氧氮充瓶裝置技術改造與調試總結

周金城

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司氣體銷售分公司，安徽馬鞍山243000）

氧氮充瓶裝置技術改造與調試總結

周金城

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司氣體銷售分公司，安徽馬鞍山243000）

針對馬鋼配備氧氮充瓶裝置存在工藝流程落后、設備老化問題，通過改進設備工藝流程的技術改造與設備調試，保證充瓶裝置安全經濟運行。介紹了氧氮充瓶裝置存在問題與技術改造措施，闡述了設備調試過程操作方法、出現問題及處理措施、設備改造調試效果與體會。

充瓶裝置；氣瓶；壓縮機；液體泵；汽化器；閥門

1 引言

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1套氧氮充瓶裝置，該套充瓶裝置采用將中壓氧氮氣壓縮充瓶流程，工藝流程安全性、經濟性不佳，設備老化嚴重、故障率高。為此，在2013～2014年，馬鋼通過技術改造，將氧氮充瓶裝置流程改為采用從低溫液體貯槽抽取液氧液氮壓縮汽化充瓶流程，同時增設1套氬氣充瓶裝置。

2 存在問題

2.1 工藝流程落后

原配備氧氮充瓶裝置是從中壓氧氮氣管網中抽取2.5 MPa氧氣、1.8 MPa氮氣，經活塞式壓縮機壓縮至15 MPa充瓶流程，該流程采用壓縮機氣體壓縮升壓方式，無法有效控制氧氮氣充瓶時間，安全性低，充瓶成本高。

壓縮機出口氧氮氣露點均大于－28℃，氧氮氣含水量高，氣瓶經長期反復充裝，游離水積聚氣瓶，使氣瓶逐步腐蝕，氣瓶充裝安全性降低。

氣體壓縮充瓶，氣瓶氧氣含氧量小于99.3%、氮氣含氮量小于99.4%。中壓氧氮氣管網氧氣含氧量不小于99.6%、氮氣含氧量小于10×10-6，從中壓氧氮氣管網抽取氧氮氣經壓縮機壓縮充瓶流程存在二次污染現象。同時，氧氮充瓶裝置電控與儀控系統未設置聯鎖保護功能，設備運行安全性不佳。

2.2 設備故障率高、液體貯槽利用率低

氧氮充瓶裝置原配備4臺活塞式氧壓機、3臺活塞式氮壓機、1套低壓電控柜均已投運超過30年，設備故障率高、老化嚴重、備件采購困難，備件多數由馬鋼專業人員自行加工制造，無法有效保證設備安全運行。

馬鋼20000 m3/h與30000 m3/h空分設備均配備1臺貧氪氙液貯槽，因20000 m3/h與30000 m3/h貧氪氙塔未投運，貧氪氙液貯槽未投入使用。

馬鋼35000 m3/h空分設備配備2臺法液空制造液氬貯槽、2臺國產液氬貯槽，液氬貯存量富余，其中B#液氬貯槽已多年未輸入液氬。液體貯槽利用率低。

3 改造措施

3.1 工藝流程改進與單元設備增設利舊

（1）將氧氮充瓶裝置由中壓氧氮氣壓縮充瓶流程改為從低溫液體貯槽抽取低溫液體，經活塞式低溫液體泵壓縮，通過空溫式汽化器汽化充瓶流程。氧氣充瓶裝置改造前后工藝流程圖見圖1。

圖1 氧氣充瓶裝置改造前后工藝流程圖

（2）將20000 m3/h與30000 m3/h空分設備真空絕熱式貧氪氙液貯槽拆卸，作為氧氬充瓶裝置液體貯槽。將35000 m3/h空分設備B#真空絕熱式液氬貯槽拆卸，作為氮氣充瓶裝置液氮貯槽。

為氧氣充瓶裝置配備2臺單缸活塞式液氧泵、1只阻尼器、1臺空溫式汽化器，2臺液氧泵一用一備。為氮氬充瓶裝置各配備1臺單缸活塞式液體泵、1只阻尼器、1臺空溫式汽化器。

氧氮充瓶裝置均利用原配備充裝匯流排，為氬氣充瓶裝置配備1組充裝匯流排。為保證氧氣氣瓶充裝安全與提高氣瓶氧氣純度，為氧氣充瓶裝置配備1套氣瓶抽真空裝置，氣瓶抽真空裝置由1臺真空泵與1組匯流排組成。改造后氧氮氬充瓶裝置工藝參數見表1。

