1201*空分装置设备及运行总结
KDONAr-1201*/201*0/400空分装设备及运行总结
张明荣刘发友朱卫东韩学华刘连刚
（山东寿光巨能特钢有限公司，山东寿光262711）
摘要：简要介绍了KDONAr-1201*/201*0/400空分装的一些设备特点，对运行中出现的问题进行分析并采取改进和修正措施，提高了空分装的安全稳定性。
关键词：空分装；设备；运行；总结
山东寿光巨能特钢有限公司于201*年9月投运的KDONAr-1201*/201*0/400型空分装，采用DCS控制、全低压常温分子筛吸附纯化、增压透平膨胀机制冷、规整填料塔全精馏无氢制氩和氧、氮外压缩流程。现将该空分装的一些设备特点以及运行中出现的问题处理进行总结如下，供同行参考。1、空压机进气过滤系统
空压机进气过滤系统采用自洁式空气过滤器，处理气量按照空分运行所需气量（61500m3/h）的2倍考虑，主要是因为在二期技改项目中还配套一台进口阿特拉斯10000Nm3/h/0.9MPa（A）的压缩空气用离心式空压机，因此将这台离心式空压机与空分用空压机的空气过滤系统合二为一，在不增加总的设备投资的前提下，充分利用了空分用主空压机的空气过滤系统的优越性，提高了压缩空气最终可用压缩空气的气量和质量，也降低了其进气过滤器的更换费用（进口空压机进气过滤器的价格非常高）。2、空压机系统
空压机系统配套沈鼓集团的DH80-26型离心式压缩机，从压缩机的整体运行情况来看，振动、轴承温度等都比较正常，但有以下几个方面的问
题值得注意：
2.1由于压缩机随机配备的四级排气管道波纹管膨胀节安装不当致使四级蜗壳被膨胀节产生的盲板力拉裂，后经生产厂家、设计单位以及我公司技术人员共同分析，根据现场实际情况去掉了波纹管膨胀节重新进行配管设计、安装后运行正常。通过这件事说明在工程设计施工中一定要彻底了解所用设备的性能和特点，不能有一丝差错，否则可能会适得其反。
2.2空压机进口导叶内装有22只普通62H型轴承，在空压机运行初期我们的运行方式是开大空压机进口导叶，使空压机出口放空防喘振阀维持较大放空量，当纯化系统切换时利用防喘振阀压力跟踪调节功能调整出口压力在设定数值，但是这种运行方式不但出口压力波动较大，放空量也较大，即空压机能耗较高，另外还会使轴承由于长时间不动作而积灰较多转动不灵活。针对以上情况我们调整了空压机运行方式，即在正常运行时使空压机出口放空防喘振阀基本在关闭位，当纯化系统切换时手动调节进口导叶与防喘振阀出口压力调节配合维持出口压力在设定数值，不但减小了出口压力波动幅度，也减小了放空气量，降低了空压机能耗，并且由于调节进口导叶时轴承也随之动作，避免了轴承积灰较多转动不灵活故障的发生。
2.3由于空压机随机配备的排油烟风机油烟分离器分离效果不好，使排油烟出口处到处是油污，不但影响了环境美观，并且在风大时飘入空压机进气过滤系统，造成了较大的安全隐患。我们经过与同行人员进行交流并经过仔细分析后，利用油、烟比重不同的原理自制油烟分离器，运行效果很好，彻底解决了油烟分离分离不彻底的问题。
3、空气预冷系统
空气预冷系统主要有两个特点，一是按照产品氮气使用最小量考虑进行设计，使污氮气和产品氮气没有放空全部被利用，并且将出空冷塔空气最高温度设计为18℃，把冷水机组只作为紧急备用，从而提高了系统运行的可靠性。二是在空气冷却塔顶部设有惯性分离器及丝网分离器，确保冷却后的工艺空气中无游离水份进入分子筛纯化系统。有以下几个方面的问题值得注意：
