孔凡魁，田現(xiàn)德，王軍，潘新卿，胥波

（萊蕪天元氣體公司，山東萊蕪271126）

制氧

萊鋼60 000 m3/h制氧機調(diào)試總結(jié)

孔凡魁，田現(xiàn)德，王軍，潘新卿，胥波

（萊蕪天元氣體公司，山東萊蕪271126）

介紹了萊鋼60000 m3/h制氧機設備特點和工藝指標，總結(jié)了調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題，分析原因，制定整改控制措施，完善操作預案，試車工作穩(wěn)步推進，機組按期達產(chǎn)達效。

制氧機；調(diào)試；原因分析；整改措施；效果

1 機組簡介

山鋼萊蕪分公司能源動力廠天元氣體公司引進的六萬制氧機，主體設備由林德公司設計、制造?？辗窒到y(tǒng)采用林德先進工藝技術流程，分子篩吸附器采用立式、徑向流、單層床凈化，主冷凝蒸發(fā)器采用林德專利的多層浴式主冷，整套裝置實現(xiàn)稀有氣體全提取，自動變負荷功能，軟件控制系統(tǒng)Foxbor設計。

60 000 m3/h制氧機組工程分別由中國二十二冶集團有限公司、中國三冶集團有限公司、山東萊鋼建設有限公司承建，2013年6月～9月完成單體設備調(diào)試，11月空分具備條件，開始聯(lián)動試車，此項目與萊鋼新建100 t電爐配套工程，建成后擔負對外輸送氧氣、氮氣、氬氣生產(chǎn)任務，生產(chǎn)和銷售大量的液體產(chǎn)品，同時提取粗氪氙和粗氖氦稀有氣體。60 000 m3/h制氧機的建成投產(chǎn)標志著萊鋼氣體產(chǎn)能的新跨越。

主要產(chǎn)品產(chǎn)量指標見表1。

2 工藝流程

原料空氣經(jīng)自潔式過濾器除去灰塵及機械雜質(zhì)后，經(jīng)過透平空壓機加壓至0.61 MPa左右。壓縮后的空氣經(jīng)空冷塔洗滌、降溫至17℃，之后進入空氣凈化系統(tǒng)，空氣凈化系統(tǒng)包括兩臺交替運行的分子篩吸附器2601.01A/B.BA1。分子篩吸附器為立式、徑向流圓柱容器，里面裝有分子篩吸附劑，下端設有固定支撐板?？諝庵惺Ｓ嗟碾s質(zhì)，例如H2O、CO2、N2O以及潛在危險的碳氫化合物，在通過分子篩吸附器時被去除。

表1 主要產(chǎn)品產(chǎn)量指標

圖160000 m3/h制氧機工藝流程圖

經(jīng)過分子篩吸附器2601.01A/B.BA1凈化后的干燥空氣分成兩股。第一股空氣進入增壓機1201-1進一步壓縮至大約1900 kPa，出增壓機一段后分為兩路，一路送往透平膨脹機增壓端3402A/B.22.BC1，進一步壓縮至～2498 kPa后進主換熱器3002.16. BE1冷卻，再進入透平膨脹機3401A/B.71.BX1，膨脹后的空氣進下塔3001.11.BT1參與精餾；另一路則送往增壓機1201-2二段進一步壓縮至～5200 kPa，進入主換熱器3002.16.BE1冷卻后節(jié)流進下塔3001.11.BT1。第二股空氣沒有被進一步的壓縮，而是直接送入主換熱器3002.19.BE1和3002.16.BE1后進下塔3001.11.BT1。另有部分空氣在氦氖濃縮塔6101.11.BT1投用時，經(jīng)氦氖換熱器6102.24.BE1冷卻后進入下塔3001.11.BT1。

加工空氣在下塔3001.11.BT1經(jīng)過預分離，頂部得到純氮氣，底部得到富氧液空。下塔頂部氮氣大部分進入多層浴式冷凝蒸發(fā)器3001.26.BE1中被冷凝，出來的液氮同時為下塔3001.11.BT1和上塔3001.12.BT1提供所需的回流液，少量氮氣經(jīng)過主換熱器3002.16.BE1復熱后，作為密封氣出冷箱。

