空分設(shè)備低溫冷箱密封氣控制分析

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)

1 前 言

空分設(shè)備低溫冷箱為低溫精餾塔、換熱器、管道、閥門提供低溫運(yùn)行環(huán)境。冷箱內(nèi)充填密度小、導(dǎo)熱系數(shù)低的膨脹珍珠巖(珠光砂)，同時(shí)，冷箱設(shè)置密封氣系統(tǒng)，冷箱內(nèi)充入低壓氮?dú)猓皇估湎湫纬韶?fù)壓或外界濕空氣滲入，避免冷箱碳鋼面板變形，減少冷箱跑冷損失。空分設(shè)備低溫冷箱密封氣投運(yùn)方式及密封氣流量、壓力、氧含量控制對空分設(shè)備低溫冷箱安全投運(yùn)、穩(wěn)定運(yùn)行、停機(jī)備用、故障處理影響大。

馬鞍山鋼鐵股份有限公司(以下簡稱：馬鋼)20 000 m3/h空分設(shè)備是杭氧設(shè)計(jì)、制造的。20 000 m3/h空分設(shè)備采用液氧內(nèi)壓縮與氮?dú)馔鈮嚎s、全精餾制氬工藝流程。

20 000 m3/h空分設(shè)備冷箱密封氣系統(tǒng)由1路密封氣總管、冷箱下部、中部、上部的3路密封氣支管及3只轉(zhuǎn)子流量計(jì)、手動(dòng)截止閥、壓力表構(gòu)成。

20 000 m3/h空分設(shè)備冷箱密封氣的氣源現(xiàn)為2股，1股為原設(shè)計(jì)的自20 000 m3/h空分設(shè)備上塔上部抽取的污氮?dú)猓诳辗衷O(shè)備運(yùn)行時(shí)使用，降低設(shè)備運(yùn)行能耗。另1股冷箱密封氣取自馬鋼低壓氮?dú)夤芫W(wǎng)中純度合格的低壓氮?dú)猓诳辗衷O(shè)備熱開車、冷開車、停機(jī)備用、故障處理時(shí)使用，增大管網(wǎng)氮?dú)鈸p耗量。

馬鋼20 000 m3/h空分設(shè)備自投產(chǎn)，在空分設(shè)備開車、運(yùn)行、停機(jī)、低溫冷箱故障時(shí)，通過分析冷箱密封氣不同控制方法具體運(yùn)用，實(shí)施針對性冷箱密封氣控制方法，使空分設(shè)備低溫冷箱投運(yùn)安全、運(yùn)行穩(wěn)定。

2 空分設(shè)備開車

2.1 冷箱密封氣分析

2.1.1空分設(shè)備熱開車

空分設(shè)備熱開車，膨脹機(jī)啟動(dòng)提供冷量，冷箱內(nèi)珠光砂溫度逐步降低，冷箱內(nèi)氣體體積與壓力逐步降低。此時(shí)，根據(jù)膨脹機(jī)出口溫度、入下塔正流空氣溫度降幅，投運(yùn)冷箱密封氣，避免冷箱形成負(fù)壓或外界濕空氣滲入。

空分設(shè)備熱開車，在上塔上部污氮?dú)庵醒鹾俊㈨敳康獨(dú)饧兌任春细駮r(shí)，冷箱密封氣不使用空分設(shè)備上塔上部抽取的污氮?dú)猓湎涿芊鈿馐褂眉兌群细竦墓芫W(wǎng)低壓氮?dú)猓苊饫湎鋬?nèi)氧氣含量高。

