淺析氮水預冷系統存在問題及處理措施

杜 陽

（江西銅業集團公司 貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424）

1 引言

貴溪冶煉廠動力車間制氧工段4#制氧機為10000Nm3/h空分設備，2002年12月正式投產。機組采用氮水預冷系統、分子篩吸附凈化系統流程、增壓透平膨脹機、規整填料塔和全精餾無氫制氬技術。4#制氧機氮水預冷系統即空氣預冷系統，主要由空冷塔、水冷塔、冷凍機、4臺水泵、調節閥和儀電控等部件組成。氮水預冷系統是深冷空分生產裝置中的一個重要組成部分，它位于空壓機系統和分子篩吸附系統之間，用來降低高溫壓縮空氣的溫度［1］，同時通過水洗滌除去空氣中的硫化物等易使分子篩中毒的化合物，使空氣達到一定要求后進入分子篩吸附系統［2］。氮水預冷系統的冷卻效果直接影響著分子篩凈化系統、主換熱器的工作負荷，空氣出空冷塔的溫度高，分子篩的吸附負荷增加［3］，會導致更高的再生能耗，同時空氣進主換熱器溫度的升高，使得換熱器的負荷增加［4］，從而對整套機組的運轉周期、運轉成本造成重大影響。

2 氮水預冷系統工作過程

氮水預冷系統中空氣冷卻塔為裝有2層填料的填料塔，壓縮空氣（約90～110℃）送入空氣冷卻塔底部，由下往上穿過各填料層，被從上往下的冷卻水和冷凍水冷卻，并同時洗滌空氣中部分氧化物、氮化物、二氧化硫、氯離子等有害雜質，最后穿越頂部捕霧用的絲網分離器，進入分子篩純化系統，出空冷塔空氣的溫度T1約為8～12℃。

進入空冷塔的冷卻水分為2段。空冷塔下段為循環水水泵來的冷卻水，經常溫水泵加壓至1.4MPa進入空冷塔中部，與由頂部流下來的冷凍水匯合自上而下出空冷塔回循環水的涼水塔。上段冷凍水是由循環來的冷卻水，經水冷卻塔與由分餾塔來的多余的純氮及污氮熱質交換冷卻后，由冷凍水泵加壓至1.5MPa后進入冷凍機，出冷凍機水一部分去空冷塔上段，另一部分去增壓機后冷卻器，換熱后回冷凍水泵進口或循環水回水管［5］。空氣預冷系統工藝流程簡圖如圖1所示。

圖1 空氣預冷系統流程簡圖

3 影響氮水預冷系統冷卻效果的因素

3.1 外部因素

（1）氣候環境。貴溪市屬于亞熱帶季風性濕潤型氣候，潮濕高溫，又有電廠、化肥廠等工業企業排放煙塵、SO2等大氣污染物，降雨時SO2等溶于水形成酸雨，加重了水質酸性。

（2）循環水溫。循環水溫度升高對空分系統影響明顯，在南方尤甚，特別是高溫季節（空氣濕度經常超過80%），冷卻塔換熱效果差導致循環水溫度上漲影響空分系統運轉。隨著空氣進分子篩溫度的上升，分子篩的吸附效果變差，從而影響整個空分系統的安全運行，空分系統產量被迫降低［6］。

（3）循環水質。常見問題為硬度過高，容易結垢，從而導致冷凍機冷凝器因管路結垢達不到應有的制冷量；在填料、塔板或者捕霧器上結垢會增加塔的阻力［7］，從而加大能耗。常見的垢成分有: 碳酸鈣、硫酸鈣、磷酸鈣、鎂鹽和硅酸鹽［8］。

3.2 內部因素

（1）空冷塔與水冷塔內的散堆填料破損、填料壓板破損、分布器堵塞造成塔內氣、水介質分布不均勻，換熱不完全，塔內阻力上漲，從而造成空冷塔、水冷塔運行效率下降，機組整體能耗上升。

（2）噴淋水量、噴淋設備結構、設備的傳熱傳質效率等影響因素。其中關鍵的因素是水氣比，即噴淋水量與氣體流量的比值［9］。水氣比小，水與氣之間的接觸少，傳質傳熱條件變差。水氣比大，氮氣和空氣量一定，水過多既造成浪費又容易發生氣體帶水事故［10］。

4 實際運行中存在的問題

4.1 冷凍水泵汽蝕

若循環水補充水閥7不開，冷凍水泵3或4在運行過程中容易出現汽蝕，引起冷凍水流量波動，影響空氣出空冷塔溫度，從而造成整個系統工況的不穩定。通過分析發現，水冷塔底部出口管道管徑DN80相對較小，無法滿足冷凍水泵水量需求是引起水泵汽蝕的主要原因，因此在運行過程中需要通過循環水補充水閥7來補充水量，滿足冷凍水泵用水需求。而循環水T4水溫為25℃左右，遠遠高于經過氮氣冷卻的水冷塔底部水溫度T3，從而造成冷凍水泵出口水溫升高，冷凍機負荷增大，系統能耗上升。