經(jīng)過最終分離，在上塔底部得到液氧，頂部得到氮氣。底部液氧在冷凝蒸發(fā)器3001.26.BE1中蒸發(fā)后，氣氧作為上升氣流參與上塔精餾。上塔底部一小部分液氧經(jīng)過冷器3001.16.BE1過冷后進入液氧貯槽7101.10A/B.BD1，大部分通過內(nèi)壓縮液氧泵3021.68A/B.BP1壓縮至所需的產(chǎn)品壓力，然后送入冷箱，經(jīng)主換熱器3002.16.BE1復熱后，以氣氧產(chǎn)品出冷箱。產(chǎn)品液氮從上塔頂部引出，出冷箱后去液氮貯槽7301.10A/B.BD1。上塔頂部得到的純氮氣，經(jīng)過冷器3001.16.BE1和主換熱器3002.16.BE1復熱后出冷箱，作為產(chǎn)品通過氮壓機壓縮后進入氮氣管網(wǎng)，多余的部分可作為冷媒進入水冷塔2401.17.BE1中。

上塔上部的污氮氣經(jīng)過冷器3001.16.BE1和主換熱器3002.16.BE1/3002.19.BE1復熱后出冷箱，一部分作為分子篩系統(tǒng)的再生氣，一部分作為冷媒進入水冷卻塔2401.17.BE1中。液氬從精氬塔4102.12.BT1底部引出，出冷箱后去液氬貯槽7501.10A/B.BD1，若需要氣氬，液氬貯槽內(nèi)液體經(jīng)內(nèi)壓縮兼后備泵7502.66A/B.BP1壓縮至所需壓力，再經(jīng)主換熱器3002.16.BE1復熱后，以氣氬產(chǎn)品出冷箱，若冷箱停車，則可經(jīng)汽化器7103.16.BE1加熱后進入管網(wǎng)。

3 調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題

3.1 分子篩系統(tǒng)故障

3.1.1 分子篩死區(qū)再生閥安裝位置錯誤

60000 m3/h制氧機分子篩采用立式、徑向流、單層床分子篩吸附器凈化，氪氙塔流程對分子篩凈化要求高，CO2含量小于1×10-6，由于立式分子篩頂部至出口位置存在再生不完善區(qū)域，即“死區(qū)”，為了把分子篩“死區(qū)”再生徹底，保證氪氙塔運行安全增加該閥，分子篩再生狀態(tài)打開，使用狀態(tài)關閉，程序自動控制。2013年9月，對照PID圖檢查分子篩閥門過程中，發(fā)現(xiàn)該閥安裝有誤，現(xiàn)場安裝在了再生氣出口總管上，而不是分子篩上部出口位置，該區(qū)域氣體形不成流動，屬再生盲區(qū)，再次確認安裝單線圖后進行管路整改，經(jīng)過整改，滿足了再生要求。

3.1.2 分子篩B再生氣出口閥卡阻

六萬分子篩切換閥閥門選用進口歐賓羅斯三桿式切換閥，具有壓差保護和自清潔功能。2013年9月，凈化系統(tǒng)試車過程中，出現(xiàn)分子篩B再生氣出口閥卡阻現(xiàn)象，閥門無法動作，試車被迫中止，停車后拆下閥門檢查，發(fā)現(xiàn)分子篩閥盤執(zhí)行機構(gòu)定位銷脫落，閥門行程受限，動作失靈，廠家到現(xiàn)場重新安裝了定位銷，調(diào)試后正常，對其余閥門抽檢了3只，未發(fā)現(xiàn)異常。運行到目前為止，分子篩系統(tǒng)閥門動作正常。

