12 000 m3/h內壓縮流程制氧設備適應性改造

朱圣華，殷 剛

（萊蕪天元氣體有限公司，山東萊蕪 271126）

0 前言

萊鋼天元氣體公司4#制氧機組（12 000 m3/h）（以下簡稱4#制氧機組）1995年由德國Linde公司引進，1997年1月投產，設計產能分別為氧氣12 000 m3/h，液氧350 m3/h（折合氣體），氮氣12 000 m3/h，氬氣410 m3/h。配套空壓機和低壓氮壓機均引進德國Atlas Copco公司，氧壓機由瑞士蘇爾壽公司生產制造，是天元公司在運的主力機組之一。隨著4#制氧機組運行時間越來越長，配套的空分、機械、電氣、儀控等系統設備問題不斷暴露。存在的主要問題有：①空分系統，空壓機過濾室阻力高、空分單體設備無加溫氣源；②機械系統，氮壓機頻繁振動高報警需停機檢查、空壓機等夏季油溫高頻繁造成停機；③儀控系統，空壓機喘振控制不正確頻繁造成放空閥打開、影響產量等。隨著熱線生產對氧氮氣需求量的不斷增加，對4#制氧機各系統設備實施技術改造與創新，減少故障停機，提升運行穩定性，提高機組產品產量，非常必要。

1 制約4#制氧設備穩定性提升的技術難點

1.1 空分系統

（1）空壓機布袋式過濾室阻力高，吸入空氣量少、氧產量低，且更換頻繁、能耗高。空壓機過濾室采用布袋式過濾器，袋式過濾器過濾空氣中的灰塵雜質，日積月累，布袋的阻力會逐漸增大，阻力升高，吸氣量減少，影響空壓機的效率。當除塵容量增加到正常阻力的85%或增加到初始阻力的1.5倍時，就需要更換布袋，正常2～3個月就需要更換一次布袋，更換過程易對主塔工況造成影響，影響空壓機運行，且成本較高，更換布袋的工作量大。

（2）單體設備加溫氣源單一，無外部加溫氣源，影響故障狀態下的系統恢復。4#制氧機單體設備的加溫氣源使用的是分子篩后的加溫氣源，未設計使用外部氣源，當較大范圍的電氣故障系統停機后，單體設備所使用的外部密封氣源帶水，造成部分密封氣管線凍結，密封功能缺失，液體泵漏液，造成液體泵區域安全風險加大，基礎鋼板凍裂，需要對泵進行加溫恢復，而此時系統內部無加溫氣源，只有開啟空壓機后方可進行單體設備的加溫操作，使得制氧機組開車恢復時間每次延長3 h左右。

1.2 機械系統

（1）空壓機、氮壓機頻繁振動高報警，需頻繁停機檢查，影響正常生產。4#制氧空壓機、低壓氮壓機頻繁振動高報警，由于壓縮機已經運行十多年，設備機械部分磨損嚴重導致振動增高，無法排除突然發生機械故障的可能性，為確保壓縮機安全，頻繁停機揭蓋檢查齒輪、軸承等，對正常氮氣保供影響極大。氮壓機頻繁振動高報警趨勢圖如圖1所示，氮壓機一天之內突然發生兩次振動波動，一級至四級振動同時發生，持續幾分鐘后恢復正常。如何在不停機的情況下分析確定空壓機、氮壓機是否發生了機械損傷，是壓縮機穩定運行的技術難點。

圖1 氮壓機振動高報警趨勢

（2）空壓機、氮壓機供油溫度夏季過高，頻繁造成溫度高聯鎖停機。空壓機夏季油溫高是困擾4#制氧機組夏季穩定運行的重要因素之一，油冷器經過多年運行換熱效果變差，2個并聯油冷卻器同時投運，但效果不顯著，油溫仍然超高報警。不得不采用外部噴淋的方式進行強制冷卻，對壓縮機的安全穩定運行構成較大威脅。

1.3 儀控系統空壓機防喘振控制錯誤

儀控系統空壓機防喘振控制錯誤，造成空壓機放空閥頻繁打開，影響加工空氣量及氣體產量。空壓機在實際工作中具有不穩定工作區域，通常稱為喘振區。在運轉過程中由于工況變化、負荷波動等原因，可以發生工作點趨近甚至進入喘振區的現象，使壓縮機發生喘振，嚴重時引起強烈振動，導致密封及推力軸承損壞，轉子與靜止原件相碰造成嚴重事故。為了使空壓機能夠在穩定的運行范圍內安全運行，空壓機設有防喘振保護裝置。喘振控制系統和喘振保護系統在壓縮機開始受到喘振沖擊之前打開放空閥。