3.1由于冷冻水回流与冷冻水泵入口管直接相连，所以在冷冻水回流阀开启的情况下空冷塔内空气会通过冷冻水回流管路进入冷冻水泵入口，从而造成冷冻水泵无法起动。后来我们将冷冻水回流管路改接至水冷塔本体，使冷冻水泵可以顺利启动。
3.2201*年4月由于空压机励磁系统故障发生空压机跳车事故，由于没有及时关闭空冷塔水位自调节阀，致使循环水倒流回空冷塔，幸亏发现及时未造成空压机进水和分子筛进水事故，发生此次事件后规定空分设备停车后必须将空冷塔水位调节阀打手动并关闭，确保空压机和纯化系统安全。
4、分子筛纯化系统
分子筛纯化系统按照最高进气温度18℃设计，而在空气预冷系统正常运行不投水冷机组的情况下进气温度一直≤16℃，因此分子筛纯化系统吸附杂质的富裕量较大，从而提高了分子筛纯化系统运行的安全保证性。曾经出现过的问题只有一个，就是在空分装投运初期，由于两组分子筛纯化系统切换时空气压力波动大影响了空分精馏系统运行工况的稳定性，后
来对两组分子筛切换时各个阶段阀门开度进行了适当调整，并在切换时调整空压机进口导叶开度进行配合，使空气压力几乎无波动，保证了空分精馏系统运行工况的稳定性。5、膨胀机系统
膨胀机系统包括两台完全独立运行的高效增压透平膨胀机，从实际运行情况来看运行效率、振动以及轴承温度都达到了设计要求，只是由于流量计安装在了增压空气回流管路上不能反映真实的膨胀空气量，对精馏工况的调整增加了难度。在膨胀机试车阶段发生过一次事故，具体情况如下：在正常起动1#膨胀机后起动2#膨胀机时，发现随着2#膨胀机的转速逐步增加但其膨胀空气流量几乎不变，并且停1#膨胀机时2#膨胀机也同时停止运行，另外在1#膨胀机停运是2#膨胀机无法单独启动，经仔细检查发现2#增压机进气阀门损坏无法打开，将这个阀门更换后一切恢复正常。6、分馏塔系统
分馏塔系统包括氧、氮精馏系统和氩精馏系统，氧、氮产品的产量和质量现均已达到设计要求，氩产品由于由于设备存在一些不完善之处而问题较多。分馏塔系统从开始运行到现在主要有以下几个问题：
6.1在氧气压缩机尚未运行时下塔液空含氧量比较稳定，但在氧透投入运行后，液空含氧量经常发生大的波动，开始以为是氧压机压缩量调整时空分氧气产量调节阀调节滞后原因引起的，但是经过一段时间观察后才发现是由于氧压机放空位正好对着空压机入口过滤器，每当氧压机放空时氧气进入空压机使空气含氧量变化而造成空含氧量的波动，将氧压机放空位调整后此现象得到彻底解决
6.2201*年4日月由于空压机故障跳车使空分系统停运，4小时后重新启动空压机投运空分系统。操作人员在往空分下塔送气时发现进下塔的空气量很大并且波动也较大，空压机压力在0.3～0.4MPa之间波动，主冷液氧液位立即下降，上塔阻力上升，然后下塔液空液位上涨，去上塔液空调节阀自动开大，上塔液氧液位、阻力及氧气纯度呈周期波动。这是一起典型的上塔液悬事故。我们立即通过分析后立即进行了相应处理：关闭下塔回流液氮阀，稍开液空进粗氩冷凝器调节阀转移部分冷量，等工况稳定后逐步开大下塔回流液氮阀将空分系统逐步投入正常运行，并且在整个过程中密切关注空压机压力、流量。通过这次事故，使我们认识到在空分操作中不能不加分析的盲目操作和千篇一律的操作，必须根据实际工况认真分析并及时做相应的操作调整才能保证空分系统的安全、稳定、运行。