空分設(shè)備熱開車，主塔、粗氬塔、精氬塔全面同步冷卻、逐次投運(yùn)，冷箱內(nèi)不同高度主塔、粗氬塔、精氬塔溫度逐次降至正常運(yùn)行值，冷箱內(nèi)不同高度珠光砂溫度降幅不同。根據(jù)主塔、粗氬塔、精氬塔投運(yùn)步驟，分階段調(diào)節(jié)冷箱密封氣壓力。第1階段，在冷箱內(nèi)低溫設(shè)備冷卻初期，通過調(diào)節(jié)使冷箱下部、中部、上部密封氣壓力相同，均小于0.3 kPa。第2階段，在投運(yùn)粗氬塔、精氬塔時(shí)，根據(jù)冷箱內(nèi)主塔、粗氬塔、精氬塔高度，調(diào)節(jié)冷箱下部、中部、上部密封氣壓力逐次降低，冷箱下部、上部密封氣壓力分別不大于0.3 、0.1 kPa。第3階段，在空分設(shè)備氧氣、氮?dú)狻鍤猱a(chǎn)量、純度均達(dá)到正常運(yùn)行值時(shí)，切換冷箱密封氣的氣源。

2.1.2空分設(shè)備冷開車

空分設(shè)備冷開車，冷箱內(nèi)珠光砂溫度低，冷箱內(nèi)氣體體積與壓力降幅小。冷箱密封氣使用純度合格的管網(wǎng)低壓氮?dú)狻Ｔ诳諌簷C(jī)啟動(dòng)、正流空氣導(dǎo)入下塔時(shí)，根據(jù)冷箱內(nèi)下塔、粗氬塔、主換熱器基礎(chǔ)溫度變化，調(diào)節(jié)冷箱下部、中部、上部密封氣壓力至正常運(yùn)行值，使冷箱內(nèi)3組基礎(chǔ)溫度均不小于-10℃，減少冷箱跑冷損失。

在空分設(shè)備投運(yùn)精氬塔時(shí)，保持冷箱下部、中部、上部密封氣壓力穩(wěn)定狀態(tài)，將冷箱密封氣的氣源切換為空分設(shè)備上塔上部抽取的污氮?dú)猓档凸芫W(wǎng)低壓氮?dú)鈸p耗。

2.2 冷箱密封氣控制實(shí)例

2014年6月23日，20 000 m3/h空分設(shè)備熱開車。首先，啟動(dòng)膨脹機(jī)，在膨脹機(jī)膨脹端出口溫度降至小于0℃時(shí)，使用管網(wǎng)低壓氮?dú)猓_冷箱密封氣進(jìn)氣總閥，根據(jù)密封氣轉(zhuǎn)子流量計(jì)浮子升幅，調(diào)節(jié)冷箱下部、中部、上部密封氣轉(zhuǎn)子流量計(jì)進(jìn)氣閥開度，控制入冷箱密封氣流量，將冷箱下部、中部、上部密封氣壓力均調(diào)至0.2 kPa。

而后，在投運(yùn)粗氬塔，粗氬II塔頂部氣態(tài)粗氬中氧含量減至2×10-6時(shí)，將冷箱下部密封氣壓力調(diào)至0.3 kPa。在投運(yùn)精氬塔，精氬塔塔釜液位升至正常運(yùn)行值時(shí)，調(diào)節(jié)冷箱下部、中部、上部密封氣轉(zhuǎn)子流量計(jì)進(jìn)氣閥開度，分配入冷箱密封氣流量，將冷箱下部、中部、上部密封氣壓力分別調(diào)至0.3、0.2、0.1kPa，控制冷箱內(nèi)3組基礎(chǔ)溫度均不小于0℃。

最后，在液氬輸入儲(chǔ)槽與液氧、液氮產(chǎn)量升至正常運(yùn)行值時(shí)，將冷箱密封氣的氣源切換為20 000 m3/h空分設(shè)備上塔上部抽取的污氮?dú)猓档驮O(shè)備運(yùn)行能耗。

3 空分設(shè)備運(yùn)行

3.1 冷箱密封氣分析

空分設(shè)備運(yùn)行，冷箱內(nèi)低溫精餾塔、換熱器、管道、閥門冷量持續(xù)擴(kuò)散，擴(kuò)散量大，冷箱內(nèi)珠光砂處于低溫狀態(tài)。

冷箱密封氣使用上塔上部抽取的污氮?dú)猓鶕?jù)冷箱內(nèi)下塔、粗氬塔、主換熱器基礎(chǔ)溫度變化與冷箱碳鋼面板有無結(jié)露、結(jié)霜現(xiàn)象，調(diào)節(jié)冷箱下部、中部、上部密封氣壓力。

