幾起典型的空分設備主換熱器堵塞現(xiàn)象及處理

凌 波，廖嘉鋒，沈柳平

（柳州鋼鐵集團公司氣體公司，廣西柳州 545002）

1 引言

空分設備主換熱器的換熱能力和通過能力良好與否，對于空分設備能否長期保持高效低耗、安全穩(wěn)定的運行狀態(tài)至關重要。而侵入空分設備的各種雜質，如水分、C O2、分子篩粉末、珠光砂、機械雜質、泄漏的潤滑油等，被氣流帶動，往往最終堵塞在主換熱器通道中，造成主換熱器阻力上升、換熱不良。嚴重時，對空分設備工況穩(wěn)定性、產(chǎn)品產(chǎn)量、純度都造成很大影響，甚至引發(fā)事故。

柳州鋼鐵集團公司（以下簡稱柳鋼）6000m3/h、15000m3/h、28000m3/h空分設備近幾年來相繼發(fā)生主換熱器和過冷器堵塞故障，影響正常生產(chǎn)，被迫停車處理。這幾起故障的堵塞雜質及進入渠道、現(xiàn)象及處理方法都具有典型性，現(xiàn)將其進行總結，供同行參考。

2 水分堵塞故障

2.1 故障現(xiàn)象

柳鋼15000m3/h空分設備是2003年投產(chǎn)的內壓縮流程空分設備。2009年2月18日，因外部用氧減少，15000m3/h空分設備停車，帶液冷備。2月20日，因外部用氧增大，15000m3/h空分設備重新開車。出氧后，隨著氧氣產(chǎn)量逐漸恢復正常，發(fā)現(xiàn)高壓主換熱器熱端溫差有擴大趨勢。當氧氣產(chǎn)量取至16000m3/h時，氧氣出冷箱溫度低至8℃，管道出現(xiàn)結露，高壓主換熱器空氣通道和氧氣通道的熱端溫差達到15℃，而停機前該溫差僅為3℃～5℃。由于氧氣通道跑冷嚴重，冷損較大，主冷液位只能維持生產(chǎn)，不能生產(chǎn)液體產(chǎn)品。

其他異常現(xiàn)象還有：高壓液空通道無液位顯示，在此液位計的取壓管上接現(xiàn)場壓力表對比，液位負管壓力比液位正管壓力高，表明高壓空氣通道阻力較大。中部溫度由-100℃降低至-110℃，表明高壓空氣通道通過量減少。因此判定高壓空氣通道存在堵塞，導致高壓主換熱器熱交換不完全。

2.2 原因分析

組織技術人員對造成堵塞的原因進行查找分析。可能原因有：（1）分子篩吸附效果差，造成C O2和水分進入空氣通道凍結；（2）停車期間增壓機級間冷卻器泄漏，冷卻水進入氣側；（3）停車期間膨脹機增壓端后冷卻器泄漏，冷卻水進入氣側。對這三個可能原因進行逐一分析排除。

在空分設備停車前和重新投運過程中，在線分析儀顯示出分子篩吸附器空氣中C O2含量均小于1×10-6，分子篩使用和再生情況良好。而且低壓主換熱器空氣通道未出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，可以排除分子篩吸附效果差。

增壓機級間冷卻器泄漏和膨脹機增壓端后冷卻器泄漏都有可能造成高壓主換熱器空氣通道冰堵。但膨脹機進口空氣同樣取自增壓機末端，并未出現(xiàn)轉速下降、膨脹端進口壓力下降等堵塞跡象，因此可以排除增壓機級間冷卻器泄漏，判斷膨脹機增壓端后冷卻器泄漏導致冰堵。

2.3 處理措施和效果

3月17日停下15000m3/h空分設備，拆下膨脹機增壓端后冷卻器做試壓檢查，發(fā)現(xiàn)數(shù)條銅管存在泄漏。更換新的冷卻器。因為冰堵僅存在主換熱器高壓空氣通道和下塔，為節(jié)省處理時間和成本，我們采用局部加溫方案，即用外來氮氣先加溫下塔，再單獨反吹高壓空氣通道。具體處理措施如下，吹掃流路圖如圖1所示。

