空分裝置主冷液位不漲的原因分析與解決措施

李宏陽,張偉華

(中海石油華鶴煤化有限公司， 黑龍江鶴崗 154100)

中海石油華鶴煤化有限公司(簡稱華鶴公司)配有1套KDON-45000/53500型空分裝置，采用分子篩吸附凈化、增壓膨脹機空氣進下塔、雙塔精餾、氧氮產品氣內壓縮的工藝流程。2020年7月全廠停車大修結束后，空分裝置開車運行，運行穩定后出現主冷凝蒸發器(E01301)氧液位(簡稱主冷液位)不足。提高膨脹機負荷，加大制冷量后，主冷液位仍不能滿足后系統滿負荷氧氣用量。經數據對比分析，確認高壓板式換熱器(E01302A/B)空氣管線出現堵塞，通過負荷調整維持運行，直到2021年7月檢修期間，空分裝置加溫吹掃完成，工況恢復正常。

1 異常工況現象

2020年7月，空分裝置檢修后開車，按照操作規程正常啟動后，空分裝置運行正常，未出現異常數據。隨著空分裝置運行時間的延長，在維持氧氣體積流量為35 000 m3/h、未進行特殊操作的情況下，主冷液位出現下降；將膨脹機負荷加滿，裝置冷量依舊不足，后系統多次出現被迫減負荷、減少用氧量的情況。膨脹機負荷調整前后數據見表1。

2 主冷液位下降原因分析

分析主冷液位下降的原因可能為：

(1) 主冷液位計(LI01302)失真。該液位計在使用期間出現間歇性故障，有可能是信號傳輸導致的液位下降。聯系儀表專業人員對該液位計聯鎖切除后進行檢查，確認液位計變送器信號正常，因此排除液位計失真導致主冷液位下降的情況。

表1 膨脹機負荷調整前后數據

(2) 氧氮產品氣取出量過大。空分裝置氧氮產品氣取出量增大，而進塔加工空氣量沒有增加，出現入不敷出的現象，導致空分裝置冷量不足，體現為主冷液位下降。檢查運行工況發現后系統生產負荷無變化，氧氮產品氣取出量沒有增加。因此，排除氧氮產品氣取出量過大導致主冷液位下降的情況。

(3) 冷箱內設備發生泄漏。冷箱內設備管線發生大量氣體泄漏，冷箱保護氣壓力升高，從冷箱呼吸帽處會冒出大量冷氣，如果發生的是液體泄漏，則冷箱的基礎溫度會出現大幅度下降。從集散控制系統(DCS)畫面趨勢觀察，冷箱保護氣壓力點穩定，無上漲情況，基礎溫度也未發生大幅度下降。對冷箱內氣體進行取樣分析，冷箱上部氣體含氧體積分數為7.1%，中部氣體含氧體積分數為13.1%，下部氣體含氧體積分數為17.1%。氣體含量與每周常規樣品檢測數值基本一致，從冷箱外觀觀察，主冷箱外表面未見結霜位置，因此排除冷箱內設備發生泄漏導致主冷液位下降的情況。

(4) 膨脹機制冷效率下降。膨脹機的總制冷量與單位制冷量和膨脹量有關，單位制冷量與膨脹機膨脹端的進出口壓力及進口溫度有關，所以通過調整膨脹機的進氣量、轉速、進出口壓力及進口溫度，能夠發揮膨脹機的制冷效率。主冷液位下降后，膨脹機工況已進行調整且達到了超高負荷運行狀態，冷量不足的異常狀態有所改善，但是在膨脹機超高的負荷下，才能維持35 000 m3/h的氧氣體積流量，而且出現白天降、晚上微漲的情況，與裝置滿負荷45 000 m3/h的氧氣體積流量差距很大，懷疑增壓端出口進入高壓板式換熱器的熱態空氣管線發生堵塞，導致換熱器效率下降。

(5) 熱端溫差大，冷量損失增加。通過查找檢修前高壓板式換熱器運行的熱端氣體數據，與現在的運行數據對比分析，發現熱端溫差增加了5 K左右，板式換熱器的冷量損失增加了，損失的冷量已經大于膨脹機的制冷量，導致在膨脹機超高負荷下運行仍不能滿足現有的產品量輸出。高壓板式換熱器數據對比見表2。

