溴化锂吸收式制冷机运行问题分析及应对措施

李国君,汤建锋

(河南龙宇煤化工有限公司,河南 永城 476600)

河南龙宇煤化工有限公司(以下简称龙宇煤化工)有2套40万t/a煤制乙二醇装置,其中,部分换热设备采用溴化锂吸收式制冷机提供5～12 ℃循环冷冻水冷却,以满足生产装置工艺要求。溴化锂吸收式制冷机在运行一定周期后会出现各种问题,本文以龙宇煤化工乙二醇装置在用的蒸汽单效型溴化锂吸收式制冷机为例,总结几年来在运行过程中出现换热管泄漏、溶液污染、变频器故障等一系列问题的处理经验,并提出一些建议和应对措施。

1 溴化锂吸收式制冷机工作原理[1]

在蒸汽单效型溴化锂吸收式制冷机运行过程中,水作为制冷剂,溴化锂溶液作为吸收剂;当溴化锂水溶液在再生器内受到蒸汽加热后,溶液中的水不断汽化;随着水的不断汽化,再生器内的溴化锂溶液浓度不断升高,进入吸收器;水蒸气进入冷凝器,被冷凝器内的循环冷却水降温后凝结成高压低温的液态水。当冷凝器内的水通过节流阀进入蒸发器时,急速膨胀而汽化,并在汽化过程中大量吸收蒸发器内循环冷冻水的热量,从而达到降温制冷的目的。在此过程中,低温水蒸气进入吸收器,被溴化锂浓溶液吸收,溶液浓度降低,再由吸收液循环泵送回再生器再生,完成整个循环和连续制冷。其内部流程见图1。

图1 溴化锂吸收式制冷机内部流程

总结以上流程,主要为两个循环:①制冷剂水的循环:再生器水蒸气→冷凝器冷凝成水→U形管节流→蒸发器制冷→吸收器吸收→再生器;②溴化锂溶液循环:再生器浓溶液→吸收器吸收水蒸气成为稀溶液→再生器再生。

2 常见问题分析及处理措施

2.1 换热管泄漏

2.1.1换热管泄漏原因

为提高传热效率,机组主要换热部件(如吸收器、蒸发器[2]、冷凝器等)换热管多为铜管,而最为常见的问题是吸收器、冷凝器换热管泄漏,主要原因是随着使用年限的增加,管壁磨损变薄,循环冷却水水质得不到有效控制,杂质和颗粒物较多,对换热管冲刷和腐蚀,造成铜管泄漏;机组内腔工作压力接近纯真空,循环冷却水压力为0.35 MPa,一旦有泄漏点,循环冷却水很快漏入腔内,污染溴化锂溶液,机组制冷直线衰减,若发现不及时会造成溶液报废,甚至机组报废;而蒸发器出现问题的原因多为运行过程操作不当,发生冷冻水因温度低结冰,导致铜管胀裂事故。

2.1.2换热管出现泄漏时的现象

泄漏初期漏量小,基本无明显变化,很难察觉,随着循环冷却水漏入量的增加,会出现如下几个现象。

(1)再生器温度持续下降,为保证正常的温度,需不断地加大蒸汽投入量,蒸汽手阀会逐渐开大。

(2)从蒸发器视镜观察,随着循环冷却水漏入量的增加,视镜内液位逐渐上涨,正常情况无液位或不超过视镜1/3液位。

(3)从前端吸收器视镜观察,液位也呈上涨趋势,最明显的变化是当循环冷却水漏入时,初期腔内透明洁净的溶液会产出絮状物,悬浮在溶液中,后期溶液变成乳白色,已无法从视镜观察内腔状况。主要原因为循环冷却水中含有大量钙、镁、碳酸根等离子,且循环冷却水在运行过程中为保证水质会投入大量的防腐蚀剂、剥离剂、杀菌剂等,当循环冷却水漏入时与溴化锂溶液结合,生成了絮状的络合物或沉淀物,造成溶液变质。如果是蒸发器换热管泄漏,则不会出现絮状物,原因是循环冷冻水系统一般使用的是去离子的脱盐水。

(4)吸收液温度下降,漏入量较小时,制冷效果下降不明显;漏入量较大时,随着溴化锂溶液浓度变稀,冷水温差逐渐变小。

(5)真空度下降较快,由于循环冷却水漏入,水中的某些组分可能与溶液发生反应,产生较多的不凝气体或内腔液体体积增加,造成真空度下降较快,需要频繁进行抽真空操作。

溴化锂吸收式制冷机内溴化锂溶液的添加量是一定的,正常情况下,运行时两个循环保持稳定。如果蒸发器液位较高,而吸收器液位低,可能是循环冷却水温度高或换热不好,吸收效果差,造成液位不平衡。如果蒸发器和吸收器液位都高,且溶液开始有絮状物,基本可以判断循环冷却水泄漏。

