12 000 m3/h内压缩流程制氧设备适应性改造

朱圣华，殷 刚

（莱芜天元气体有限公司，山东莱芜 271126）

0 前言

莱钢天元气体公司4#制氧机组（12 000 m3/h）（以下简称4#制氧机组）1995年由德国Linde公司引进，1997年1月投产，设计产能分别为氧气12 000 m3/h，液氧350 m3/h（折合气体），氮气12 000 m3/h，氩气410 m3/h。配套空压机和低压氮压机均引进德国Atlas Copco公司，氧压机由瑞士苏尔寿公司生产制造，是天元公司在运的主力机组之一。随着4#制氧机组运行时间越来越长，配套的空分、机械、电气、仪控等系统设备问题不断暴露。存在的主要问题有：①空分系统，空压机过滤室阻力高、空分单体设备无加温气源；②机械系统，氮压机频繁振动高报警需停机检查、空压机等夏季油温高频繁造成停机；③仪控系统，空压机喘振控制不正确频繁造成放空阀打开、影响产量等。随着热线生产对氧氮气需求量的不断增加，对4#制氧机各系统设备实施技术改造与创新，减少故障停机，提升运行稳定性，提高机组产品产量，非常必要。

1 制约4#制氧设备稳定性提升的技术难点

1.1 空分系统

（1）空压机布袋式过滤室阻力高，吸入空气量少、氧产量低，且更换频繁、能耗高。空压机过滤室采用布袋式过滤器，袋式过滤器过滤空气中的灰尘杂质，日积月累，布袋的阻力会逐渐增大，阻力升高，吸气量减少，影响空压机的效率。当除尘容量增加到正常阻力的85%或增加到初始阻力的1.5倍时，就需要更换布袋，正常2～3个月就需要更换一次布袋，更换过程易对主塔工况造成影响，影响空压机运行，且成本较高，更换布袋的工作量大。

（2）单体设备加温气源单一，无外部加温气源，影响故障状态下的系统恢复。4#制氧机单体设备的加温气源使用的是分子筛后的加温气源，未设计使用外部气源，当较大范围的电气故障系统停机后，单体设备所使用的外部密封气源带水，造成部分密封气管线冻结，密封功能缺失，液体泵漏液，造成液体泵区域安全风险加大，基础钢板冻裂，需要对泵进行加温恢复，而此时系统内部无加温气源，只有开启空压机后方可进行单体设备的加温操作，使得制氧机组开车恢复时间每次延长3 h左右。

1.2 机械系统

（1）空压机、氮压机频繁振动高报警，需频繁停机检查，影响正常生产。4#制氧空压机、低压氮压机频繁振动高报警，由于压缩机已经运行十多年，设备机械部分磨损严重导致振动增高，无法排除突然发生机械故障的可能性，为确保压缩机安全，频繁停机揭盖检查齿轮、轴承等，对正常氮气保供影响极大。氮压机频繁振动高报警趋势图如图1所示，氮压机一天之内突然发生两次振动波动，一级至四级振动同时发生，持续几分钟后恢复正常。如何在不停机的情况下分析确定空压机、氮压机是否发生了机械损伤，是压缩机稳定运行的技术难点。

图1 氮压机振动高报警趋势

（2）空压机、氮压机供油温度夏季过高，频繁造成温度高联锁停机。空压机夏季油温高是困扰4#制氧机组夏季稳定运行的重要因素之一，油冷器经过多年运行换热效果变差，2个并联油冷却器同时投运，但效果不显著，油温仍然超高报警。不得不采用外部喷淋的方式进行强制冷却，对压缩机的安全稳定运行构成较大威胁。

1.3 仪控系统空压机防喘振控制错误

仪控系统空压机防喘振控制错误，造成空压机放空阀频繁打开，影响加工空气量及气体产量。空压机在实际工作中具有不稳定工作区域，通常称为喘振区。在运转过程中由于工况变化、负荷波动等原因，可以发生工作点趋近甚至进入喘振区的现象，使压缩机发生喘振，严重时引起强烈振动，导致密封及推力轴承损坏，转子与静止原件相碰造成严重事故。为了使空压机能够在稳定的运行范围内安全运行，空压机设有防喘振保护装置。喘振控制系统和喘振保护系统在压缩机开始受到喘振冲击之前打开放空阀。