表1 改造后氧氮氬充瓶裝置工藝參數

3.2 電控與儀空系統改造

將原配備低壓電控柜與動力電纜全部拆卸，更換1臺低壓抽出式開關柜，重新鋪設動力電纜與儀表電纜。設置電控保護聯鎖，在低溫液體泵電流過大、電壓欠壓時，低溫液體泵拖動電機自動停機。增設1臺無紙記錄儀，自動記錄充瓶裝置運行狀況。在無紙記錄儀中設置汽化器出口氧氮氬氣低溫度、高壓力聯鎖值。保護充瓶安全。

4 調試總結

4.1 氧氣充瓶裝置

4.1.1 調試操作

將中壓氮氣減壓至0.5 MPa，對液氧貯槽、液氧泵、汽化器吹除加溫，清除雜質與空氣，使液氧貯槽、液氧泵、充裝匯流排露點均小于-65℃。同時，將液氧泵進口管道中設置過濾器拆卸，確認過濾器干燥、潔凈，結束吹除加溫。

將10 m3液氮充入液氧貯槽，對液氧貯槽蒸發率計算、液氧泵調試、汽化器液體汽化量驗證、管道連接法蘭與焊縫試壓查漏、電控與儀控系統聯鎖保護功能測試。

上述調試操作結束，將液氧貯槽殘余液氮全部排盡，對液氧貯槽充入8 m3液氧，啟動液氧泵，對液氧貯槽、液氧泵、汽化器、充裝匯流排及連接管道進行置換，直至充裝匯流排氧氣純度化驗至99.6%，結束氧氣充瓶裝置調試。再次向液氧貯槽充入15 m3液氧，使氧氣充瓶裝置投運。

4.1.2 出現問題及處理措施

（1）液氧泵泵體與進出口管道振動大

在氧氣充瓶裝置使用液氮介質調試中，因活塞式液氧泵液體流量輸出為脈沖式，對液氧泵泵體與進出口管道產生脈沖式沖擊，造成液氧泵啟動升壓至2.5 MPa時，液氧泵泵體、進出口管道均出現大幅度振動。充瓶裝置調試停止，對設備整改，消除泵體與管道振動。

對2臺液氧泵出口管道增設3座門型框架支撐，專門訂購一種耐低溫、高減振管卡，此管卡金屬底座與門型框架支撐面采用焊接方式連接，有效將出口管道固定，降低出口管道振動。對液氧泵進口管道增設4座門型框架支撐，將管道上U型管卡全部更換為專用減振管卡。同時，調整液氧泵與阻尼器之間有效距離，充分發揮阻尼器減振作用。

在液氧泵運行時，將液氧泵液力端回氣閥全開，降低液力端液體汽化對泵體沖擊，降低泵體振動。通過液氧泵轉速多次調試，使其工作在700～750 r/min，既滿足氧氣充瓶要求，又減小泵體振動。

以上降低振動措施實施后，液氧泵在泵體與進出口管道處于低振動狀態運行。

（2）氧氣管道連接法蘭泄漏嚴重

氧氣充瓶裝置汽化器出口高壓氧氣管道有2處使用法蘭連接。在液氧泵出口壓力升至4 MPa時，2處連接法蘭均泄漏嚴重，現場伴有氣流尖嘯聲。

經對2只泄漏的法蘭檢查發現，2只法蘭類型僅適用于中壓等級，不適用高壓氧氣。通過查閱設計資料得知，汽化器出口高壓氧氣管道不采用法蘭連接方式，氧氣管道連接方法不正確。

將2只法蘭拆卸，使用2段耐高壓、適用于氧氣介質不銹鋼短管代替，將2段不銹鋼短管采用焊接方式與氧氣管道連接。對增設2段不銹鋼短管及焊縫使用X光機拍片檢查，啟動液氧泵利用液氮介質對管道吹除，將壓力升至15 MPa試壓查漏，確認增設2段不銹鋼短管及焊縫無泄漏、無變形。