3.2 液氮泵后汽化率高，主塔工況無法建立

六萬制氧機設計氮氣產(chǎn)量120 000 m3/h，這樣要求上塔精餾填料高度提高，為滿足液氮達到上塔的精餾要求，林德公司設計用兩臺液氮泵替代原液氮節(jié)流閥，這在國內(nèi)屬首次應用。自2013年11月6日開始，啟動液氮泵試車，發(fā)現(xiàn)液氮泵無法正?？刂埔旱髁?，液氮流量在40 000 m3/h至110 000 m3/h之間波動，泵后的氣化率過高，不能為上塔提供足夠的回流液，嚴重破壞了上塔的精餾工況，使氧氮產(chǎn)品產(chǎn)量和純度都無法達到設計要求。為減少液氮氣化，用進口閥控制液氮流量，將進口閥關至12%時，控制較為明顯，但液氮流量波動依然較大；調(diào)試人員提出在泵后分別加裝DN50/DN40的限流孔板，以調(diào)節(jié)泵后液氮流量。加裝孔板后，11月20日進行了開車試驗，液氮流量波動幅度仍在60 000 m3/h左右，空分工況無法正常建立。加裝限流孔板試驗表明，氮泵不能替代原空分裝置的液氮節(jié)流閥，無法從根本上解決液體氣化率高問題。22日，空分停車并致函林德公司，研究解決方案。

改造情況：12月中旬林德公司出臺改造方案，液氮系統(tǒng)管路實施改造，12底空分主塔上部進行了扒砂，2014年1月9日～16日，完成了在液氮泵后管路、冷箱頂部位置加裝了DN250遙控節(jié)流閥改造，18日經(jīng)開車驗證，液氮節(jié)流后，汽化率明顯降低，液氮流量穩(wěn)定在100 000 m3/h左右，上塔回流液充足，底部液位穩(wěn)定，氧氮純度達到工藝要求。

3.3 主塔液位運行出現(xiàn)的問題

主冷凝蒸發(fā)器采用林德專利的多層浴式主冷，采用雙液位控制，兼具有全浸式冷凝蒸發(fā)器的安全性以及膜式冷凝蒸發(fā)器的節(jié)能性，多層主冷從上到下CmHn和Kr/Xe逐漸濃縮，雖然有利于氪氙提取，但同時也對主冷液位控制要求更為嚴格。林德流程設計，液氧抽取并不在主冷的底部，而是在上塔底部，PID圖顯示上塔底部區(qū)域，匯聚了液氧產(chǎn)品抽口、液氧泵吸入口和氪氙液氧取出旁通，而液氧底部液位高度只有1.2 m，液面波動對液氧泵前壓力和主冷大液位影響明顯，因此，上塔底部液氧液位控制難度較大，控制不好一是造成液氧泵汽蝕停運，二是主冷液位大幅波動。經(jīng)過實踐摸索，在液氧產(chǎn)量穩(wěn)定、氪氙塔正常的情況下，調(diào)整液氧產(chǎn)品取出閥PID參數(shù)，投入自動，保持液氧取出量穩(wěn)定，均壓階段，根據(jù)夏季和冬季空氣量的變化，及時調(diào)整空氣流量補償，夏季控制在4 000 m3/h～5 500 m3/h，冬季調(diào)整為3 000 m3/h～4 500 m3/h，減少均壓階段，由于空氣流量變化對主冷液位的影響。

3.4 液氧泵運行中出現(xiàn)的問題

液氧泵在本流程中起到氧氣外供的重要作用，它的運行影響增壓機、膨脹機、空壓機及空分系統(tǒng)的正常運行，因此在流程設計上，兩臺液氧泵冷態(tài)互備，在線切換。液氧泵的試車過程中發(fā)現(xiàn)，液氧泵從上塔底部積液槽取出液氧，上塔液位再溢流進入主冷，預冷備用液氧泵時，上塔底部積液槽液面迅速降低，造成在運液氧泵的停運，工況被破壞。

為保證液氧泵運行穩(wěn)定，將氧氣量釋放到設定產(chǎn)量60 000 m3/h，避免氧產(chǎn)量波動；由于林德設計的上塔底部取液位置限制，預冷備用液氧泵時要緩慢進行，保證在運內(nèi)壓縮氧泵吸入壓力350 kPa以上；調(diào)整液氧產(chǎn)品取出量，控制上塔底部液位75%～95%，同時兼顧大主冷液位，保證主冷液位95%～105%；根據(jù)系統(tǒng)工況，微調(diào)液空、液氮節(jié)流閥。