空压机喘振控制系统是以空压机二、三级排压压差和机后流量参数为目标的双参数调节启动控制。由于设备长期运行造成压差偏差大，机后流量孔板反馈流量误差大，且经多次校正无效果，造成喘振控制错误，使空压机正常运行中放空阀不能常闭，大量空气放散，浪费了压缩功增加了能耗，使压缩机加工空气量减少，影响产能，同时使能耗增加。

2 4#制氧设备提升稳定性实践

2.1 空分系统

2.1.1 研究应用空压机自洁式过滤器工艺技术

采用自洁式空气过滤器，由固定架、滤筒、电磁阀、反吹管线、程序控制器等元件组成，空气通过滤筒直接进入空压机，空气中的灰尘汇集在暴露的滤筒上，形成一层尘饼，定时通过干燥洁净的反吹气体自动吹落。通过更换，避免了频繁更换过滤室布袋及更换中对空压机运行的影响，降低了费用，减少了更换过滤网的工作量，大大提升了空压机的运行效率。

通过对改造前后空压机正常运行时部分参数记录比较，空压机压缩空气量每小时增加了3000 m3，增加幅度达5.6%，空压机的效率明显提升。改造前后空压机正常运行时部分参数见表1和表2。

表1 改造前空压机的部分运行参数

表2 改造后空压机的部分运行参数

2.1.2 设计应用空分单体设备低压氮气外部加温气源工艺

在氮压机的出口管道上增设1个DN200 PN16出口阀，在两只出口阀之间开口，用Φ57 mm×4.5 mm的无缝钢管与单体设备加温总管相连，将外部低压氮气引入单体设备加温总管。空分单体设备加温管线示意图如图2所示，其中，虚线为新加部分。将外部低压氮气引入单体设备的加温总管，实现了外部气源与内部气源的互为备用，当较大范围的系统停电事故时，可使用外部低压氮气加温气源进行空分单体设备的起动，消除了空分装置停用后无单体设备加温气源、单体设备不能及时启动操作的问题，便于4#制氧机系统的恢复。

图2 空分单体设备加温管线示意

2.2 机械系统

2.2.1 研究应用振动信号在线采集频谱分析技术

振动信号在线采集频谱分析技术的原理是，利用振动测试模块INV80A和Intellinova系统后台软件，实施在线数据采集、监控、超前预警、趋势分析及故障诊断。通过振动信号频谱更加全面地分析诊断氮压机支撑系统松动、不平衡、不对中等机械故障，判断齿轮箱轴承、齿轮啮合不良、叶轮不平衡、电机转子偏心等部件运行状态，通对各部位振动频谱、温度、油压等参数变化及趋势的分析，从而进一步起到提前预警与精密诊断的作用，判断是否真正发生机械故障。由于信号取自现场模块的“缓冲输出”端口，与原有的保护系统分立，确保原有保护系统的可靠运行。振动信号在线采集频谱分析技术示意图如图3所示。

图3 振动信号在线采集频谱分析技术示意

设备振动信号在线采集是：①对DCS设有监测点的，从现有DCS保护系统的现场变送器的“Buffer输出”端子直接获取，使用BNC接头卡接，通过同轴电缆将信号接入Intellinova系统的振动测试模块（INV80A），进行频谱分析。②对DCS未设监测的测点，加装振动传感器进行信号采集，电机两端共加装2个振动传感器。设备振动信号采集示意图如图4所示。

图4 设备振动信号在线采集示意

通过研究应用振动信号在线采集频谱分析技术，实现了振动量及趋势图实时观察，带自动故障症兆的频谱分析，症兆趋势分析，比较谱图，故障智能报警等功能，有效实现故障前期预警，确保实现设备状态的早期预警，最大程度地避免事故停机与设备二次损伤，大幅降低维修时间与维修费用，避免了空压机、氮压机设备不必要的停机检查，延长了设备连续运行周期，提高了氮气保供能力。氮压机症兆趋势分析图、氮压机带自动故障症兆的频谱分析图分别如图5和图6所示。从图5中可以清晰看到设备振动位移值、转子不平衡、轴承松动故障趋势平稳，表明设备运转正常；图6中可以看到故障频率及其振动速度值，便于分析和比较故障部位及故障严重程度。