（3）氧氣溫度聯鎖值設置不佳

氧氣充瓶裝置在汽化器出口常溫氧氣管道上設置1只溫度測量點，該溫度測量點聯鎖值為5℃，在溫度小于5℃時，液氧泵聯鎖自動停機，保護設備安全。

2014年11月27日，環境溫度小于5℃，液氧泵正常啟動后，因空溫式汽化器出口氧氣溫度降至3.7℃，造成液氧泵聯鎖停機，充瓶裝置停運。

為使氧氣充瓶裝置在冬季低溫穩定運行，適當降低氧氣溫度低聯鎖值，不使空溫式汽化器出口氧氣溫度小于0℃即可。

4.2 氮氣充瓶裝置

4.2.1 調試操作

使用氮氣對液氮貯槽、液氮泵、汽化器吹除加溫，在充裝匯流排處進行露點、純度化驗分析，露點小于-65℃、氮氣含氧量小于10×10-6，結束吹除加溫。向液氮貯槽充入15 m3液氮，對液氮貯槽化驗，在貯槽液氮含氧量小于5×10-6時，啟動液氮泵充瓶。對充裝完畢氮氣瓶全部化驗，在氣瓶氮氣含氧量均小于5×10-6時，對充瓶裝置進行低溫度、高壓力聯鎖功能測試。上述調試操作完成后，使氮氣充瓶裝置投運。

4.2.2 出現問題與處理措施

（1）液氮泵拖動電機更換

2014年6月19日，液氮泵初次啟動未能成功，經對低壓抽出式開關柜、無紙記錄儀、液氮泵泵體與拖動電機檢查發現，液氮泵拖動電機絕緣接地，無法運行。

因液氮泵為新訂購，制造廠為液氮泵更換1臺同型號拖動電機。在拖動電機安裝完畢與液氮泵傳動機構脫開空載測試合格后，啟動液氮泵升壓，對氮氣充瓶裝置進行調試，拖動電機運行正常。

（2）液氮泵汽蝕消除

在液氮泵正常啟動，出口壓力未升至2 MPa，開啟充裝匯流排輸送閥時，液氮泵突然汽蝕。開啟液氮泵出口管道排液閥，排液閥出口均為帶壓氣體。開啟液氮泵進液端管道排氣閥時，排氣閥出口均為液體。

經對氮氣輸送管道檢查得知，液氮泵與汽化器至充裝匯流排處管道均未設置單向閥。為防止外界氣體進入氮氣瓶，氮氣純度降低，充裝氮氣瓶均有2 MPa氮氣殘存。在開啟充裝匯流排輸送閥門時，氮氣瓶內2 MPa殘存氮氣倒流入液氮泵液力端與出口管道，使液氮泵汽蝕。

優化設備操作方法，消除液氮泵汽蝕。在液氮泵啟動后，出口壓力升至3.5 MPa時，開啟充裝匯流排輸送閥，不使氣瓶內殘存氮氣倒流入液氮泵，使液氮泵運行正常。

（3）壓力聯鎖值修改與增設安全閥

氮氣充瓶裝置汽化器出口壓力計聯鎖值設為16.5 MPa，在壓力升至16.5 MPa時，液氮泵聯鎖自動停機。

對氮氣充瓶裝置測試壓力聯鎖功能，在汽化器出口壓力升至16.5 MPa，液氮泵聯鎖停機時，液氮泵出口阻尼器頂部壓力表壓力升至20 MPa，壓力高，不能有效保護設備安全，壓力聯鎖值設定不佳。

因馬鋼氮氣充瓶實際壓力值小于14 MPa，經多次調試，將該壓力聯鎖值設為15 MPa，既保證設備安全，又滿足氮氣充瓶要求。

查閱設計資料發現，液氮泵與汽化器之間管道未設置安全閥，設計不完善，氮氣充瓶裝置安全性不佳。為此，在液氮泵阻尼器至汽化器之間管道上增設1只高壓低溫安全閥，提高設備運行安全性。

同時，對氧氬充瓶裝置液體泵阻尼器至汽化器之間管道上各增設1只同型號高壓低溫安全閥，氧氣充瓶裝置選用適用于氧氣介質材料的安全閥，保證設備安全。

4.3 氬氣充瓶裝置

4.3.1 調試操作

利用氮氣對液氬貯槽、液氬泵、汽化器、充裝匯流排吹除加溫，在露點均達到-65℃后，向液氬貯槽充入10 m3液氮，利用液氮介質對氬氣充瓶裝置進行升壓調試、氮氣瓶充裝、高壓力與低溫度聯鎖試驗。上述調試操作結束，在氬氣充瓶裝置投運恢復后，將液氬貯槽殘余液氮排盡，向液氬貯槽充入液氬置換，直至液氬貯槽內液氬純度合格，使氬氣充瓶裝置投運。