经过实验对比,溴化锂溶液加入循环冷冻水后,透明度无明显变化,当加入循环冷却水后,出现絮状物且透明度下降。

2.1.3应对措施

(1)运行期间做好循环冷却水水质日常管理,避免压力波动,按照正确的开停机方式进行操作。

(2)加强运行期间的巡检,技术人员每天用手电筒观察蒸发器、吸收器液位和内部情况,通过看、摸、听等观察机组变化。DCS操作员勤翻各温度测点趋势,发现异常时立即汇报。

(3)如发现机组有换热管泄漏情况,应立即停机对换热管查漏,具体方法如下:打开各换热器人孔,管板清理干净,接氮气管对机组内腔充压0.1 MPa,在管板两端用肥皂水查漏。查漏完成后,用铜塞将泄漏铜管两端堵死,确认无漏点后泄压抽真空。

(4)如泄漏频繁,则考虑更换换热管,可更换同等规格的铜管或薄壁不锈钢管。以龙宇煤化工为例,将两侧吸收器由原φ16×1.0 mm铜管更换为材质316L×16×0.6 mm薄壁不锈钢管,冷凝器由原φ19×1.0 mm铜管更换为材质316 L×19×0.6 mm薄壁不锈钢管。

铜管更换不锈钢管后,从运行效果来看,基本与更换前无较大差别,制冷量衰减不到5%,只要控制好循环冷却水温度即可完全能满足生产需要。需特别注意的是,更换过程中管子与管板采用胀接方式,更换完成后要进行气密实验。更换流程如下:①首先将内腔用氮气充至0.1 MPa,接管将溶液排净,如果内腔较脏,拆除溶液泵,对内腔进行水冲洗;②打开人孔抽管;③更换新管;④充压至0.1 MPa查漏;⑤灌入溶液试运行。

两种材质对比结果如下:一是铜管的导热系数为 100 W/m ℃,不锈钢管的导热系数为 13 W/m ℃,但不锈钢管的壁厚可以减薄0.5到0.8 mm,而铜管因强度及冲蚀磨损等原因,其壁厚一般不低于1.0 mm;二是由于管子材质采用 SUS316L不锈合金钢,具有较高的硬度,钢度也明显提高,有很强的抗冲击性能及抗振性能;三是不锈钢管内壁光滑,使得其边界层流底层厚度减薄,既强化换热,又提高了抗结垢性能。如果是新建项目,可以考虑按照不锈钢管进行设计,从设计上消除换热效率的影响,这样更经济,性能更优越。龙宇煤化工二期乙二醇项目借鉴一期经验,换热管全部按照材质316 L×1.0 mm厚度设计,运行效果良好。

2.2 变频器故障或过载

溴化锂吸收式制冷机稀溶液泵设置有变频器,主要根据高发器温度调整机组稀溶液泵运行负荷。在溴化锂吸收式制冷机运行过程中,如出现机组不制冷或报警的情况,一种情况是变频本身故障,导致稀溶液泵无法运行;另一种情况是稀溶液泵故障导致变频过载跳车。当出现故障时,要排查是变频本身问题还是因溶液泵故障导致的无法运行,无论哪种情况,当稀溶液泵无法正常运行时,原有溶液循环平衡被打破,导致机组报警跳车或不制冷。

2.2.1变频器本身故障

随着使用年限的增加,变频器电子原件老化,导致变频故障,变频器频率无法正常输出。需联系电气人员测量变频器输出信号,若出现损坏,需进行维修更换。

2.2.2变频器过载

溴化锂吸收式制冷机的溶液泵一般采用无泄漏的屏蔽泵,过载的原因如下:一是绕组老化;二是因前期冷却水泄漏溶液污染,长期运行产生的沉淀和污泥造成轴承磨损,运行电流升高。变频器过载会出现两种情况:一种是变频器输出频率较低,输出频率上不去,原因是泵超过额定电流,导致变频器频率输出低,稀溶液泵低速运转,泵打液量不足,溶液循环的平衡被破坏;另一种原因是变频器直接报过载,输出OL1代码,这种情况一般多为屏蔽泵已无法运行。泵过载时会出现泵体发热严重,泵出口温度升高,当出现上述两种情况时要立即停机,对泵进行拆检处理,平时运行期间应加强关注泵体温度和泵出口溶液温度变化,显著升高时采取降温降负荷处理,择机对泵进行拆检、更换磨损部件。