圖115000m3/h空分設備吹掃流路圖

（1）空分設備停車，排盡下塔液空。排盡高壓換熱器通道內的液體。關閉上、下塔所有聯(lián)通閥門。

（2）加溫氣取自附近的中壓氮氣球罐，經(jīng)臨時氣管進入15000m3/h空分設備空氣出分子篩純化器后進冷箱的管道，再通過低壓主換熱器進入下塔，從下塔吹除閥V 307吹出。將低壓主換熱器空氣通道和下塔吹至常溫。

（3）將膨脹機增壓端出口止回閥拆開，下塔氣通過V 8閥，反吹主換熱器高壓空氣通道，從止回閥拆開處吹出。用V 8閥控制吹掃氣量由小至大，保持T I-105常溫。

（4）加溫過程中要監(jiān)護好上塔壓力，防止下塔氣竄至上塔導致超壓。

（5）對膨脹機增壓端氣路也要進行徹底吹掃。

測下塔、高壓空氣通道、膨脹機增壓端氣路水分合格后，重新開機，氧氣產(chǎn)量可以達到17500m3/h，主換熱器熱端溫差恢復正常。

2.4 水分堵塞故障預防措施

分子篩純化器后的設備，如增壓機、膨脹機，其工藝氣體從設備輸出后不再經(jīng)過干燥而直接進入冷箱，一旦帶水，會在主換熱器和分餾塔凍結，造成空分設備運行工況惡化。此類帶水故障通常發(fā)生在設備經(jīng)歷了長時間停機又重新恢復開機過程中。為預防此類故障，應采取以下措施：

（1）在停機狀態(tài)下，盡可能將增壓機、膨脹機的氣體冷卻器水路切斷，排盡冷卻器中的水，從源頭上杜絕水泄漏進氣側的可能性。

（2）在停機狀態(tài)下，每班打開冷卻器氣路吹除閥檢查是否漏水，發(fā)現(xiàn)泄漏要及時處理。

（3）加強對分子篩使用的過程監(jiān)控，嚴格控制出分子篩吸附器空氣中C O2含量小于1×10-6，防止因分子篩吸附不完全導致的水分堵塞。

3 珠光砂堵塞故障

3.1 故障現(xiàn)象

柳鋼6000m3/h空分設備是1997年投產(chǎn)的外壓縮流程空分設備。2009年3月起，發(fā)現(xiàn)6000m3/h空分設備冷箱內壓力異常升高至～800P a，冷箱上部表面大面積結冰，測密封氣氧含量達到27%，表明冷箱內可能存在低溫液體管道泄漏，但是為了保產(chǎn)，沒有立即停機。4月10日，停下空分設備加溫。5月16日起，進行冷箱扒砂和空分設備試壓查漏，發(fā)現(xiàn)在液空進上塔節(jié)流閥V 1閥后第一道焊縫上有一道環(huán)形裂口。經(jīng)過補焊處理，保壓殘留率合格，對冷箱裝砂后于7月10日重新開車。

進入積液和調純階段后，空分工況出現(xiàn)異常，表現(xiàn)在：上塔壓力高至55k Pa，比正常值高出10k Pa；積液過程中，主冷液面上升緩慢；氧氣純度差，僅能調純至99%；出上塔污氮氣量偏少，僅有～4000m3/h，不能滿足分子篩再生氣量要求。在污氮氣進、出過冷器的取樣分析管上接壓力表進行對比，得出污氮氣流經(jīng)過冷器的阻力高達35k Pa。在污氮氣進、出主換熱器的取樣分析管上接壓力表進行對比，得出污氮經(jīng)過主換熱器阻力為5k Pa，屬于正常范圍。綜合以上現(xiàn)象，判斷為過冷器的污氮氣通道堵塞。

3.2 原因分析

首先懷疑是水分凍結堵塞。停車排液后，于7月14日啟動空壓機加溫空分設備至常溫，塔內各點分析露點均在-50℃以下。污氮氣流經(jīng)過冷器阻力僅下降至31k Pa，而純氮氣流經(jīng)過冷器阻力增加至15 k Pa，氧氣流經(jīng)主換熱器阻力增加至10k Pa。排除冰堵可能。

