YPON-3750/1710型氧氮液化裝置技術改造

周金城，劉江淮

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司氣體銷售分公司，安徽馬鞍山243011）

YPON-3750/1710型氧氮液化裝置技術改造

周金城，劉江淮

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司氣體銷售分公司，安徽馬鞍山243011）

介紹了馬鋼YPON-3750/1710型氧氮液化裝置膨脹機本體、潤滑油系統、加溫氣密封氣與儀表氣系統、相關閥門在運行中存在問題，分析了問題原因，闡述了根據液化裝置工藝特點采取的具體改造措施，敘述了改造效果及改造后出現問題。

液化裝置；膨脹機；液氧；液氮；壓力；振動

馬鞍山鋼鐵股份有限公司（以下簡稱：馬鋼）氣體銷售分公司配備的YPON-3750/1710型氧氮液化裝置是四川空分設備（集團）有限責任公司設計、制造。氧氮液化裝置采用氮氣循環工藝，由中壓增壓透平膨脹機、換熱器E4001、液化器E4002、過冷器E4003、氧氮貯液器SV4001與SV4002組成。氧氮液化裝置流程簡圖見圖1。

馬鋼氣體銷售分公司根據設備運行中存在問題與液化裝置工藝流程特點，于2013年12月至2014年1月，對YPON-3750/1710型氧氮液化裝置進行了多項技術改造。

1 膨脹機本體

液化裝置配備1臺中壓增壓透平膨脹機，使來自馬鋼管網的中壓氮氣在膨脹機增壓端增壓后進入氣體冷卻器、換熱器E4001冷卻，在膨脹機膨脹端等熵膨脹制冷，為液化裝置提供冷量，將馬鋼管網氧氣、氮氣液化輸入低溫液體貯槽。

圖1 YPON－3750/1710型液化裝置流程示意圖

1.1 存在問題及原因分析

（1）液化裝置自2001年投產后，設備啟動、停機、跳機、加溫次數頻繁，膨脹機性能逐年下降。同時，膨脹機故障檢修次數逐年上升，液化裝置備件更換量大，備件采購困難，設備運行成本高。2013年膨脹機運行參數如下：

膨脹量：12000～13000 m3/h；

膨脹端軸溫：25～27℃；

增壓端軸溫：59～64℃。

膨脹機部件檢修情況：

葉輪損傷：專業廠家修復、做動平衡試驗；

導流器噴嘴葉片磨損：無法修復；

氣封損壞、油封損壞、膨脹機軸承損壞：均更換。

（2）液化裝置原配備膨脹機等熵膨脹效率低、制冷量低，液化裝置自2001年投產后，液氧、液氮產量未達標。

液化裝置原設計的膨脹機增壓端吸入壓力不適合馬鋼氮氣管網。因馬鋼中壓氮氣管網波動大，造成膨脹機進出口壓力、溫度與膨脹量波動均較大，液化裝置運行工況不穩定，液氧、液氮產量低。

1.2 改造措施

（1）整體更換1臺中壓增壓透平膨脹機。新更換膨脹機針對馬鋼生產狀況進行專門設計，適合馬鋼管網變化生產需要。

新更換膨脹機等熵膨脹效率提高至81%，提高膨脹機單位制冷量。

新更換膨脹機增壓端流量提高至25000 m3/h，膨脹機膨脹端流量提高至23000 m3/h，提高膨脹機總制冷量。

新更換膨脹機增壓端吸入壓力設計為1.5 MPa，適合馬鋼中壓氮氣管網壓力波動，保證液化裝置運行工況穩定。

（2）膨脹機儀控系統改進

對新更換膨脹機專門設計最低流量防喘振控制系統，在馬鋼管網壓力波動過大時，可以有效避免膨脹機喘振，保證設備運行安全。

因原配備膨脹機未設置軸振動測量點，膨脹機轉子、軸承故障率高。為此，將新更換膨脹機增壓端與膨脹端各增設2個軸振動測量點，有效監測膨脹機轉子與軸承運行狀況，保證設備長周期運行。

2 潤滑油系統

膨脹機潤滑油系統為膨脹機軸承、主軸及其他摩擦件提供潤滑油，使之潤滑冷卻。液化裝置膨脹機原配置潤滑油系統由油箱、1臺油泵、2組油過濾器、1組油冷卻器、1臺油壓容器組成。潤滑油系統未設置油霧分離器，只從油箱頂部引出一根碳鋼管道，將油箱中油霧直接排放大氣。

2.1 存在問題及原因分析

（1）因液化裝置膨脹機原設計只設置1臺油泵，不盡完善。液化裝置在運行中，膨脹機油泵因機械、電器故障多次停運，油壓容器僅能維持油壓100 s，液化裝置因膨脹機油壓低跳機。同時，潤滑油壓力低造成高轉速膨脹機轉子及軸承損傷，膨脹機更換損毀部件。

