通過優化空分后備氮氣系統提高生產能力的研究

劉專(淄礦集團內蒙古黃陶勒蓋煤炭有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯 017313)

0 引言

內蒙古黃陶勒蓋煤炭有限責任公司世林化工分公司30萬噸/年煤制甲醇項目，利用巴彥高勒煤礦的資源，采用航天干煤粉氣化爐技術，利用純度99.6%以上的氧氣與干煤粉發生化學反應生產甲醇原料氣。空分裝置采用沈鼓制造的MCO1404和3BCL457壓縮機組以及四川空分設備制造公司制作的KDON-28000/32000國產化空分裝置，該工藝采用深冷法空氣分離技術，通過過濾、壓縮、冷卻、純化(凈化)、熱交換、精餾等過程，利用氧氣、氮氣沸點的不同，把氧氣從空氣中分離出來，同時生產液氧、液氮等副產品。空分裝置于2017年5月技改后再次開車，裝置能力得到不斷提升，已達到最大設計能力。

1 項目立項的背景和目的

空分氮氣系統主要為全廠提供各等級壓力氮氣，在保證生產運行、安全停車方面有著不可替代的作用。氮氣系統的設計原則為：在正常運行期間由空分分餾裝置提供，在突發事故狀態下由后備氮氣系統提供應急氮氣。由于設計上僅考慮停車時的應急需求，其連續性、穩定性不高，同時也未考慮在開車期間的需求供應。特別是在開車期間，氣化、甲醇車間的試車和氣密氮氣需要，只能等空分裝置正常后產出氮氣后才能進行，造成了一定的開車進度滯后。為此空分車間針對此問題確定了課題方向，成立了課題攻關組，以解決此問題。由于甲醇氨壓機、合成壓縮機的試車及氣化、甲醇氣密測試必須在氮氣保持穩定供應的情況下進行，現有后備氮氣的不穩定性，無法滿足。因此我們重點圍繞現有氮氣系統存在的問題研究解決辦法，通過改造提升后備氮氣系統的穩定性，以節省開車時間，創造經濟效益。

2 項目實施情況

2.1 項目意義與必要性

空分后備氮氣系統主要為全廠事故狀態下提供氮氣，是保證公司安全停車、系統置換、氣密試車的重要一環，也是影響開車進度的重要因素之一，因此如果保持氮氣的連續穩定供應，對全廠安全生產、加快開車進度都有著重要的作用。

后備氮氣系統主要有300m3液氮貯槽及各事故氮泵組成。從液氮貯槽總管(DN100)出來后共分六路，一路去0.45MPa事故氮泵(DN100)，一路去6.5MPa事故氮泵(DN65)，一路去8.1MPa事故氮泵(DN40)。剩下三路，一路去自流充車管線(DN40)，一路去充車泵(DN65)，一路去16.5MPa充瓶泵(DN25)。

2.2 主要相關設備技術參數

主要相關設備技術參數見表1。

2.3 事故氮泵介紹

事故氮泵采用美國ACD公司生產的0.45MPa的單級低溫液體離心式泵、6.5MPa的三缸往復泵，8.1MPa的兩缸往復泵。在系統停車或事故狀態下，為后系統提供各等級壓力氮氣，其中0.45MPa事故氮泵采用水浴式汽化器將低溫液氮復熱后輸出，6.5MPa及8.1MPa事故氮泵采用空溫式汽化器，直接與空氣換熱器后外送。液氮泵采用往復式低溫液體泵。泵的工作部分有缸體、活塞、活塞桿、密封組、進排液閥等組成。泵的缸體是進液和排液的主要容器，處于低溫狀態，由真空套絕熱以保持其內液體長時間的低溫。活塞與活塞桿支撐一體、活塞環組采用泄漏很小的漲圈密封形式、活塞桿軸封采用組合式軸向預緊密封，且遠離冷端，始終處于熱的狀態而保持彈性。