在冷箱內(nèi)下塔、粗氬塔、主換熱器基礎(chǔ)溫度均大于-10℃，冷箱碳鋼面板無結(jié)露、結(jié)霜現(xiàn)象，空分設(shè)備精餾工況穩(wěn)定時(shí)，控制冷箱下部、中部、上部密封氣壓力分別不大于0.3、0.2、0.1 kPa，最大限度減少低溫冷箱跑冷損失。

因冷箱碳鋼面板銹蝕、人孔墊片及低溫閥門保溫套筒損壞，外界空氣導(dǎo)入，冷箱內(nèi)珠光砂凍結(jié)成塊狀，珠光砂導(dǎo)熱系數(shù)增大，使冷箱內(nèi)低溫設(shè)備冷量在較小面積擴(kuò)散量增大，冷箱碳鋼面板結(jié)露。冷箱內(nèi)下塔、粗氬塔、主換熱器基礎(chǔ)溫度降至小于-10℃，大于低報(bào)警值，空分設(shè)備精餾工況穩(wěn)定。在此狀態(tài)，冷箱下部、中部、上部密封氣壓力分別調(diào)至不大于0.3 、0.3 、0.2 kPa，增大入冷箱密封氣流量，不使冷箱內(nèi)低溫設(shè)備冷量在珠光砂中擴(kuò)散量增大。

因冷箱內(nèi)珠光砂沉降，冷箱內(nèi)較少量低溫氣體泄漏，冷量滲入珠光砂，使冷箱內(nèi)低溫設(shè)備冷量在較大面積擴(kuò)散量增大，冷箱碳鋼面板結(jié)霜。冷箱內(nèi)下塔、粗氬塔、主換熱器基礎(chǔ)溫度降至低報(bào)警值，空分設(shè)備精餾工況波動(dòng)，液氧、液氮、液氬產(chǎn)量小于正常運(yùn)行值，空分設(shè)備運(yùn)行安全系數(shù)低。在此狀態(tài)，冷箱下部、中部、上部密封氣壓力分別調(diào)至不大于0.4、0.3 、0.3 kPa，提高入冷箱密封氣流量，不使冷箱碳鋼面板長時(shí)間結(jié)霜發(fā)生低溫脆裂。

3.2 冷箱密封氣控制實(shí)例

2013年6月，20 000 m3/h空分設(shè)備運(yùn)行，主冷箱頂部存在較大面積結(jié)霜現(xiàn)象，冷箱內(nèi)下塔基礎(chǔ)溫度降至-53℃。為保持設(shè)備冷量平衡，停止液氮生產(chǎn)，將液氧產(chǎn)量由1500 m3/h減至400 m3/h，同時(shí)將膨脹量由25 000 m3/h增至26 000 m3/h，保持主冷液位穩(wěn)定。隨著主冷箱頂部結(jié)霜面積增大，氮?dú)庵醒鹾坑?×10-6升至4.3×10-6。

開啟主冷箱頂部人孔檢查，主冷箱頂部珠光砂沉降，冷箱內(nèi)上塔頂部輔塔裸露，上塔頂部輔塔與冷箱外大氣環(huán)境存在較大溫差、熱導(dǎo)率，上塔頂部輔塔冷量擴(kuò)散，上塔頂部回流液體蒸發(fā)量增大、上升蒸氣液化量減小，使上塔精餾段回流比減小，氮?dú)庵醒鹾吭龃蟆?/p>

為此，首先，調(diào)節(jié)冷箱密封氣轉(zhuǎn)子流量計(jì)進(jìn)氣閥，使轉(zhuǎn)子流量計(jì)浮子升高，將冷箱下部、中部、上部密封氣壓力分別調(diào)至0.4 、0.3 、0.2 kPa，增大入冷箱密封氣流量，控制冷箱內(nèi)3組基礎(chǔ)溫度均不小于-30℃。

而后，2013年7月12日，20 000 m3/h空分設(shè)備運(yùn)行，對主冷箱實(shí)施補(bǔ)填珠光砂作業(yè)。在主冷箱補(bǔ)填珠光砂時(shí)，控制冷箱下部、中部、上部密封氣壓力為0.2 、0.1 、0.1 kPa，減少入冷箱密封氣流量，避免主冷箱頂部填充珠光砂的人孔有珠光砂外噴。