（2）因液化裝置未設置油霧分離器，在液化裝置膨脹機運行中，油箱真空度未形成，造成油泵出口壓力高、油泵電機電流高。油泵在運行中發生多起油泵電機電流高停運與油泵電機線圈燒毀故障。

同時，從膨脹機油箱頂部設置排油霧碳鋼管在膨脹機運行中，油霧去除率低，排油霧管出口有油間斷下滴，不但污染環境，而且膨脹機潤滑油損耗率大，油箱平均運行1個月需補充約70 L潤滑油，設備運行成本增加。

2.2 改造措施

（1）油泵、油壓容器

將膨脹機潤滑油系統專門設置2臺同型號油泵，一用一備。同時，更換一臺油壓容器，在2臺油泵停運時，油壓可維持275 s，保證設備運行安全。

改進液化裝置儀控系統，對2臺油泵增設控制邏輯：利用油壓控制雙油泵運行。即膨脹機潤滑油壓力降至低報警值時，備用油泵自動啟動。

同時使用油泵運行反饋信號控制雙油泵運行。即運行油泵因故障停機，其運行反饋信號消失時，備用油泵自動啟動，保證膨脹機潤滑油壓力正常。

（2）油霧分離器

有針對性地對膨脹機潤滑油系統增設1臺油霧分離器。新增設油霧分離器由排油煙風機、過濾器、回油收集管、壓力真空表組成。

油霧分離器油霧去除率設計為98%，該油霧分離器實際運行時，油霧分離器排氣口無油煙，壓力真空表為-2.7 kPa，油箱形成有效真空度。

改進液化裝置儀控系統，增設油霧分離器運行反饋信號作為油泵啟動聯鎖條件。即油霧分離器啟動后其運行反饋信號正常，油泵方可以啟動，使油箱形成真空度，潤滑油回油順暢，油泵出口壓力與油泵電機電流正常，保證設備運行安全。

3 加溫氣儀表氣與密封氣系統

液化裝置所需加溫氣、儀表氣與密封氣均取自馬鋼中壓氮氣管網中干燥潔凈氮氣。即在馬鋼中壓氮氣管網中引一路中壓氮氣經減壓閥V4911減壓至1.0 MPa作為儀表氣與密封氣，1.0 MPa氮氣再經減壓閥V4912減壓至0.5 MPa，作為液化裝置加溫氣源。

3.1 存在問題及原因分析

因液化裝置加溫氮氣、儀表氮氣、密封氮氣共用一路經減壓閥V4911減壓至1.0 MPa的氮氣管道，氮氣管道直徑為?50 mm，該股管道的氮氣流量小于液化裝置所需加溫氮氣、儀表氮氣與密封氮氣流量之和。

液化裝置處于加溫狀態，密封氣與儀表氣壓力持續下降，操作人員必須降低加溫氮氣流量，以此保證設備加溫時，油泵安全運行、氣動調節閥正常調節對密封氮氣與儀表氮氣壓力流量要求。

液化裝置因加溫氮氣量不足，造成設備加溫時間過長、加溫不完善，液化裝置運行周期縮短。

3.2 改造措施

將加溫氮氣管道從原設置加溫氣、儀表氣與密封氣管道中分離，使原設置中壓氮氣經減壓閥V4911減壓后的1.0 MPa氮氣管道為儀表氣、密封氣專用氮氣管道。以此保證設備加溫時，密封氣與儀表氣壓力、流量穩定。

另從中壓氮氣管網中單獨引一路中壓氮氣，經新更換的減壓閥V4912減壓至0.8 MPa，作為液化裝置專用加溫氮氣，以此滿足設備加溫時對加溫氮氣壓力、流量要求。加溫氣、儀表氣與密封氣改造前后示意圖如圖2。

圖2 加溫氣、儀表氣與密封氣改造前后示意圖

4 閥門

4.1 常溫閥門V4101

液化裝置在中壓氮氣進氣總管設置1只氣開式兩位閥V4101，V4101閥門僅具有全開、全關功能，該閥從全開至全關需29 s左右，V4101閥為手動遠程操作。

（1）存在問題及原因分析

在液化裝置故障，膨脹機進口導葉與緊急切斷閥均不能全關狀態，膨脹機未能停運時，操作人員只能手動遠程操作V4101，將其全關。因V4101閥門全開至全關時間偏長，膨脹機未能及時停運，使膨脹機軸承等部件受損，膨脹機只能更換受損部件。

（2）改造措施

更換液化裝置中壓氮氣進氣閥V4101。新更換V4101閥門仍為氣開式兩位閥，閥門從全開至全關只需2 s。在液化裝置故障時，V4101閥門可快速全關，使膨脹機及時停運。