6.3本套空分装氩系统为规整填料塔无氢制氩系统，通过粗氩Ⅰ塔和粗氩Ⅱ塔除去氩中的氧，得到的（＜2PPmO2）的气态工艺氩进入精氩塔除氮（＜3PPmO2）后得到合格的液氩。但由于粗氩Ⅱ塔设备的问题，进入精氩塔的工艺氩是气、液混合物，并且气、液比也不稳定，使精氩塔的压力、阻力波动比较大，反过来又影响了工艺氩流量的波动，使粗氩Ⅰ塔和Ⅱ塔的精馏工况也一直波动从而影响了粗氩塔的除氧能力，另外由于氩系统粗氩冷凝器氩侧未安装不凝气排放阀，使不能被工艺氩气、液混合物带走的少量不凝气逐渐累积，致使粗氩冷凝周期性发生氮塞事故。以上问题的存在使氩系统的运行很不稳定，虽然我们经过长时间的摸索，通过采取调整粗氩冷凝器液空通过量和其回上塔温度等措施相互配合使液氩产量从厂家调试时的120Nm3/h提高到现在的390Nm3/h，但已接近极限很难再有提高，
并且液氩产品的含氧量虽然平均值＜2PPmO2，但是一直在1～3PPmO2之间波动，另外运行人员必须频繁调整运行工况使其在可控范围之内。通过对一年多时间的运行工况的认真分析，我们向生产厂家提出了两方面的改造建议：一是在工艺氩进精氩塔管路上增加气、液分离器保证进入精氩塔的工艺氩全部为气态；二是在粗氩冷凝器氩侧加装不凝气排放阀，这样可以使工艺氩气、液混合物无法带走的少量不凝气能及时排出，避免粗氩冷凝周期性氮塞事情的发生。其中第一个建议已得到生产厂家的积极响应和充分肯定，他们在其新制造的所有带氩空分装上全部配了气、液分离器，从运行情况看效果比较好，达到了预期目的，我公司也已决定在空分装停机时进行加装。7、结束语
通过全过程参与该套空分装的建设和运行工作，使笔者对空分装的认识有了很大提高，对一些问题的处理也积累了一定的经验，但由于笔者从事空分时间较短，对于问题的分析和处理还有许多不当之处，所述问题难免存在偏颇。另外对于文中借鉴同行业类似问题处理部分，在此一并致谢。作者简介:
刘连刚(1975－),男，工程师，1997年毕业于山东工业大学电厂热能动力工程专业，现任山东寿光巨能特钢有限公司动力厂副厂长兼制氧车间主任，负责制氧车间空分机组的运行和维修等工作，曾在《深冷技术》发表文章两篇。
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国内空分行业已经普遍采用全低压分子筛吸附预净化、带增压透平膨胀机、规整填料上塔、全精馏制氩、DCS计算机控制及优化等空分新技术。但各制造厂家在设备的稳定运行、性能指标保证，尤其是氩产品提取的情况各异。
由于氩在空气中仅有0.932%的含量，氩沸点介于氧、氮之间，分离难度偏大；带氩空分设备相对氧、氮空分设备配置多，工艺流程复杂，粗氩塔工况的建立对主塔的工况要求高；氮塞温度区间小，冷箱一般高于55M，对分馏塔系统应力补偿要求严格等一系列的客观因素，使得全精馏制氩技术的掌握有一定的难度。
不少已运行的空分设备，往往是氧、氮产品能够达标，但制氩系统总是难以正常投运。由于投氩后造成主塔工况的不稳定，用户不得已而停止了制氩系统的工作，给设备的验收考核留下遗憾。
因此，空分制氩业绩往往成为用户用来直接评价制造厂技术实力和产品质量的重要标准。
开封黄河空分集团为了提高设备的总体性能，特别是在氩产品的制取方面，以确保全精馏制氩系统的可靠运行为课题，开展了技术攻关。我公司在总结空分设备运行经验的同时，收集了大量空分现场实际运行数据，结合设备设计制造过程中的质量控制状态综合分析制定措施，找出了解决氩产品投运难的过程控制方法。主要有：利用ASPEN软件模拟计算成套空分工艺流程，优化设计参数；精馏系统的合理组织及计算，重点确定上塔的氩馏分抽气位置，并改进内部结构，以确保氩馏分的质量及稳定；配套单体设备热力计算，结构设计的优化；采用公司特有的塔器设计制造技术，严格控制上塔、下塔、粗氩塔、精氩塔的制造质量；空分设备的计算机控制及优化技术应用到位。慎重选取各系统所涉及到的各类阀门、孔板、分析仪以保证计量分析调节的准确性；PDMS工程配管软件、CERSAR-Ⅱ应力分析软件的应用和开发，确保分馏塔系统管路应力补偿的安全性。