4.2 水冷塔液位波動大

循環水補充水閥7開啟后，分流一部分循環水，去水冷塔循環水流量減少，水冷塔液位下降，促使水冷塔液位調節閥開大，增加補充水量，保證水冷塔液位正常。由于水冷塔液位調節閥6前后管道管徑為DN80，相對較小，另外自動調節閥反饋調節過程中有一定的延遲性，從而造成水冷塔液位波動大的現象。水冷塔補充水量波動造成水冷塔內水氣比波動大，不利于充分發揮氮水預冷系統的作用。

4.3 冷凍機故障

空氣預冷系統冷凍機為水冷式螺桿冷水機組，擁有3臺壓縮機，根據冷凍水溫度自動調節壓縮機負荷。目前冷凍機組主要存在以下兩方面故障：

（1）冷凝器結垢，造成冷凍機制冷量降低冷凍水溫度升高，從而空冷塔出口空氣溫度升高，增大分子篩系統及主換熱器工作負荷。

（2）冷凍機壓縮機故障，冷凍機2#壓縮機無法啟動，3#壓縮機只能滿負荷啟動。當冷凍水溫度高過設定溫度而1#壓縮機滿負荷運行時，3#壓縮機自啟動，降低冷凍水溫度；當冷凍水溫度低于設定溫度時，3#壓縮機自動停止運行，1#壓縮機自動調整負荷來冷卻水。3#壓縮機的頻繁啟停導致冷凍水溫度波動增大，空冷塔出口空氣溫度波動增大，造成后續整體工況波動增大。

5 處理措施及效果

5.1 降低循環水溫度

在確保循環水壓力不低于正常要求0.3MPa的前提下，開大循環水回涼水塔上部回水閥，關小下部回水閥，開大涼水塔頂部冷卻風機，從而降低循環水溫度。較往年同期比較循環水溫度大約降低3℃，使得1系統3套機組1#、2#、4#制氧機能耗降低。

5.2 改善循環水水質

制定循環水水質管理制度，定時安排工作人員提取循環水水樣進行化驗，并做好記錄，增設在線pH測點，及時掌握循環水水質情況，確保設備長周期正常運轉，循環水水質管理表如表1所示。目前循環水水質良好，能確保pH值7～8.5，濁度＜15。

表1 循環水水質管理表

5.3 改造預冷系統管路

（1）2016年4月機組停機定修期間，將水冷塔液位調節閥6前后管道和水冷塔底部出水管道更換為DN100管徑管道，管道最大水流量約為以前的1.5倍，預冷系統管路改造圖如圖2所示。

（2）改造后閥7不開啟而小泵無汽蝕情況，水冷塔液位調節閥保持在50（±3）%開度即可保證水冷塔液位穩定在1300（±100）mm，水冷塔內水氣比穩定，氮氣與水換熱效果更好。

（3）水冷塔底部出水溫度T3由10（±2）℃降低至8（±1）℃，而且水冷塔底部出水溫度較改造前更加穩定，從而降低冷凍機負荷，并使得冷凍機負荷跟蹤調節范圍縮小。冷凍機不啟動的情況下，空氣預冷系統冷卻效果也能保證空冷塔出口溫度維持在12（±2）℃，極大地降低了機組運行成本。

（4）清洗冷凍機冷凝器確保冷凍機制冷量。制定冷凍機維護措施，冷凍機連續運行時間超過半年則需對冷凍機制冷效果進行分析，確保冷凍機能夠正常工作或備用。

（5）更換冷凍機2#、3#壓縮機，確保冷凍機能根據冷凍水溫度自動調節壓縮機運行負荷，實現冷凍水溫度穩定，確保空冷塔出口空氣溫度波動減小。

圖2 空氣預冷系統管路改造圖

6 結語

在實際生產中故障的發生發展往往具有“蝴蝶效應”，由于管道設計存在的缺陷，引發冷凍水泵汽蝕；水冷塔液位波動、水冷塔內水氣比失衡導致水冷塔冷卻效果差，冷凍機、分子篩凈化系統和主換熱系統負荷大等一系列問題。通過仔細分析找到故障源頭，從而制定有效措施——降低循環水溫、改善循環水質、更換合適管徑管道、更換故障壓縮機，極大地提升了空氣預冷系統的工作能力。目前在預冷系統冷凍機不運行的情況下，仍然能夠保證空冷塔出口溫度維持在12℃左右，不僅確保空分系統的穩定運行，而且節約了運行成本。