空壓機喘振控制系統是以空壓機二、三級排壓壓差和機后流量參數為目標的雙參數調節啟動控制。由于設備長期運行造成壓差偏差大，機后流量孔板反饋流量誤差大，且經多次校正無效果，造成喘振控制錯誤，使空壓機正常運行中放空閥不能常閉，大量空氣放散，浪費了壓縮功增加了能耗，使壓縮機加工空氣量減少，影響產能，同時使能耗增加。

2 4#制氧設備提升穩定性實踐

2.1 空分系統

2.1.1 研究應用空壓機自潔式過濾器工藝技術

采用自潔式空氣過濾器，由固定架、濾筒、電磁閥、反吹管線、程序控制器等元件組成，空氣通過濾筒直接進入空壓機，空氣中的灰塵匯集在暴露的濾筒上，形成一層塵餅，定時通過干燥潔凈的反吹氣體自動吹落。通過更換，避免了頻繁更換過濾室布袋及更換中對空壓機運行的影響，降低了費用，減少了更換過濾網的工作量，大大提升了空壓機的運行效率。

通過對改造前后空壓機正常運行時部分參數記錄比較，空壓機壓縮空氣量每小時增加了3000 m3，增加幅度達5.6%，空壓機的效率明顯提升。改造前后空壓機正常運行時部分參數見表1和表2。

表1 改造前空壓機的部分運行參數

表2 改造后空壓機的部分運行參數

2.1.2 設計應用空分單體設備低壓氮氣外部加溫氣源工藝

在氮壓機的出口管道上增設1個DN200 PN16出口閥，在兩只出口閥之間開口，用Φ57 mm×4.5 mm的無縫鋼管與單體設備加溫總管相連，將外部低壓氮氣引入單體設備加溫總管。空分單體設備加溫管線示意圖如圖2所示，其中，虛線為新加部分。將外部低壓氮氣引入單體設備的加溫總管，實現了外部氣源與內部氣源的互為備用，當較大范圍的系統停電事故時，可使用外部低壓氮氣加溫氣源進行空分單體設備的起動，消除了空分裝置停用后無單體設備加溫氣源、單體設備不能及時啟動操作的問題，便于4#制氧機系統的恢復。

圖2 空分單體設備加溫管線示意

2.2 機械系統

2.2.1 研究應用振動信號在線采集頻譜分析技術

振動信號在線采集頻譜分析技術的原理是，利用振動測試模塊INV80A和Intellinova系統后臺軟件，實施在線數據采集、監控、超前預警、趨勢分析及故障診斷。通過振動信號頻譜更加全面地分析診斷氮壓機支撐系統松動、不平衡、不對中等機械故障，判斷齒輪箱軸承、齒輪嚙合不良、葉輪不平衡、電機轉子偏心等部件運行狀態，通對各部位振動頻譜、溫度、油壓等參數變化及趨勢的分析，從而進一步起到提前預警與精密診斷的作用，判斷是否真正發生機械故障。由于信號取自現場模塊的“緩沖輸出”端口，與原有的保護系統分立，確保原有保護系統的可靠運行。振動信號在線采集頻譜分析技術示意圖如圖3所示。

圖3 振動信號在線采集頻譜分析技術示意

設備振動信號在線采集是：①對DCS設有監測點的，從現有DCS保護系統的現場變送器的“Buffer輸出”端子直接獲取，使用BNC接頭卡接，通過同軸電纜將信號接入Intellinova系統的振動測試模塊（INV80A），進行頻譜分析。②對DCS未設監測的測點，加裝振動傳感器進行信號采集，電機兩端共加裝2個振動傳感器。設備振動信號采集示意圖如圖4所示。

圖4 設備振動信號在線采集示意

通過研究應用振動信號在線采集頻譜分析技術，實現了振動量及趨勢圖實時觀察，帶自動故障癥兆的頻譜分析，癥兆趨勢分析，比較譜圖，故障智能報警等功能，有效實現故障前期預警，確保實現設備狀態的早期預警，最大程度地避免事故停機與設備二次損傷，大幅降低維修時間與維修費用，避免了空壓機、氮壓機設備不必要的停機檢查，延長了設備連續運行周期，提高了氮氣保供能力。氮壓機癥兆趨勢分析圖、氮壓機帶自動故障癥兆的頻譜分析圖分別如圖5和圖6所示。從圖5中可以清晰看到設備振動位移值、轉子不平衡、軸承松動故障趨勢平穩，表明設備運轉正常；圖6中可以看到故障頻率及其振動速度值，便于分析和比較故障部位及故障嚴重程度。