表2 高壓板式換熱器數據

通過以上原因分析，判斷高壓板式換熱器空氣管線發生堵塞。由于各裝置剛剛檢修完成啟動運行，空分裝置通過操作調整可以維持基本生產能力，因此決定特護運行，觀察各指標變化趨勢。若運行指標惡化，則申請裝置停車。

3 維持生產的措施

為了維持裝置生產，通過不斷調整參數，總結出一套操作方法維持穩定生產直到2021年7月裝置停車檢修加溫。具體操作方法為：

(1) 操作原則為維持35 000 m3/h氧氣體積流量，工況不做大幅度調整，維持預冷系統冷水機運行，調整空冷塔出口空氣溫度≤16 ℃。

(2) 分子篩均壓期間，及時開大空壓機導葉補充氣量，均壓結束后，及時關回導葉，避免空壓機排氣壓力過高和進低壓板式換熱器氣量過大。分子篩切換運行初期，如果低壓板式換熱器(E01303A/B/C/D/E)冷端空氣溫度≥-162 ℃，及時將高壓板式換熱器污氮氣調整到低壓板式換熱器，將溫度控制在-164～-168 ℃。

(3) 運行期間空冷塔出口壓力控制在0.491～0.496 MPa。

(4) 膨脹機膨脹端進口溫度控制在-102～-110 ℃，轉速控制在19 800～20 300 r/min。

4 解決措施

4.1 系統復熱

系統排液，空分裝置停車后，投用蒸汽噴射器，排凈上、下層主冷，下塔液空，小液氮罐，氧、氮泵內液體，開大噴射蒸汽量，緩慢全開排液閥門，現場拉警戒線。液體排空后靜置2 h，總排液時間可控制在6 h內。

按照正常精餾塔引氣步驟，向精餾塔內引熱空氣，空分裝置復熱前期必須嚴格控制進塔氣量，反流污氮氣閥門不能過早開啟，否則會造成低壓板式換熱器跑冷。以上塔壓力≤50 kPa為界限，適當開反流污氮氣閥門。此次復熱初期，反流污氮氣閥門開得稍早，造成低壓板式換熱器溫度最低約為-10 ℃。

空分裝置復熱時不需要開下塔去上塔啟動管線閥門，根據主冷升溫速率，打開上、下層主冷排液閥，保持下塔和主冷之間端面溫差≤30 K，均勻緩慢上升，復溫后期2個閥門保持全開至復溫結束。下塔和液氮管線排液導淋前期根據溫度調整開度，后期始終保持1/3開度。

當精餾系統各溫度點升至-140 ℃時，溫度上漲緩慢，主要因為精餾系統塔內冷量通過高低壓板式換熱器反復回收，冷箱積聚系統內不能及時排冷。該階段應盡量開大現場精餾系統外排導淋，將系統內冷量盡量排放至外界，同時做好警戒隔離措施。

進口膨脹機膨脹端復熱時，需要嚴格控制進口膨脹機進口氣體積流量≤2 000 m3/h，否則進口膨脹機會出現轉速。加溫流路為：增壓端進口閥旁路→增壓端出口閥→膨脹端進口閥→加溫吹除導淋，用旁路閥控制，其余閥門全開。如果膨脹機出現轉速，可適當關小增壓端出口閥和膨脹端進口閥。

高壓板式換熱器可與系統一起復熱，三段空氣高壓節流閥門(HV01308)在測溫點溫度(TI01322)≤-20 ℃前可以打開向精餾系統導氣，用來復熱污氮、低壓氮、氧氮氣管線，TI01322>-20 ℃時需要關閉三段空氣高壓節流閥門，因為高壓空氣節流會產生冷量導致精餾系統溫度上漲緩慢。

復溫后期，精餾塔下塔液位調節閥(LV01301)、液氮進上塔調節閥(HV01302)、污液氮進上塔調節閥(FV01303)、貧液空進上塔調節閥(HV01304)、粗氬塔液位調節閥(LV01309)、低壓板式換熱器污氮氣調節閥(PV01332)、低壓板式換熱器粗氬氣調節閥(FV01333)、低壓板式換熱器氧氣調節閥(FV01334)、高壓板式換熱器污氮氣調節閥(PV01331)全開。

