5#制氧機空冷塔液位波動的分析與處理

黃 超

（江西銅業集團有限公司 貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424）

1 引言

貴溪冶煉廠動力（制氧）車間25000Nm3/h 制氧機籌建于2006 年，2007 年7 月正式投產。制氧機組由四川空分設備(集團)有限責任公司設計成套,采用氮水預冷系統、純化系統、冷、熱端增壓透平膨脹機、規整填料塔以及DCS 控制系統，并設計有氧氣內壓縮流程，同時向用氧單位供送壓力為30KPa 的低壓氧氣和壓力為0.8MPa 的中壓氧氣，低壓氧設計流量18000Nm3/h，中壓氧設計流量7000Nm3/h。其中預冷系統主要由空冷塔、冷水機組、水冷塔及2 臺高壓（6000V）水泵和2 臺低壓（380V）水泵組成［1］。

2 空氣預冷系統原理及流程簡圖

空冷塔內部裝有三層填料，壓縮空氣約90～110℃送入空冷塔的中下部，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，最后穿過頂部的捕霧的絲網分離器，進入分子篩系統，通常情況下，在設計的時候，出空冷塔空氣的溫度應小于15℃，如果以12℃為設計點，裝置在運行時出現故障，那么冷卻塔出口溫度可能超過12℃，那么出口空氣中的含水量的溫度就會達到設計溫度的兩倍［2］。進入空冷塔的冷卻水分為兩段，空冷塔下段為循環水水泵來的冷卻水，（經加壓至1.4MPa 進入空冷塔中部，與由頂部流下來的冷凍水匯合回到水冷塔，此段有中心筒為中部液位）。上段冷凍水是由循環水來的冷卻水，經水冷塔與由分餾塔來的多余的純氮及污氮熱交換冷卻后，由冷凍水泵加壓至1.5MPa，去空冷塔上段,這種冷卻方式是靠氣、液直接接觸進行換熱的，它的能耗低，但操作不當有可能產生帶水事故，使分子篩或主換熱器不能正常工作［3］。內部主要包括噴淋水量、噴淋設備結構、設備的傳熱傳質效率等。其中關鍵的因素是水氣比，即噴淋水量與氣體流量的比值［4］。目前分子篩流程的制氧機普遍設置冷凍機，在制氧機運行中，視加工空氣入分子篩的溫度來決定冷凍機的開、停。一旦加工空氣溫度高于設計溫度，用調節進水冷塔的污氮量增加氣水比也不能達到要求時，應及時投入冷凍機［5］。

其流程簡圖如圖1。

圖1 空氣預冷系統流程

3 故障現象

2017 年10 月10 日，5#制氧機運行正常，控制室人員點檢DCS 發現空冷塔中部液位趨勢異常并大幅波動，導致空冷塔底部液位、水冷塔液位、空冷塔出口壓力以及空壓機出口壓力隨之波動。

4 故障排查

班組崗位人員迅速趕往現場查看并上報工段，工段接到控制室匯報后立即展開排查并通知計控協助檢查相關閥門。計控首先對DCS 上的液位顯示進行檢查，看是否是顯示問題，檢查后確認DCS顯示沒有問題；派崗位人員現場檢查液位指示，并將現場液位計的排氣閥打開，重置現場的磁浮液位翻板，重置后的液位計和開始一樣也沒問題；DCS手動干預中部液位調節閥開度，看現場閥門動作如何，經檢查閥門動作正常，同時檢查水泵流量及運行情況，水泵運行正常無異常現象；通過這一系列的排查過后，工段決定去空冷塔上查看，在打開中心筒排水側的時候發現有氣排出來，于是將氣排完后再看DCS 液位，此時液位不在波動，趨于穩定。故可判斷是因為排水側混入空氣后造成流量汽蝕波動。從而使液位顯示反饋出現波動不準的情況。

5 原因分析

空冷塔中部液位分別安裝了兩個對外的法蘭，一個是氣側，一個是水側，同時連接到差壓計。此差壓計是根據公式P=ρgh 的原理得出液位真實值，根據原理水側的壓力高于氣側，而水側混入空氣后則造成壓力波動，從而影響了壓差計的反饋，造成液位大幅波動［6］。空氣是由空壓機壓縮過來的，開機前空冷塔沒有水，水泵也沒有運行，由此可判斷應該是在開機時空氣進入空冷塔時有空氣串入了水側，啟動空氣預冷系統后水側的水和氣混在了一起，從而導致了差壓計波動。

簡圖如下：

圖2 原因分析圖

6 故障處理及經驗總結

6.1 故障處理

由于這兩個閥門是用法蘭盲住的且在空冷塔中部，不僅要爬樓梯上去，而且排氣排水都需要借助工具拆卸螺絲才可以完成，操作起來極不方便，針對這一事件的發生情況，工段決定進行改造，將其改成手操閥并接好管道引到地面上來操作，一旦下次在發生類似的情況即可在塔下進行排氣操作，這樣不僅能夠及時處理問題，也能為排查原因節省時間。

圖3 故障處理示意圖

故障處理后趨勢圖對比如圖4～圖7，對比數據見表1。

圖4 中心筒液位趨勢波動前后對比圖

圖5 空冷塔液位趨勢波動前后對比圖

圖6 水冷塔液位趨勢波動前后對比圖

圖7 系統壓力趨勢波動前后對比圖

表1 改造前波動數據和改造后穩定數據

6.2 經驗總結

（1）針對問題舉一反三，提高現場閥門的可操性和穩定性，安裝閥門初始需要多方面思考，做到防范于未然。

（2）DCS 和現場流程相結合，對問題的出現要快速反應和排查，找出具體原因分析并解決好，不要遺留下隱患。

（3）一旦造成空壓機和分子篩系統帶水，后果將非常嚴重。經改造后，操作方便，運行穩定，消除了隱患。

7 結束語

空氣預冷系統是空分系統的重要組成部分，主要作用清除空氣中的水分和雜質，并且大幅降低空氣出塔的溫度，為分子篩系統保駕護航，一旦空氣預冷系統出現問題，勢必造成分子篩系統的工作負擔以及整個空分設備的癱瘓，影響生產的穩定。保證各系統的穩定運行是保證生產順行的先決條件。