圖5 氮壓機癥兆趨勢分析

圖6 氮壓機帶自動故障癥兆的頻譜分析

2.2.2 壓縮機油路串聯工藝改進（以空壓機為例）

（1）油冷串聯原理。油冷器的熱傳導是實現從高溫向低溫處的熱能轉移過程,可用公式（1）表示。

式中Φ——導熱量

λ——壁的熱導率

F——表面積，m2

S——壁厚，mm

Δt——壁兩側的溫差，℃

由公式（1）可求出熱阻Rt=S/λF。可以看出，由于油冷長期使用導致水側管壁結垢，熱阻增大。油冷器由原來的2個并聯使用改為串聯組合逆流式換熱，串聯方式的應用使冷卻水流速提高，間接Δt加大，從而加強了熱傳導過程。采用油側、水側逆流式換熱也使換熱效率提高。

（2）改造實施。①拆除空壓機兩只油冷的部分管路及溫控器，去除回流管路，油冷改造前示意圖如圖7所示；②用不銹鋼管道進行預制，將預制好的管道再一次進行酸洗和沖洗；③將預制好的油管用法蘭進行連接，油冷改造后示意圖如圖8所示；④啟動輔助油泵檢查，管路應無滲漏油，并調整好供油壓力。

2.3 儀控系統設計改進空壓機防喘振控制技術

根據空壓機實際運行狀況，重新設計改進喘振控制，以機后出口流量和機后排氣壓力單參數調節其作用于高選擇器，控制放空閥FV1110，設計改進后的空壓機防喘振控制示意圖如圖9所示。

圖7 油冷改造前示意

圖8 油冷改造后示意

（1）壓機后出口流量形成過程值。喘振控制器的設定點SP是個固定值，SP由現場調試時設置。喘振控制器比較PV和SP，這兩者之間的差值便是控制器偏差（控制偏差=SP-PV）。負控制偏差（過程值大于設定點）導致輸出信號減小，Y→0%（放空閥FV 1110關閉）。正控制偏差（過程值小于設定點）導致輸出信號增大，Y→100%（放空閥FV 1110打開）。喘振控制器的輸出信號作用于“高選擇器3”。信號從這兒傳送給放空閥（FV1110）。喘振控制器在其自動狀態聯鎖。

（2）出口限壓控制器PIC 1110的功能。控制器的過程值PV指最后一級（PT 1110）的出口壓力。該控制器的設定點SP是固定值。將在調試時進行最終調節。限壓控制器PIC 1110比較設定點SP和過程值（PV）。這兩者之間的差值便是控制偏差（控制偏差=SP-PV）。控制器始終爭取將該控制偏差保持在零值。負控制偏差（過程值大于設定點）導致輸出信號增大，Y→100%（通過工藝的流量減小意味著放空閥FV 1110打開）。正控制偏差（過程值小于設定點）導致輸出信號減小，Y→0%（通過工藝的流量增大意味著放空閥FV 1110關閉）。限壓控制器PIC1110的輸出信號通過“高選擇器3”傳送給放空閥（FV 1110）。出口限壓控制器PIC 1110達到最大輸出信號（100%輸出信號對應100%開度）時，放空閥必須打開。

在試車和正常生產過程中，空分裝置工況的波動導致壓縮機的運行工況發生變化，改進后，防喘振控制有效地避免了機組進入喘振區，既保證了機組安全運行，同時也避免了因喘振或者過載引起的不必要停車，減少了大修次數，降低了維護成本，延長了壓縮機壽命，保障了工藝生產的連續性。近一年的生產運行實踐證明，該防喘控制系統工作穩定可靠，抗干擾能力強，具有一定的應用推廣價值。實際運行驗證，正常運行中空壓機放空閥常畢，使壓縮機加工空氣量較之前每小時增大了2600 m3，增加幅度達4.8%左右，達到設計加工空氣量和設計產能。

3 應用效果

（1）研究應用自潔式空氣過濾器工藝技術，使空壓機壓縮空氣量每小時增加了3000 m3，增加幅度達5.6%，氧氮氣產量增大，空壓機的效率明顯提高。

圖9 設計改進后的空壓機防喘振控制

（2）設計應用空分單體設備低壓氮氣外部加溫氣源工藝技術，實現了外部氣源與內部氣源的互為備用切換使用，確保了單體設備及時加溫及異常情況下的制氧機系統迅速恢復。

（3）研究應用振動信號在線采集頻譜分析技術，可正確快速判斷故障類型，避免了設備不必要的停機檢查，延長了設備連續運行周期，提高了氮氣保供能力，降低了勞動強度。

（4）設計應用油冷串聯工藝，供油溫度明顯降低，油溫由改造前的58℃降至45℃，冬季需切除一只油冷，提高了空壓機運行的穩定性。已獲得專利，一種壓縮機潤滑油冷卻系統，專利號201120426277.2。

（5）設計改進空壓機防喘振控制程技術，確保正常運行中空壓機放空閥常閉。