黄河空分从设计源头到制造过程中的每道工序都严格质量控制，不断实践、改进、提高，终于收到了良好的效果。目前，我公司自行开发设计制造的带氩空分装置已形成产品系列，KDON-3800/4000型、KDON-4500/4500型、KDON-6000/6000型、KDON-10000/10000型、KDON-1201*/1201*型、KDON-15000/15000型空分设备均已正常投运，氩产品的产量和纯度均达到或超过设计要求，成套装置的成功投运率100%，稳居国内领先水平。江阴华西气体有限公司1201*空分设备一次开车成功，为黄河空分集团全精馏制氩空分设备系列再添奇葩。
KDON-1201*/21000/420型空分设备系黄河空分集团供江阴市华西村第五套空分设备。于201*年6月1日开始安装，201*年1月24日一次试车成功，201*年4月6日顺利通过考核，各项性能指标均达优于设计指标。具体运行参数见下表：项目氧气产量（Nm3/h）氧气纯度(%)液氧产量（Nm3/h）液氧纯度(%)氮气产量（Nm3/h）氮气纯度液氩产量（Nm3/h）液氩纯度1.工艺流程方案：
设计值1201*99.6201*9.62100010x10-6O2420实际运行值1240099.730099.7229002.7x10-6O24702x10-6O23x10-6N20.9x10-6O22.7x10-6N2本装置采用分子筛常温吸附预净化，带增压透平膨胀机的全低压流程空分设备。采用规整填料上塔，全精馏制氩，氧、氮产品外压缩工艺流程。整套空分采用DCS计算机控制。
2.主要配套机组及设备特点：
2.1原料空气过滤器及空气压缩机组：配套自洁式空气过滤器，容量按空压机组吸入状态1.8倍的气量配置。国产离心式空气压缩机组，额定排气量63000Nm3/h；额定排气压力0.52MPa，四级压缩三级冷却，电机拖动，双层布置，轴功率5565KW，配套电机功率6200KW，负荷调节范围75-105%。DCS主控室控制。2.2空气预冷系统：本系统设置空气冷却塔冷却并洗涤空气；水冷却塔利用蒸发制冷效应将循环水预冷，由于本空分设备氮气提取量大，预冷系统需要外加冷源，设置螺杆式冷水机组。冷冻水泵、常温水泵选用国产名牌产品。本系统同时提供膨胀机组增压机后冷却器所需冷冻水。空气冷却塔、水冷却塔均采用特殊设计的高效散堆填料塔，实际运行结果充分显示换热效果好，阻力损失小的优点。空冷塔上段冷冻水34t/h,下段常温水113t/h；冻水温度6.7℃，空气出空冷塔温度7.7℃，空气与冷冻水温差仅1℃，冷冻水消耗量只有万立方米空气5.3吨。本系统空气阻力损失4KPa。空冷塔水力学计算时把空塔气速限制在安全范围内，采用大通量液体分布器，设置重度沉降+丝网除沫汽水分离装置，汽水分离效果良好，保证了纯化系统的安全运行。