改進液化裝置儀控系統，增設V4101閥門控制邏輯。即液化裝置故障跳機時，液化裝置中壓氮氣進氣閥V4101故障聯鎖自動全關，保證設備安全。

4.2 液氮節流閥HV4001

液氮節流閥HV4001將出過冷器E4003冷端的液氮經節流降溫，具備一定過冷度后輸入液氮貯槽。

（1）存在問題及原因分析

液化裝置原設置液氮節流閥HV4001節流汽化率高，使出過冷器E4003冷端的液氮經液氮節流閥HV4001節流后，汽化的液氮量高，進入液氮貯槽的液氮產量降低。

原設置液氮節流閥HV4001節流降溫效果不佳，液氮過冷度小，液氮進入貯槽后，貯槽內液氮蒸發量增大，液氮實際產量降低，同時造成液氮貯槽壓力高，液氮貯槽壓力放空閥開度大。

（2）改造措施

通過向設計制造廠咨詢，訂購1只高性能進口液氮節流閥，將液氮節流閥HV4001更換。液氮經新更換液氮節流閥HV4001節流后，液氮汽化率低，過冷度高，輸入液氮貯槽實際液氮產量未降低，同時降低液氮貯槽壓力，保證設備安全。

5 改造效果及改造后出現問題

5.1 改造效果

液化裝置2014年2月改造完畢投入運行，改造效果較好。在膨脹機膨脹量提高至17000 m3/h，液化裝置單一生產液氧或液氮時，液氧或液氮產量已分別升至3.74 m3與3.22 m3（液氧或液氮儲槽24 h液態計算）。液化裝置運行，膨脹機進出口壓力、溫度與膨脹量穩定。現今，因膨脹機軸振動值與增壓端軸溫偏高，膨脹量未調至額定值。

改造后膨脹機潤滑油系統油泵、油壓容器、油霧分離器運行均正常，潤滑油系統原存在問題已全部解決。液化裝置全面加溫時間由改造前大于16 h降至改造后小于8 h，設備加溫完善，液化裝置運行周期長。改造后的中壓氮氣進氣閥V4101與液氮節流閥HV4001調節效果顯著，完全達到閥門改造目的。

5.2 改造后出現問題

液化裝置改造完畢，新更換膨脹機自投運后，膨脹機先后發生2起故障。

5.2.1 膨脹機主機故障

2014年4月10日22：10，膨脹機增壓端與膨脹端軸振動值均大于聯鎖值，通過膨脹機解體查明，因膨脹機增壓端與膨脹端進氣過濾器鉚釘脫落，脫落鉚釘打擊高速旋轉膨脹機工作輪，造成工作輪破碎，軸承、密封系統、噴嘴環損壞。

設備設計、制造單位為膨脹機更換1套轉子總成，更換膨脹機軸承、噴嘴環葉片。針對進氣過濾器鉚釘脫落現象，將2只氣體過濾器內緊固過濾筒內、外表面鉚釘全部點焊，杜絕過濾器鉚釘脫落現象。

5.2.2 膨脹端工作輪故障

2014年6月12日9：30，膨脹機膨脹端軸振動值升高，通過膨脹機解體查明，因膨脹端工作輪使用材料與加工工藝不佳，工作輪在低溫高速旋轉狀態下，材料屈服極限不理想，膨脹端工作輪有6片葉片邊緣卷邊。

設備設計、制造單位再次為膨脹機更換1套轉子總成。目前，液化裝置運行，膨脹機軸振動值與增壓端軸溫仍偏高，制約膨脹量達標。

為此，現階段對膨脹機操作方法進行優化，在膨脹機軸振動值與軸溫穩定時，分步提高膨脹量。在此期間，適當降低膨脹機軸振動與軸溫聯鎖值，保證膨脹機運行安全。同時，與設備設計、制造單位聯系，為膨脹機作動平衡試驗及檢查膨脹機軸承，使膨脹量達到設計指標。

6 結束語

通過分析馬鋼YPON-3750/1710型氧氮液化裝置存在問題及產生原因，針對氧氮液化裝置工藝流程特點，對液化裝置進行技術改造，保證設備安全穩定經濟運行，平衡馬鋼氧氣氮氣管網需求，增加馬鋼液體外銷收入。

同時，針對液化裝置改造后膨脹機發生2起故障，設備設計、制造單位應精益求精，完善設計與加工工藝，從源頭杜絕設備隱患。

TechnicalM odification ofYPON-3750/1710Oxygen-Nitrogen Liquefaction Device

ZHOU Jincheng，LIU Jianghuai
(TheGasesSaleCompanyofMaanshanIronandSteelCo.,Ltd.,Maanshan,Anhui243011,China)

Problems occurred in the operation of expander,lubrication system,heating gas system,sealing gas system,instrument gas system and related valves of the YPON-3750/1710 oxygen-nitrogen liquefaction device of Masteel.Causes of the problems were analyzed,specific modification measures based on the process features of the device were presented and the results of the modification and new problems after the modification were described.

liquefaction device;expander;liquefied oxygen;liquefied nitrogen;pressure; vibration

TQ116.11

B

1006-6764(2014)12-0035-04

2014－08－15

2014－09－16

周金城（1971－），男，制氧高級技師，1994年畢業于馬鋼職工大學制氧專業，現從事制氧生產技術工作。