最后，在珠光砂填充至主冷箱頂部人孔蓋板處時(shí)，再次調(diào)節(jié)冷箱密封氣轉(zhuǎn)子流量計(jì)進(jìn)氣閥，將冷箱下部、中部、上部密封氣壓力分別調(diào)至0.3 、0.2 、0.1 kPa，控制冷箱內(nèi)3組基礎(chǔ)溫度均大于-10℃。

4 空分設(shè)備停機(jī)

4.1 冷箱密封氣分析

在空分設(shè)備停機(jī)冷備用或停機(jī)排液、加溫時(shí)，冷箱內(nèi)低溫精餾塔、換熱器、管道、閥門冷量擴(kuò)散量持續(xù)減少，冷箱內(nèi)珠光砂處于升溫狀態(tài)。

空分設(shè)備停機(jī)，上塔上部未能抽取污氮?dú)猓湎涿芊鈿馐褂玫獨(dú)夤芫W(wǎng)中低壓氮?dú)猓鶕?jù)冷箱內(nèi)下塔、粗氬塔、主換熱器基礎(chǔ)溫度變化，調(diào)節(jié)冷箱下部、中部、上部密封氣壓力。

在空分設(shè)備停機(jī)冷備用期間，為降低下塔、主冷、粗氬塔、精氬塔中低溫液體蒸發(fā)量與珠光砂升溫幅度，減少入冷箱密封氣流量，冷箱下部、中部、上部密封氣壓力均調(diào)至不大于0.1 kPa，控制冷箱內(nèi)下塔、粗氬塔、主換熱器的基礎(chǔ)溫度大于低報(bào)警值。

在空分設(shè)備停機(jī)排液、加溫時(shí)，為提高冷箱內(nèi)低溫設(shè)備與珠光砂升溫幅度，增大入冷箱密封氣流量，冷箱下部、中部、上部密封氣壓力均調(diào)至不小于0.3 kPa，使冷箱內(nèi)下塔、粗氬塔、主換熱器的基礎(chǔ)溫度大于0℃。

4.2 冷箱密封氣控制實(shí)例

20 000 m3/h空分設(shè)備投產(chǎn)，因20 000 m3/h空分設(shè)備冷箱密封氣原設(shè)計(jì)僅為1股，即使用20 000 m3/h空分設(shè)備上塔上部抽取的污氮?dú)鉃槔湎涿芊鈿狻Ｔ诳辗衷O(shè)備故障跳機(jī)、停機(jī)冷備用期間，冷箱密封氣無氣源，冷箱內(nèi)低溫設(shè)備冷量擴(kuò)散量大，20 000 m3/h空分設(shè)備主冷箱頂部大面積碳鋼面板結(jié)霜，冷箱內(nèi)下塔、粗氬塔、主換熱器基礎(chǔ)溫度均小于-120℃。

為此，馬鋼為20 000 m3/h空分設(shè)備冷箱密封氣系統(tǒng)增設(shè)1股冷箱密封氮?dú)猓?0 000 m3/h空分設(shè)備冷箱密封氣設(shè)置為2股，1用1備。新增設(shè)的冷箱密封氣取自馬鋼低壓氮?dú)夤芫W(wǎng)，經(jīng)減壓閥減壓、手動(dòng)截止閥調(diào)節(jié)后導(dǎo)入原冷箱密封氣總管。

2010年10月，20 000 m3/h空分設(shè)備冷箱密封氣系統(tǒng)技術(shù)改造完成。在空分設(shè)備停機(jī)冷備用時(shí)，冷箱密封氣使用從馬鋼低壓氮?dú)夤芫W(wǎng)抽取的氮?dú)猓{(diào)節(jié)冷箱下部、中部、上部密封氣壓力均為0.1 kPa，冷箱內(nèi)下塔、粗氬塔、主換熱器的基礎(chǔ)溫度均大于-27℃，低溫冷箱停機(jī)安全。

