合成氨装置氨冰机跳车原因分析及解决

陈海庭，王 许

(中海石油化学股份有限公司，海南 东方 572600)

0 引 言

中海石油化学股份有限公司富岛一期1 000 t/d合成氨装置于1996年10月建成投产，主生产系统包括天然气转化、变换、脱碳、甲烷化、氨合成等系统。其中，氨冰机作为氨合成系统的重要设备，一直是单机运行模式，设计转速为9 900 r/min、实际运行转速为9 540 r/min，其作用主要是为氨合成系统提供冷量，并按一定的温度、流量输送成品液氨，氨冰机能否正常稳定运行关乎整套合成氨装置的效能。氨冰机驱动透平为三菱公司制造的抽汽背压式蒸汽透平，压缩机为日立公司制造的水平剖分三段离心式压缩机，低压缸为压缩机一段，高压缸为压缩机二段、三段；压缩机轴封型式为机械油密封，低压缸采用平衡盘平衡轴向推力，高压缸采用背靠背设计；机组径向轴承采用可倾瓦式，推力轴承采用金斯伯雷式；机组控制系统现为康吉森公司的TS3000系统，工艺系统联锁集成在合成氨装置安全仪表系统(SIS)，本机联锁和调速系统则集成在TS3000系统，防喘振控制系统集成在DCS。自1996年投运以来，氨冰机总体运行稳定。2005年，原料空气压缩机低压缸(02K001)一段入口增设冷却系统，使用液氨作为冷却介质，空冷系统氨冷却器(02E006)来的气氨进入氨气压缩机低压缸(09K001)二段入口；2008年，原控制系统WOODWARD的515调速器升级为TRICONEX公司的TRICON系统。近年来，氨冰机在成功启动后短时间内多次出现跳车事故，严重影响了上下游系统的开车运行，找到氨冰机跳车原因并予以彻底解决尤为重要。以下对有关情况作一介绍。

1 最近两次氨冰机跳车事故简介

(1)2018年6月13日07:00，氨冰机启动过程中升速至3 000 r/min时发生密封油气压差低联锁跳车(油气压差指标为180 kPa，联锁设定值为50 kPa)。经分析与排查，确认本次事故是气动调节器(PDIC09055)控制失稳造成油气压差失控所致，后经调整PI参数，PDIC09055控制恢复稳定。

(2)2018年6月13日08:30，氨冰机重启过程中快达到最小控制转速8 492 r/min时，气动调节器(PDIC09055)控制失稳跳车，用夹具限制密封油回油调节阀(PV09059)不能下关后，在线更换气动调节器，重新整定PI参数，控制恢复稳定；氨冰机再次开车后，升速过程中开气氨阀时工况出现较大波动，触发密封油泵双泵运行(正常生产时密封油泵一开一备)，将PDIC09055打为手动模式稳定差压，再次投自动后其差压波动仍较大，联系工艺人员缓慢关小前截止阀后密封油回油调节阀(PV09059)、增大油气差压调节阀开度，PDIC09055输出稳定，油气差压也恢复稳定。

2 氨冰机跳车原因分析与排查

2017年以前氨冰机油气压差一直比较稳定，但2017年以来正常生产中氨冰机油气压差易出现异常波动，当油气压差在175～190 kPa区间时，密封油回油调节阀(PV09059)阀位约50%，气动调节器(PDIC09055)处于稳定调节区间，但一旦油气差压超出175～190 kPa区间，PDIC09055输出压力就易波动，造成调节阀失调，从而引起油气差压联锁动作。现场使用的控制回路中，差压变送器、就地调节器等均为老式气动型产品，而气动器件在控制过程中存在一定的传递滞后与测量精度不高等问题。工艺设计中，PDIC09055的给定值为180 kPa，现场变送器测量值波动范围在150～220 kPa之间，这对于PDIC09055的给定范围来说过于巨大，导致调节器内部的P、I调节无法做到稳定被调参数与消除余差。据工艺人员反映与现场观察得知，氨冰机油气压差波动较为频繁，要想稳定油压则需PV09059动作不能有较大的滞后性，这就要求阀门定位器应具有较快的动作速度以及调节精度，而现场使用的老式气动定位器并不能满足工艺控制要求。