綜合故障發(fā)生和處理過程中的各種現(xiàn)象進一步分析，懷疑是珠光砂堵塞。空分設備被發(fā)現(xiàn)泄漏后帶病運行了一個月，在這期間珠光砂可能會通過液空管道上的裂口進入上塔。空分設備在試壓查漏期間，試壓余氣的排放口是污氮出過冷器吹除閥V 302。泄壓排氣時，進入上塔的珠光砂隨氣流進入污氮管和過冷器，由于珠光砂顆粒體積較大，大部分被換熱器翅片阻擋，堵塞在過冷器污氮氣通道中。發(fā)現(xiàn)堵塞后對空分設備的大加溫，使上塔內殘余的珠光砂隨氣流進入過冷器氮氣通道和主換熱器氧氣通道，同樣造成堵塞。

3.3 處理措施和效果

考慮到成本因素，決定不扒砂，而采用反向吹掃的方法處理。即外接氣源將堵塞在換熱器中的珠光砂吹回上塔，再由上塔吹除閥排出。具體處理措施如下，吹掃流路圖如圖2所示。

圖26000m3/h空分設備吹掃流路圖

（1）從附近中壓氮氣管上接臨時管至污氮氣、氮氣出過冷器后吹除閥V 302、V 303和低壓氧管噴射蒸發(fā)器上的封頭。

（2）將上、下塔聯(lián)通閥全部關閉，避免珠光砂被氣流帶至下塔，造成二次污染。

（3）采用憋壓吹掃的方式，即關閉所有上塔吹除閥，通入加溫氣，將上塔壓力提高至80k Pa，瞬間全開吹除閥，用高速氣流將珠光砂帶出。上塔所有吹除閥都應反復打開吹掃，直至無珠光砂吹出。為增加上塔頂部、中部吹除口，拆掉上塔頂部安全閥V 210、V 211，加裝兩個吹除閥。拆掉粗氬冷凝器安全閥V 769，用V 701閥控制吹除氣量。

從上塔各個吹除閥都吹出數(shù)量不等的珠光砂。經(jīng)過一個多月的反復吹掃，確認各吹除閥都無珠光砂吹出后，于8月23日重新啟動6000m3/h空分設備。主冷出現(xiàn)液體后，排液體檢查發(fā)現(xiàn)有大量珠光砂，反復排放，利用液體清洗塔內殘余珠光砂，完全排凈才開始積液。設備恢復送氧后對比各項參數(shù)，均恢復到故障發(fā)生前水平。

3.4 珠光砂堵塞故障預防措施

珠光砂顆粒體積大、質量輕的特點決定它一旦進入塔內，很容易造成堵塞，又很難被吹出，處理比較困難。為預防此類故障，應采取以下措施：

（1）發(fā)現(xiàn)有冷箱內部泄漏應及時扒砂處理，在扒砂過程中應確保塔內正壓，避免珠光砂通過泄漏點進入塔內。

（2）空分裝置扒砂檢修后都應進行裸冷，檢查管路和設備是否存在泄漏和堵塞，發(fā)現(xiàn)問題便于處理。不能跳過裸冷步驟直接裝砂。

4 分子篩粉末堵塞故障

4.1 故障現(xiàn)象

柳鋼28000m3/h空分設備是2006年投產(chǎn)的內壓縮流程空分設備。從2008年起，生產(chǎn)工況逐步惡化，參數(shù)偏離正常范圍，至2009年，氧氣產(chǎn)量僅能達到24000～25000m3/h。如果提高氧氣產(chǎn)量，主換熱器中部溫度（即膨脹機入口溫度）低于-125℃且較難控制，熱端溫差擴大。液氮產(chǎn)品純度和氮氣產(chǎn)品含氧量分別超過 100×10-6和 1000×10-6，遠超≤5×10-6的設計值。

4.2 原因分析

對這一問題進行分析，發(fā)現(xiàn)進塔空氣量偏少，僅有130000m3/h，比設計量少10000m3/h。中壓空氣流量、高壓空氣流量、膨脹空氣流量都比設計值少，表明主換熱器各空氣通道可能都存在堵塞。2009年9月對空分設備進行大加溫，工況并無好轉。由此可以排除水分和二氧化碳堵塞。2010年3月打開分子篩吸附器人孔檢查分子篩床層，發(fā)現(xiàn)分子篩中有較多粉末，懷疑分子篩粉末被空氣帶入主換熱器，造成主換熱器空氣通道堵塞。