在空分設(shè)備處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，冷箱密封氣仍使用從空分設(shè)備上塔上部抽取的污氮?dú)猓瑴p少管網(wǎng)氮?dú)鈸p耗。

5 空分設(shè)備冷箱低溫脆裂

5.1 冷箱密封氣分析

空分設(shè)備冷箱內(nèi)低溫精餾塔、換熱器、管道、閥門故障，低溫液體泄漏滲入珠光砂，冷量擴(kuò)散至冷箱碳鋼面板，冷箱碳鋼面板溫度降至小于-30℃時(shí)，碳鋼面板內(nèi)部金相組織破壞，冷箱低溫脆裂。

在空分設(shè)備冷箱發(fā)生低溫脆裂時(shí)，低溫液體氣化，冷箱壓力高及安全閥啟跳，冷箱基礎(chǔ)溫度小于-170℃，空分設(shè)備聯(lián)鎖跳機(jī)或手動(dòng)緊急停機(jī)。

空分設(shè)備冷箱低溫脆裂停機(jī)，停運(yùn)冷箱下部、中部、上部密封氣，降低冷箱內(nèi)低溫液體氣化量，降低冷箱壓力，避免冷箱碳鋼面板變形。同時(shí)，開啟冷箱頂部全部人孔泄壓，對冷箱內(nèi)低溫設(shè)備進(jìn)行排液。

在低溫設(shè)備排液完畢，靜置、全面加溫時(shí)，保持冷箱頂部人孔全部開啟狀態(tài)，投運(yùn)冷箱密封氣。根據(jù)冷箱碳鋼面板脆裂狀態(tài)、冷箱頂部人孔珠光砂狀態(tài)與冷箱基礎(chǔ)溫度、冷箱密封氣氧含量變化，調(diào)節(jié)冷箱密封氣壓力。

首先，在冷箱內(nèi)低溫設(shè)備靜置后期，調(diào)節(jié)冷箱下部、中部、上部密封氣壓力均不大于0.1 kPa，使冷箱內(nèi)珠光砂中殘留的較大量低溫液體的氣化量逐步增大。而后，在冷箱內(nèi)低溫設(shè)備全面加溫，冷箱基礎(chǔ)溫度升至高于聯(lián)鎖值時(shí)，調(diào)節(jié)冷箱下部、中部、上部密封氣壓力均不大于0.2 kPa，增大滲入珠光砂中殘留低溫液體氣化量。最后，在冷箱基礎(chǔ)溫度升至高于低報(bào)警值時(shí)，調(diào)節(jié)冷箱下部、中部、上部密封氣壓力均不大于0.3 kPa，清除冷箱中珠光砂冷量，使珠光砂復(fù)溫。

在低溫設(shè)備全面加溫完成，冷箱基礎(chǔ)溫度升至不小于0℃，冷箱基礎(chǔ)溫度無降低現(xiàn)象時(shí)，停運(yùn)、隔斷冷箱密封氣，對冷箱扒砂及檢修低溫設(shè)備。

5.2 冷箱密封氣控制實(shí)例

2010年10月，20 000 m3/h空分設(shè)備粗氬塔投運(yùn)，粗氬冷凝器液空液位計(jì)正管根部斷裂，粗氬冷凝器下方6 m處冷箱碳鋼面板發(fā)生低溫脆裂，冷箱碳鋼面板脆裂處有大量低溫液體外漏。冷箱內(nèi)3處基礎(chǔ)溫度計(jì)均降至-175℃，主冷液位降至聯(lián)鎖值，冷箱聯(lián)鎖停運(yùn)，空壓機(jī)、增壓機(jī)卸載。

停運(yùn)20 000 m3/h空分設(shè)備冷箱密封污氮?dú)猓_啟主冷箱、主換熱器冷箱頂部全部人孔，將冷箱下部、中部、上部壓力均降至0 kPa，對下塔、主冷、粗氬II塔、粗氬冷凝器、精氬塔排液。

在低溫設(shè)備靜置，冷箱碳鋼面板脆裂處無低溫液體外漏、無珠光砂噴濺時(shí)，投運(yùn)新增設(shè)的取自馬鋼低壓氮?dú)夤芫W(wǎng)的冷箱密封氮?dú)狻?/p>