图5 氮压机症兆趋势分析

图6 氮压机带自动故障症兆的频谱分析

2.2.2 压缩机油路串联工艺改进（以空压机为例）

（1）油冷串联原理。油冷器的热传导是实现从高温向低温处的热能转移过程,可用公式（1）表示。

式中Φ——导热量

λ——壁的热导率

F——表面积，m2

S——壁厚，mm

Δt——壁两侧的温差，℃

由公式（1）可求出热阻Rt=S/λF。可以看出，由于油冷长期使用导致水侧管壁结垢，热阻增大。油冷器由原来的2个并联使用改为串联组合逆流式换热，串联方式的应用使冷却水流速提高，间接Δt加大，从而加强了热传导过程。采用油侧、水侧逆流式换热也使换热效率提高。

（2）改造实施。①拆除空压机两只油冷的部分管路及温控器，去除回流管路，油冷改造前示意图如图7所示；②用不锈钢管道进行预制，将预制好的管道再一次进行酸洗和冲洗；③将预制好的油管用法兰进行连接，油冷改造后示意图如图8所示；④启动辅助油泵检查，管路应无渗漏油，并调整好供油压力。

2.3 仪控系统设计改进空压机防喘振控制技术

根据空压机实际运行状况，重新设计改进喘振控制，以机后出口流量和机后排气压力单参数调节其作用于高选择器，控制放空阀FV1110，设计改进后的空压机防喘振控制示意图如图9所示。

图7 油冷改造前示意

图8 油冷改造后示意

（1）压机后出口流量形成过程值。喘振控制器的设定点SP是个固定值，SP由现场调试时设置。喘振控制器比较PV和SP，这两者之间的差值便是控制器偏差（控制偏差=SP-PV）。负控制偏差（过程值大于设定点）导致输出信号减小，Y→0%（放空阀FV 1110关闭）。正控制偏差（过程值小于设定点）导致输出信号增大，Y→100%（放空阀FV 1110打开）。喘振控制器的输出信号作用于“高选择器3”。信号从这儿传送给放空阀（FV1110）。喘振控制器在其自动状态联锁。

（2）出口限压控制器PIC 1110的功能。控制器的过程值PV指最后一级（PT 1110）的出口压力。该控制器的设定点SP是固定值。将在调试时进行最终调节。限压控制器PIC 1110比较设定点SP和过程值（PV）。这两者之间的差值便是控制偏差（控制偏差=SP-PV）。控制器始终争取将该控制偏差保持在零值。负控制偏差（过程值大于设定点）导致输出信号增大，Y→100%（通过工艺的流量减小意味着放空阀FV 1110打开）。正控制偏差（过程值小于设定点）导致输出信号减小，Y→0%（通过工艺的流量增大意味着放空阀FV 1110关闭）。限压控制器PIC1110的输出信号通过“高选择器3”传送给放空阀（FV 1110）。出口限压控制器PIC 1110达到最大输出信号（100%输出信号对应100%开度）时，放空阀必须打开。

在试车和正常生产过程中，空分装置工况的波动导致压缩机的运行工况发生变化，改进后，防喘振控制有效地避免了机组进入喘振区，既保证了机组安全运行，同时也避免了因喘振或者过载引起的不必要停车，减少了大修次数，降低了维护成本，延长了压缩机寿命，保障了工艺生产的连续性。近一年的生产运行实践证明，该防喘控制系统工作稳定可靠，抗干扰能力强，具有一定的应用推广价值。实际运行验证，正常运行中空压机放空阀常毕，使压缩机加工空气量较之前每小时增大了2600 m3，增加幅度达4.8%左右，达到设计加工空气量和设计产能。

3 应用效果

（1）研究应用自洁式空气过滤器工艺技术，使空压机压缩空气量每小时增加了3000 m3，增加幅度达5.6%，氧氮气产量增大，空压机的效率明显提高。

图9 设计改进后的空压机防喘振控制

（2）设计应用空分单体设备低压氮气外部加温气源工艺技术，实现了外部气源与内部气源的互为备用切换使用，确保了单体设备及时加温及异常情况下的制氧机系统迅速恢复。

（3）研究应用振动信号在线采集频谱分析技术，可正确快速判断故障类型，避免了设备不必要的停机检查，延长了设备连续运行周期，提高了氮气保供能力，降低了劳动强度。

（4）设计应用油冷串联工艺，供油温度明显降低，油温由改造前的58℃降至45℃，冬季需切除一只油冷，提高了空压机运行的稳定性。已获得专利，一种压缩机润滑油冷却系统，专利号201120426277.2。

（5）设计改进空压机防喘振控制程技术，确保正常运行中空压机放空阀常闭。