2.3 溶液污染再生处理

因换热管破裂、冷却水漏入腔体内导致溴化锂溶液污染和溶液浓度降低,可通过在线运行实现再生和溶液过滤,其方式如下:在稀溶液泵出口至再生器的管路间增加过滤器,以稀溶液泵自身动力过滤溶液的杂质,也可以在过滤器前增加外置1 Nm3/h螺杆自吸泵,可提高过滤效率。机组运行后,投入蒸汽,当蒸发器视镜有液位时,在冷媒泵出口管路接1 Nm3/h螺杆自吸泵进行抽水。根据蒸发器、吸收器液位判断抽水量,最好的办法是用密度计测量稀溶液泵出口溶液的相对密度,当其不低于1.5时,表明抽水基本结束,此时溶液浓度达到原始灌装时的浓度。

2.4 再生过滤作业注意事项

(1)外置过滤器选用不锈钢过滤器,滤芯可选用PP棉滤芯,顶部装压力表,当压力大于0.25 MPa时更换滤芯,投用过滤器前要保证气密良好、无泄漏,以免空气进入机组或溶液外漏。当经过一段时间过滤后,溶液中的沉淀杂质被过滤出来,溶液透明度逐渐恢复正常,滤芯不脏时可停止过滤,也可一直保持投用状态。

(2)抽水作业时,要根据蒸发器和吸收器液位综合判断,避免抽水过多造成浓度浓度过大,运行过程中由于浓度高而产生结晶现象。初期抽水需测量抽出水的密度,如相对密度小于1.05,可直接外排;如大于1.05,需开净化阀净化一段时间后再进行抽出外排。

(3)由于溶液再生过滤和前期的频繁抽真空作业导致溶液中异辛醇量减少,根据运行效果,可补加部分异辛醇,溶液加0.1%到0.3%可以提高10%的制冷量,由龙宇煤化工实验结果可知,当异辛醇缺少,制冷量衰减较大,补加后冷水温差增加1 ℃。异辛醇能减小溴化锂溶液的表面张力,从而增强溶液与水蒸气的结合能力。

3 长期停机的保养

长期停机时,可将吸收器内的溶液部分旁通至蒸发器,并使水与溶液混合,以防在环境温度降至0 ℃下冻裂蒸发室。停机保养一般采用真空和充氮两种方法。

(1)真空保养,是在机组停机后仍使机组处于真空状态,省去了充氮工艺操作。机组运行前依然是真空状态,可直接开机运行。真空保养必须要设专人每天监测真空度,发现泄漏立即处理。

(2)充氮保养是向机内充入0.05～0.1 MPa(g)左右的氮气,让其成为正压状态,当机组有漏点时,保证空气无法进入。当机组停机时,循环冷冻水侧及循环冷却水换热管尽量采用充满水湿法保养。冬季停机保管时,如不能保证机房温度在5 ℃以上,必须将水系统的水排净,以防冻裂机组传热管,并进行充氮气保护。

4 防冻措施

为了防止蒸发器内水的冻结,造成铜管的破坏,将吸收器内的部分溴化锂溶液通过临时管导入到蒸发器中,使蒸发器中溴化锂溶液浓度提高,降低了蒸发器内溶液的冰点,操作如下:①首先关闭溴化锂吸收式制冷机的循环冷冻水进出口阀,打开进出口导淋,将机内的循环冷冻水排净;②将溴化锂吸收式制冷机内的蒸汽、蒸汽凝液和循环冷却水排净;③将溴化锂吸收式制冷机现场控制柜内的140和136端线与171端线用临时接线连接,将其短路(140-171代表冷水流量,136-171代表冷水泵,135-171代表冷却水泵);④用临时管将稀溶液泵出口和冷媒泵出口连接;⑤让电气人员给机组送电;⑥确认机组来电后启动机组,运行正常后(三台屏蔽泵运行正常),打开冷剂泵出口连接阀,然后缓慢打开稀溶液泵出口连接阀;⑦运行时,注意临时管的密封情况、吸收器视镜液位(开始时是满的状态);⑧运行约60～90 min后,停溴化锂吸收式制冷机,等冷媒泵停止后,关闭稀溶液泵出口连接阀,然后关闭冷剂泵出口连接阀,将连接的临时管拆除;⑨最后机组自动稀释后停下,将操作柜内总电源开关关闭后,将140和136端与171端的临时接线拆除。值得注意的是,下次开车之前冷媒必须进行冷剂净化。

5 机器换热管的清洗

溴化锂吸收式制冷机经过长期运行后需要停机以清洗循环冷却水换热管,从而提高机组换热器换热效率。换热管一般采用机械清洗,由于管壁较薄,清洗时不要采用过高的压力,以免损坏换热管。

6 结语

本文通过对龙宇煤化工2套40万t/a乙二醇装置配套的溴化锂制吸收式冷机运行中常见的换热管泄漏现象判断、后续换管处理及溶液再生、变频器故障、长期停机维护防冻等问题进行总结,并提出了处理措施,为乙二醇装置长周期、安全运行保驾护航,也给同类装置的运行提供参考意见。