4.3 處理措施和效果

分子篩粉末堵塞在通道翅片上，按正常加溫流路無法將其吹出，只能采用反向吹掃方法。具體處理措施如下，吹掃流路圖如圖3所示。

圖328000m3/h空分設備吹掃流路圖

（1）塔內設備排盡液體，加溫至常溫。

（2）以外來中壓氮氣為加溫氣源，接臨時管至下塔吹除閥V 307，進入下塔。

（3）卸下高壓空氣管道盲板。下塔充壓至0.4 M Pa，全開 V 8閥，迅速全開 V 121、V 122，從高壓空氣管道盲板卸開處吹出。

（4）拆開膨脹機增壓端出口止回閥V 402。全開膨脹機出、進口閥、緊急切斷閥、噴嘴，下塔充壓至0.4M Pa，迅速全開膨脹機增壓端出口閥V 403，從V 402拆開處吹出。

（5）卸下V 1203閥，靠分子篩側法蘭堵盲板。下塔充壓至0.3M Pa，迅速全開V 1216，從V 1203卸開處吹出。

（6）以上吹掃反復進行，直至無異物吹出。吹掃過程中關閉所有上、下塔聯(lián)通閥門，注意防止上塔超壓。

利用冶煉系統(tǒng)同步檢修機會，分別于2010年3月、2011年6月、11月用上述方法對空分設備進行了三次徹底吹掃，吹出大量分子篩粉末。經(jīng)過吹掃復產(chǎn)后，機組工況得到明顯改善，進塔空氣量提升至140000m3/h，膨脹空氣量、高壓空氣量、中部溫度恢復正常，氧氣產(chǎn)量達到28000m3/h，氮氣含氧量下降至100×10-6以下，液氮含氧量穩(wěn)定在1×10-6以下。為徹底清除故障根源，2011年11月，對兩個純化器內的全部分子篩進行過篩處理。

4.4 分子篩粉末堵塞故障預防措施

造成分子篩粉末多的原因，可能是由分子篩閥門操作失誤沖擊分子篩床層，也可能是分子篩輕微進水未及時發(fā)現(xiàn)。由于故障發(fā)生時間跨度較長，無法最終確認。

為預防此類故障，應采取以下措施：

（1）加強對分子篩的日常運行檢查，每班打開進分子篩前吹除閥和底部排污閥檢查是否有水，一旦分子篩進水能夠及時發(fā)現(xiàn)處理。

（2）加強操作管理，避免由于誤操作帶壓分子篩的切換閥對分子篩床層造成沖擊。

（3）停機時注意檢查分子篩的粉化情況，發(fā)現(xiàn)有粉末較多盡可能更換或過篩，否則粉末進入冷箱就加大了處理難度。

5總結

以上三種造成堵塞的雜質中，水分最易處理，持續(xù)穩(wěn)定的加溫氣流就可將其帶出，關鍵是做好加溫流路的標記，做到不留死角。而分子篩粉末和珠光砂相對較難處理，因其呈固體顆粒狀，一般不能通過板式通道，所以采用反向吹掃方式。還要通過提高容器壓力，瞬間全開吹除閥的方法提高吹掃流速，將雜質帶出。對于珠光砂堵塞，在吹掃結束后還要通過一段時間的運行，讓塔內液體進一步清洗殘余珠光砂，并逐步帶出冷箱。對于吹掃流路的選擇，應遵循“最短化”原則，即盡量選擇堵塞點和吹掃口之間最短的流路，并注意避免污染其他管道或設備。

主換熱器堵塞是空分設備常見故障，對生產(chǎn)、安全影響較大，應當引起氣體生產(chǎn)企業(yè)的重視。對可能引發(fā)堵塞的各種因素做好檢查和控制，對主換熱器及前、后設備的異常現(xiàn)象認真分析和及時采取措施，是避免這一故障發(fā)生和擴大的重要手段。