4.3.2 出現問題及處理措施

（1）液氬泵液力端凍結處理

在使用液氮介質調試氬氣充瓶裝置時，液氬泵初次啟動因拖動電機電流過流聯鎖停機。通過檢查液氬泵泵體與拖動電機發現，活塞式液氬泵液力端在預冷狀態無法運動、在常溫狀態運動正常，液氬泵傳動端與液力端連接推桿在緊鄰液力端側有水漬。

因液氬泵液力端有水份存在，使液力端凍結，液氬泵啟動時因負載大造成拖動電機電流過流聯鎖停機。因液氬泵進出口管道均進行過水壓試驗，20 MPa試壓水滲入液氬泵液力端無法有效排放。對液氬泵加溫吹除時，液力端無法進行露點分析，導致液力端有水份殘留。

再次使用氮氣對液氬泵吹除加溫，在液氬泵加溫吹除期間，手動對液氬泵盤車，使液氬泵液力端運動，將液力端殘留水份吹除干凈。

（2）液氬泵出口管道增設排放閥

氬氣充瓶裝置液氬泵至汽化器之間未設置排放閥，僅在汽化器出口緊鄰氬氣充裝匯流排處管道上設置1只氣體放空閥。在液氬泵預冷或汽蝕時，僅能通過開啟氣體放空閥，將液氬泵液力端與出口管道中氣體排放，實際效果不佳，設計不完善。

為此，在液氬泵阻尼器與汽化器之間管道上增設1只液體排放閥，同時為氧氮充瓶裝置各增設1只同型號液體排放閥，氧氣充瓶裝置選用適合氧氣介質排放閥，縮短預冷時間，有效消除液體泵氣蝕現象。

（3）增設1組氬氣充裝匯流排

氬氣充瓶裝置僅設置1組氬氣充裝匯流排，氧氮充瓶裝置均設置2組充裝匯流排，在1組氣瓶充裝完畢，對氣瓶進行裝卸時，可以手動切換至未充瓶匯流排進行充裝，避免氣體充裝期間放空，降低充瓶成本。

為減少氬氣充瓶裝置投運后氬氣放散率，現已增購1組氬氣充裝匯流排，使氬氣充瓶裝置配備2組充裝匯流排，便于氬氣充瓶時切換。

5 設備改造調試效果與體會

氮氣充瓶裝置2014年6月28日投運、氧氣充瓶裝置2014年10月4日投運、氬氣充瓶裝置2014年12月4日調試結束。液體貯槽、液體泵、汽化器、充裝匯流排均安全穩定運行。氣瓶內氧氣純度升至99.6%、氮氣含氧量降至不大于5×10-6、氧氮露點小于－87℃。設備改造與調試效果顯著。

針對原配備氧氮充瓶裝置工藝流程落后、設備老舊故障率高，通過技術改造方法，利用閑置設備、增設部分新設備，改進設備工藝流程，使充瓶裝置安全經濟長周期運行。

在充瓶裝置調試期間，通過嚴謹細致設備調試，針對設備技術改造設計不完善，修改管道配管方式、增設必要閥門、改進儀控系統聯鎖值、更換故障設備、優化操作方法，杜絕設備隱患存在。

Technical Transformation of Oxygen and Nitrogen Cylinder Filling Device and Commissioning Summary

ZHOU Jincheng
(The Gases Sale Company of Maanshan Iron and Steel Co.,Ltd.,Maanshan,Anhui 243000,China)

As the oxygen and nitrogen cylinder filling devices of MaSteel had the problem of obsolete process flow and aging equipment,the equipment and process flow were technically transformed and commissioned to ensure the safe and economical operation of the filling devices.Problems of the oxygen and nitrogen cylinder filling devices and technical transformation measures are introduced,equipment commissioning process and operation methods, occurring problems and treatment measures,effect of the transformation and gained experiences are presented.

cylinder filling device;gas cylinder;compressor;liquid pump;vaporizer

TQ116

B

1006-6764(2015)03-0022-04

2014－12－30

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