高压液空进高压换热器通道有堵塞现象。堵塞现象一般分为冰堵、二氧化碳堵和杂物堵三种情况。但空分开车已有数年，刚进行过整个冷箱扒砂检修，还做了裸冷和气密性查漏，所以杂物堵应该排除，分子筛二氧化碳分析表一直在投运而且未超标，启动增压机时临时气源用的是第二套空分的气，所以可以排除二氧化碳堵，那只有冰堵了。

那么水从哪里来的呢?我们把空压机、增压机全部停运，把循环水压稳定在0.4 MPa，再次检查各个机间冷却器出口气露点，发现增压机三段出口冷却器气路露点只有－30℃。那么当时在空分加温分馏塔系统时空分临时停了一次车，水慢慢渗入到气管路，膨胀机开启不久，三段出口冷却器所漏的水分在增压机排气压力低时，又源源不断的微漏入气路，一部分从高压液空节流阀进入下塔，另一部分通过三回二回流阀进入膨胀机管路，所以下塔中下部塔板被水堵死，是造成液空无法向下流和膨胀机一直流量少的原因。为什么空分还能吃进120 000 m3/h，主冷还能建立起液面呢?后期三段压力提到5.1 MPa远远大于水压而水漏量比较少，所以没有继续堵塞高压换热器及塔板和膨胀机管道。

给增压机三段出口冷却器做打水压实验，水压1.0 MPa时共有20根气管渗水。这就是水的源头。在处理好冷却器后，经过整个空分系统的大加温吹除，特别是下塔中下部塔板采用独立管线反吹方法，从液氮吹除口接气源管到下塔液空吹除口进行吹除，露点合格后经空分开车，下塔阻力正常，空分正常投入生产。

4 操作方法改进及教训

1.空分启动后，进塔前自动露点仪要投运，流程图上要求分析的点应全部分析，直到露点合格。

2.增压机启动后，倒换工艺气后，再加做二氧化碳分析，防止干冰堵塞。

3.要严格监控蒸汽加热器出口露点，防止出分子筛空气带水。

4.V8阀在初期应减少开度，以避免把不合格气导入下塔。

空分由于其特殊性，当在没有完全找到故障的原因时，要开阔思路，尽力多找原因多分析，不要因为故障小而不重视最终酿成大事故。

［1］高晓宁，陈守亚.一起空分开车冰堵事故的判断与处理［J］.深冷技术，2000(6):43-44.

［2］庞文斌.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［J］.深冷技术，2008(1):47-50.