復熱流程見圖1。

4.2 系統吹掃

在冷箱內各測溫點溫度達到0 ℃以上時，由加溫階段轉為吹掃階段。先吹掃高壓板式換熱器。如果先吹掃低壓板式換熱器，其體積流量(100 000 m3/h)會導致低壓板式換熱器空氣進下塔溫度(TI01301)降低，影響整體復熱效果。

吹掃時應集中氣量分別對低壓板式換熱器污氮管線、高壓板式換熱器污氮管線、低壓氮氣管線、高壓氧氣管線、高壓氮氣管線分別進行吹掃。

吹掃流路為：

(1) 污氮氣導至高壓板式換熱器，全開PV01331，關小PV01332，控制上塔壓力≤50 kPa，高壓板式換熱器污氮氣分2組吹掃。第1組：全開E01302A污氮氣外送手閥(V01315A/B)→PV01331，全關E01302B污氮氣外送手閥(V01316A/B)，吹掃12 h，關閉閥門時注意上塔壓力。第2組：全開V01316A/B→PV01331，全關V01315A/B，吹掃12 h，關閉閥門時注意上塔壓力。

(2) 污氮氣導至低壓板式換熱器，全開PV01332，關小PV01331，控制上塔壓力≤50 kPa，吹掃12 h。

(3) 高壓空氣旁通氧氣管線，全開高壓空氣旁通總閥(V01374B)→高壓空氣旁通高壓氧氣管線閥門(V01375B)→高壓氧氣放空調節閥(FV01339B)放空，吹掃18 h，全開閥門的總氣體積流量為5 500 m3/h左右。

(4) 高壓空氣旁通氮氣管線，全開V01374B→高壓空氣旁通高壓氮氣管線閥門(V01376B)→高壓氮氣放空調節閥(FV01336B)放空，吹掃18 h，全開閥門的總氣體積流量為5 500 m3/h左右。

(5) 低壓氮氣管線吹掃，低壓氮氣放空調節閥(FV01335B)閥門開大，體積流量取13 000 m3/h左右吹掃。

(6) 進口膨脹機冷端吹掃，增壓端進口閥(V01451)→增壓端出口閥(V01454)→膨脹端進口閥(V01461)→膨脹端吹除閥(V01483)，用旁路閥控制，其余閥門全開，以膨脹機無轉速為原則，控制吹掃氣體積流量≤2 000 m3/h。如果膨脹機出現轉速，可以適當關小V01454、V01461保持小開度，通過旁路閥控制氣量。

(7) 國產膨脹機冷端吹掃，增壓端進口閥(V01452)→增壓端出口閥(V01456)→膨脹端進口閥(V01462)→膨脹端吹除閥(V01484)，用旁路閥控制，其余閥門全開，以膨脹機無轉速為原則，控制吹掃氣體積流量≤2 000 m3/h，如果膨脹機出現轉速，可以適當關小V01456、V01462，保持小開度，通過旁路閥控制氣量。

吹掃污氮氣管線與氧氮氣管線同時進行，共計36 h；三段壓力提至6.0 MPa,吹掃氧氣管線時，氮氣管線放空閥關閉，吹掃氮氣管線時，氧氣管線放空閥關閉。

儀表點吹掃，在吹掃過程中，打開精餾塔下塔壓差表(PDI01301)、精餾塔上塔壓差表(PDI01302)、粗氬塔壓差表(PDI01303)、精餾塔下塔液位計(LIC01301)、主冷下層液位計(LI01302)、主冷上層液位計(LI01303)、粗氬塔液位計(LIC01309)，現場變送器處就地吹除管，進行吹掃。

在各吹掃點進行露點分析，連續2次露點≤-60 ℃為吹掃合格。開車后運行數據對比見表3。

表3 空分冷箱復溫前后主要數據對比

5 結語

空分裝置復熱后，各工藝參數恢復到正常運行指標，膨脹機運行工況得到優化，板式換熱器熱端溫差縮小，主冷液位在35 000 m3/h的氧氣體積流量下，膨脹機正常負荷運行即可滿足生產。膨脹機滿負荷運行能夠將氧氣體積流量取到45 000 m3/h，滿足氣化爐在線切換的條件，徹底解決了由于板式換熱器堵塞導致主冷液位不漲的問題，同時對系統加溫吹掃的方法進行了總結優化，為以后的工藝操作提供了技術參考。