2.3纯化系统：采用立式单层床分子筛吸附器，电加热器加温再生，加热和冷吹采用同一流路，污氮气进系统用流量控制调节蝶阀使纯化器再生过程流量恒定，确保分馏塔系统上塔工况稳定。用恒流控制方式完成充压过程，保证进分馏塔系统空气压力稳定。该系统流程如下图所示。立时吸附床的几何形状使气流分配效果好，吸附效率高，空气出系统CO2含量设计值1x10-6,运行值0.37x10-6,纯化器全系统运行阻力≤10KPa，这是因为立式床采用13X-APG，4X8目规格的分子筛，吸附容量和阻力控制相得益彰。立式吸附床比卧式床层高，传质区占的比例小，吸附剂充装量少，再生气流分配，床层截面的温度梯度分布相对均匀，再生能耗低。本系统电加热器投运功率600KW，再生平均消耗功率250KW。
2.4分馏塔系统：本系统是空分设备的核心，实际运行结果，精馏塔氧的提取率99.2%，氩的提取率大于81%。空气进冷箱压力0.48MPa,空气压缩机组排气压力0.494MPa。各项指标在国产全低压空分设备系列中处于领先水平。本系统主换热器采用氧气、氮气、污氮气分置式，五台组合。其运行热端温差2.6℃以内。过冷器两台，出上塔氮气、污氮气过冷液空和液氮，优先保证液氮的过冷度。增压透平膨胀机组运行稳定，膨胀机绝热效率85%，增压机后冷却器采用高效内翅片管，冷冻水和排出增压空气温差只有1.1℃。双溢流对流筛板下塔；规整填料上塔；单沸腾冷凝蒸发器；粗氩塔两塔设置，用进口液压泵连接；精氩塔气相进料，逆流冷凝器；部分氩气内压缩至3.0MPa，向用户连续提供氩气。系统操作简单，工况稳定。下塔阻力14KPa，上塔阻力3.9KPa，氩馏分含氩量10%，粗氩塔两塔阻力10.3KPa，工艺氩流量480Nm3/h调出历史曲线可现平直。系统整体布置用PDMS工程配管软件设计，CEASAR-Ⅱ做管系应力分析。整个冷箱没有结霜跑冷现象。
2.5产品氧、氮压缩系统：采用经过开封空分业界40年锤炼的立式无油活塞氧气、氮气压缩机组。经过黄河空分集团近几年在机组每一个环节上的雕凿提升，机组运行平稳，排气压力3.0MPa时，容积比能达到0.165KWH/Nm3O2。按照JB/T6893《往复活塞中压氧气压缩机技术条件》规定的容积比能0.2KWH/Nm3O2。机组能耗降低17.5%。比国产氧气透平压缩机组更有明显的节能优势。机组噪音、振动等指标均低于标准规定。主要易损件的更换周期大于4000h，主机运行周期大于1年。
2.6绿色空分：对制造“绿色空分”不仅仅会大幅增加自己的生产成本，降低利润率，而且很有可能在较长的时间内难以获得社会和公众的认可。但是，出于一种不可推卸的责任感，我们默默坚持。首先节能就成为了对“绿色空分”最重要的一点考核标准，高水平的氧、氮、氩提取率必将设备能耗大大降低。本套设备经考核单位制氧能耗0.38Kw.h/m3.O2，远低于JB/T8693-1998《大中型空气分离设备》规定的单位制氧能耗0.45Kw.h/m3.O2。通过严格控制管道流速，增加保温隔音层厚度，将厂区内噪音控制在Ⅲ类标准以内，使运行管理人员有一个良好的工作环境。
3.用户和供货商的和谐合作：空分设备依赖于设计水平；制造质量；配套部机、阀门及附件；安装调试四个环节的有机统一。用户和供货商的和谐合作是空分设备稳定运行的保证。江阴华西气体有限公司有一批技艺精湛的工艺、设备、电气、仪表工程师和技师。公司领导更是空分设备运行专家。空分设备合同谈判、设计审查、安装监理他们全方位参加，装置的开车调试也是他们出色地完成。设计审查他们提出了不少宝贵意见。工程设计更是几易其稿，致使工程布置简洁、合理、方便操作、节约材料。对设备安装全过程监控，既细致入微又突出重点，设备安装质量和工程进度和谐兼收。整套空分设备从开始安装到调试成功仅用不到七个月时间。
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