统计数据显示，2015年、2016年、2017年、2018年、2019年、2020年氨冰机控制油电磁阀(SV09073)线圈电阻值(一年测1次)分别为211.5 Ω、214.3 Ω、224.2 Ω、240.3 Ω、255.7 Ω、268.2 Ω。可以看到，电磁阀线圈电阻值在2016年后开始出现异常增大现象，询问工艺操作人员后得知SV09073在近些年发生过若干次电磁阀不带电情况下复位手柄未能成功复位的事故。经分析与讨论，得出结论，SV09073常年工作在高温环境下，内部线圈电阻已出现异常增大现象，而线圈电阻增大则极有可能会导致电磁阀动作异常，通过更换电磁阀是能够有效解决电磁阀动作异常问题的。近年来氨冰机跳车可能原因与排查情况梳理见表1。

3 解决方案及可行性分析

排查情况表明，氨冰机跳车的可能原因主要有两方面--油气差压调节器失调、电磁阀动作异常，需通过对比分析制定相应的解决方案。

3.1 解决方案选择

3.1.1 油气差压调节器失调

针对油气差压调节器失调，在更换现有调节回路器件的前提下于变送器负向导压管前增设1台缓冲罐是一种解决方案，因为在气相端增设缓冲罐可在一定程度上消除气压波动，可缓解油气差压波动，且该方案便于实施；但单独在气相端加装缓冲罐，液相油压仍存在波动，依然存在整体油气差压波动较大的风险。

将气动调节回路整体更新为智能电动回路并在主控DCS内重新组态，智能电动回路能有效提高调节精度并克服调节滞后问题，智能定位器与变送器由于使用电动回路，整体测量反馈速度以及响应速度均会得到明显提升，对于波动较大较频繁的回路，能完美克服其调节不稳的情况。

3.1.2 电磁阀动作异常

针对电磁阀动作异常，对其内部复位弹簧进行更换(拆下电磁阀，解体，用库房弹簧备件更换即可)可在一定程度上解决电磁阀失电状态下复位手柄无动作的现象，然而电磁阀内部线圈电阻值增大为不可逆现象且库房并无线圈备件，无法解决内部线圈电阻值增大的问题，亦即电磁阀故障问题并不能得到彻底解决。简言之，更换电磁阀内部复位弹簧，消耗材料虽仅为新弹簧1个，整体成本可以忽略不计，但此方案并不可行。更换为新的电磁阀，简单直接，只需将原电磁阀断电拆线拆卸并安装新电磁阀即可，能有效解决旧电磁阀内部线圈电阻值增大以及复位弹簧老化等问题。

3.2 可行性分析

(1)针对油气差压调节器失调问题，将气动调节回路整体更新为智能电动回路并在主控DCS内重新组态，现场将旧调节回路整个拆除，安装智能阀门定位器与智能差压变送器并配管连接，将定位器与变送器电信号线接至SIS机柜安全栅，主控DCS操作界面完成卡件内部调节组态，并整定新调节系统的PI参数。其他气动调节器回路有成功改造的经验，本技改方案总体上可行。

(2)针对电磁阀动作异常问题，试验将旧电磁阀拆下更换为同型号的新电磁阀--将旧电磁阀主控220 V供电切断并拆下电磁阀内部电线，将旧电磁阀整体拆下并更换为新电磁阀且接线，测试新电磁阀复位手柄动作情况后，主控送220 V电测试电磁阀整体动作情况。试验结果表明，新电磁阀内部线圈电阻值在210～220 Ω区间，线圈对地绝缘良好，电磁阀带电与失电动作正常，复位手柄动作流畅，电磁阀失电时复位手柄能正常复位，本技改方案总体上可行。