進液采用軸向進液、保證了較低的吸入壓頭，鏡像排液出口在泵體中部，排液閥組從接頭處裝入，裝拆方便，不用拆卸泵體的其他零件。缸體進液閥前有過濾器，防止雜質異物進入損壞泵閥和運動部件，排液管接有出口緩沖器，減少高壓脈動。傳動箱以一臺恒力矩的電磁調速電機作為動力源，通過皮帶輪監督傳動，帶動偏心軸、連桿、銷軸、十字導承傳遞動力給活塞桿，并通過中間體懸臂支撐整個泵體。十字導承與活塞桿的連接采用了可微調對中結構，減少了由于對中誤差引起的力矩。通過電磁調速電機的控制箱實現恒轉矩無級調速，達到改變流量的目的。

表1 相關設備技術參數

2.4 項目技術、產品與國內外同類技術、產品的比較

空分氮氣系統的設計原則為：在正常運行期間有空分分餾裝置提供，在突發事故狀態下由后備氮氣系統提供應急氮氣。國內空分裝置一般考慮停車時的應急需求，無法滿足開車前至空分正常生產期間的氮氣供應，而空分開車時間較長(熱態開車需要超過53h以上)，因此后工序氮氣使用經常需要等待，造成開車時間的浪費。

3 項目研究的主要問題及改進目標

空分后備氮氣系統存在的主要問題有：(1)后備氮泵吸入口與貯罐充液口在同一條管道上，低壓氮泵與貯罐充液同時工作時，氮泵容易汽蝕，不能保持氮氣的長期連續供應；(2)液氮泵設計均為單臺，當出現故障時無法快速啟動，缺少備用設備；(3)保冷材料采用泡沫玻璃材料，該材料在下雨潮濕等環境下容易開裂影響造成冷損較大，進一步加劇氣蝕。

針對以上問題，主要考慮通過以下方式進行解決：(1)將貯罐充液口與氮泵吸入口分開，解決汽蝕問題；(2)增加備用氮泵，保證主泵故障時可立即啟動；(3)研究更換新型保冷材料，減少液氮汽化率。通過本次創新改造，可以保證氮氣穩定供應，保證開車階段的甲醇氨壓機、合成壓縮機的試車及氣密測試的氮氣需要，保障大修停車時提前開車16h以上，在小修停車時提前開車3h以上，全年共有1次大修2次小修，全年可提前開車22h。

4 項目實施方案

4.1 貯槽進液及泵入口共用管線的分離改造

液氮貯槽原設計僅有一個總管(DN100)，出來后共分六路，一路去0.45MPa事故氮泵(DN100)，一路去6.5MPa事故氮泵(DN65)，一路去8.1MPa事故氮泵(DN40)。剩下三路，一路去自流充車管線(DN40)，一路去充車泵(DN65)，一路去16.5MPa充瓶泵(DN25)。

由于多臺泵公用一個總管，貯槽的進液管道也通過此管道進入貯槽，當槽車向貯槽的充裝末期，容易產生氣液夾帶，氣體進入泵入口就容易導致泵氣蝕，而中斷供液。根據現場流程，由于貯槽屬于特種設備無法再單獨引出進液管，因此將貯槽內增壓管道作為臨時充裝管道，使得貯槽進液與泵的入口管道進行隔離，避免了充裝貯槽時產生的汽液夾帶導致的氣蝕發生，如圖1所示。

圖1 貯槽進液與泵的入口管道隔離示意圖

4.2 增加國產6.5MPa氮泵系統一套

根據后工序的使用需要，主要對6.5MPa氮氣系統的使用頻率和需求量較大，綜合考慮新增加一套6.5MPa氮泵。將新購置的國產夜氮泵與現有6.5MPa事故氮泵進行并聯，公用一個空溫式汽化器。主要增加的材料包括：1臺SBP-6200/650低溫液體泵；1個7751防雨變頻柜；5個KDJ型低溫截止閥；1個KDA21Y-220P低溫安全閥、止回閥；43m304的管道、管材；80kg聚氨酯管道保冷材料。

4.3 更換優質保冷材料

將常規泡沫玻璃保冷材料更換為改性深冷型聚氨酯材料，并對原有舊保溫材料進行修復，以減少液氮的低溫跑冷損失，減少汽化率防止氣蝕。