首先，保持冷箱內(nèi)低溫設(shè)備靜置狀態(tài)，調(diào)節(jié)冷箱密封氣轉(zhuǎn)子流量計(jì)進(jìn)氣閥，使轉(zhuǎn)子流量計(jì)浮子上升，將少量冷箱密封氮?dú)鈱?dǎo)入冷箱，控制冷箱下部、中部、上部密封氣壓力均為0.1 kPa。此時(shí)，如冷箱碳鋼面板脆裂處有珠光砂噴濺現(xiàn)象、冷箱面板發(fā)生鼓包現(xiàn)象，立即全關(guān)冷箱密封氣轉(zhuǎn)子流量計(jì)進(jìn)氣閥。

而后，啟動(dòng)20 000 m3/h空分設(shè)備空壓機(jī)，將正流空氣導(dǎo)入冷箱內(nèi)低溫設(shè)備進(jìn)行全面加溫。在粗氬冷凝器液空回流管道溫度升至-60℃、冷箱基礎(chǔ)溫度升至高于聯(lián)鎖值-170℃時(shí)，調(diào)節(jié)冷箱密封氣轉(zhuǎn)子流量計(jì)進(jìn)氣閥，增大入冷箱密封氮?dú)饬髁浚刂评湎湎虏俊⒅胁俊⑸喜棵芊鈿鈮毫鶠?.2 kPa。此時(shí)，如冷箱碳鋼面板脆裂處有氣流聲音，分步減少冷箱密封氣轉(zhuǎn)子流量計(jì)進(jìn)氣閥開度，降低冷箱下部、中部、上部密封氣壓力。

最后，在粗氬冷凝器液空回流管道溫度升至-10℃、冷箱基礎(chǔ)溫度升至高于低報(bào)警值-60℃時(shí)，調(diào)節(jié)冷箱密封氣轉(zhuǎn)子流量計(jì)進(jìn)氣閥，將較高流量冷箱密封氮?dú)鈱?dǎo)入冷箱，控制冷箱下部、中部、上部密封氣壓力均為0.3 kPa。此時(shí)，如冷箱頂部開啟人孔發(fā)生珠光砂飛揚(yáng)、冷箱壁低溫閥門套有噴砂現(xiàn)象，逐步減少冷箱密封氣轉(zhuǎn)子流量計(jì)進(jìn)氣閥開度，降低冷箱密封氣壓力。

在20 000 m3/h空分設(shè)備低溫設(shè)備全面加溫完成，冷箱基礎(chǔ)溫度升至大于5℃，冷箱密封氣氧含量小于1%，停運(yùn)冷箱密封氮?dú)鈺r(shí)，冷箱基礎(chǔ)溫度降至小于-19℃。在此狀態(tài)，再次投運(yùn)冷箱密封氮?dú)猓{(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子流量計(jì)浮子升至高限值，將較大流量冷箱密封氮?dú)鈱?dǎo)入冷箱，控制冷箱下部、中部、上部密封氣壓力分別為0.4 、0.4 、0.3 kPa，加溫冷箱內(nèi)珠光砂，使冷箱基礎(chǔ)溫度升至常溫。

在扒除冷箱內(nèi)珠光砂、檢修冷箱內(nèi)低溫設(shè)備時(shí)，全關(guān)冷箱密封氣進(jìn)氣總閥，在冷箱密封氣進(jìn)氣總閥處設(shè)置盲板，隔斷冷箱密封氮?dú)猓ＷC作業(yè)人員安全。

6 結(jié)束語

在20 000 m3/h空分設(shè)備開車、運(yùn)行、停機(jī)、低溫冷箱故障時(shí)，馬鋼通過分析冷箱密封氣不同控制方法的具體運(yùn)用，根據(jù)冷箱密封氣壓力、冷箱基礎(chǔ)溫度變化與冷箱現(xiàn)場實(shí)際狀態(tài)，實(shí)施針對性冷箱密封氣投運(yùn)方式與密封氣調(diào)節(jié)方法，保證空分設(shè)備開車安全、運(yùn)行穩(wěn)定。