4 技改措施

4.1 调节器更新

2020年5月，将原有调节回路器件整体拆除，包括就地调节器、气动变送器、气动阀门定位器、气电转换器，安装新调节回路器件并配好器件间的不锈钢导压管；现场完成器件安装后，将阀门定位器与变送器通过电信号线连接至SIS机柜内，机柜内卡件与电信号线间用安全栅进行隔离。原调节系统使用气电转换器将油气差压气信号转换为电信号输送至机柜卡件内，并已完成压力报警与联锁的功能组态，当变送器检测到油气差压发生变化时，定位器通过调节密封油阀开度来调节回路中的油气差压值使之稳定在所需的给定值附近--油气差压过小会导致联锁动作，油气差压过大则会导致报警动作。经过2 d的探讨与设置，作业小组顺利完成了控制系统的功能组态，回到现场，作业小组又对阀门定位器与变送器进行了最后的单独校验与参数标定。

4.2 电磁阀更新

2020年5月，从公司库房找来同型号的电磁阀备件，新电磁阀复位手柄动作良好，实测其内部线圈电阻值为211.3 Ω，对地绝缘良好，用新电磁阀替换旧电磁阀完成安装；其后，作业小组联系工艺人员协作对新电磁阀进行功能测试，包括控制油建立功能以及联锁失电复位功能。经测试，在复位后工况正常的情况下，新电磁阀能顺利带电动作建立控制油压并使复位手柄保持在相应位置；联锁动作试验，电磁阀正常失电，复位手柄复位并将控制油压缷除。

5 技改效果

先更新了调节器时氨冰机油气差压波动频率存在变快迹象，接着又更新了电磁阀后氨冰机油气差压波动频率降低。调节器与电磁阀更新都完成后，对氨冰机运行状况进行跟踪与统计，从DCS界面来看，氨冰机转速较为平稳，均在正常运行区间；各振动与位移探头示数也较稳定，温度探头数据准确且一致；新电磁阀运行状态良好，每日测量电磁阀外壳温度，电磁阀外壳温度整体上波动较小，无异常温升情况，最高温度只有42 ℃；观察油气差压趋势图--对氨冰机油气差压波动量进行记录并绘制趋势图进行监控，可发现油气差压波动整体上呈等幅震荡趋势，峰值185kPa、最低值174kPa，总体波动量较小，维持在10kPa以内，较改造前明显改善。总之，重启之后的氨冰机各项运行数据均良好（无异常），再未出现过因自身故障导致的跳车，改造达到了预期目标。

6 结束语

氨冰机是一种制冷设备，利用氨气作为工质，通过压缩、冷凝、膨胀和蒸发等过程，将热量从低温的物体或空间带走，使其温度降低，达到制冷的目的。氨冰机常用于工业和商业领域，如冷库、制冷系统、空调等。相较于传统的制冷设备(如氟利昂压缩式制冷系统)，氨冰机具有能耗低、制冷效率高等优点，但其操作和维护风险也相对较高，需要专业技术人员进行操作和维护。日常生产中，导致氨冰机跳车的原因有油气差压调节器失调、电磁阀动作异常、打闸弹簧机械结构损坏、控制油/润滑油压力开关动作异常等，出现问题后，需及时查明原因，制定相应的解决方案，并对其实际应用效果进行检查确认，制定相关的巩固措施，优化工艺指标，稳定氨冰机的工况，尽量避免跳车事故的发生。本次针对油气差压调节器失调、电磁阀动作异常导致的氨冰机跳车，经过不懈努力，成功解决了氨冰机启动过程中的跳车问题，消除了隐患，降低了生产消耗，优化了工艺指标，并整理汇总了有关生产数据和巩固措施。值得一提的是，本次技改将老式气动调节回路整体更新为智能电动回路，回路调节效果得到极大优化，富岛一期1 000 t/d合成氨装置与1 765 t/d尿素装置有多处气动调节回路，如合成气压缩机密封油回油调节器(PDIC07062)、液位调节器(LIC07055、LIC07059)等，建议在下次大修期间再次进行类似的回路改造，并且可考虑在公司其他装置中推广应用。总之，此种技改投资小、实施易、效果好，可为业内提供一些参考与借鉴。