3.5 液氧泵后管路凍堵

2014年1月9日，六萬試車過程中進行了常溫啟動，前期開車進行順利，在啟動內(nèi)壓縮液氧泵時，發(fā)現(xiàn)液氧泵A加載變頻后，泵后壓力1.9 MPa，氧氣輸送壓力為0.23 MPa，流量為零；隨即啟動液氧B，加載后泵后壓力1.95 MPa，氧氣輸送壓力0.76 MPa，流量只有15 900 m3/h。經(jīng)現(xiàn)象分析，初步判斷，液氧泵后總管可能部分凍堵?，F(xiàn)場分析確認，空分液體噴射蒸發(fā)器蒸汽閥關不嚴，有2%左右的開度，試驗證明泵后液氧泵總管排放閥也存在關不嚴的問題，由于林德空分設計的所有排液、加溫、吹除管路并聯(lián)排至總管，系統(tǒng)密閉相連，匯聚后進入空分液體噴射蒸發(fā)器，造成濕蒸汽凝結(jié)水沿著排液總管由排液閥（水平低點）倒流進入液氧泵泵后總管，造成管路凍堵。

解決措施：（1）解開兩只液氧泵泵后法蘭短節(jié)，通入蒸汽加溫泵后管路；（2）將氧氣出口管路充入中壓氮氣，拆除止回閥進行反復吹除；（3）從排液閥處引蒸汽進入液氧泵后總管復熱；（4）檢修了蒸汽閥門，更換泵后總管排放閥。

在不停機情況下，經(jīng)過30 h連續(xù)復熱，液氧泵后管路吹通；42 h后，泵后排液管路吹通；用液氧泵加溫氣正向吹掃泵后總管，直至漏點合格。15日啟動液氧泵，恢復送氧。

3.6 主塔工況出現(xiàn)周期性波動

（1）2014年2月試車以來空分系統(tǒng)多次出現(xiàn)波動，有以下特點：①無預兆。波動前各項參數(shù)正常，變化突然，來不及反應和調(diào)整；②變化快，上塔中部溫度開始降低，3～5 min精餾平衡打破，引起其他參數(shù)聯(lián)鎖反應；③影響大，調(diào)整周期長，需要4～6 h，參數(shù)反應滯后，穩(wěn)定較差，調(diào)整難度大。

（2）經(jīng)過與林德公司調(diào)試人員分析探討，初步判定主冷凝蒸發(fā)器換熱不良，具體現(xiàn)象見表2。

表2 具體工況波動前后參數(shù)

經(jīng)過調(diào)試分析和現(xiàn)場排查，發(fā)現(xiàn)氦氖不凝氣出口溫度在始終-140℃以下，排放管出現(xiàn)液體，且氖氦塔運行不穩(wěn)定，工作壓力只有350 kPa，氖氦塔不凝氣由兩股氣源組成，一股來自下塔頂部不凝氣抽口，另一股來自空氣作熱源的氪氙塔蒸發(fā)器出口管路不凝氣，投運初期，由于主冷液面波動，造成氪氙塔液位不正常，液位70%～132%波動，氪氙塔頻繁跳車，出氪氙塔蒸發(fā)器液空閥門關閉，空氣管路上的氖氦不凝氣夾帶液體進入氖氦塔，由于氣液夾帶，占據(jù)管路流通面積，不凝氣積聚，主冷氖氦不凝氣排放不出來，影響主冷凝蒸發(fā)器換熱。另一方面不凝氣是在含有大量氮氣的情況下抽取的，因此氦氖塔投運不及時或者工作不正常時，分離效果變差，氖氦氣不能全部排出主冷和氪氙塔，占據(jù)了主冷和氪氙蒸發(fā)器的換熱空間，影響了主塔和氪氙塔的正常工作。

控制措施：（1）穩(wěn)定主冷液位，從而保證氪氙塔蒸發(fā)器工作正常，保持氪氙塔穩(wěn)定在液面95%～100%之間，避免氪氙塔跳車，防止不凝氣積聚。（2）空分開車調(diào)純階段，及早投運氦氖塔，調(diào)整兩股不凝氣流量，保證氦氖不凝氣排放量8.9 m3/h.。（3）完善均壓階段空氣補償，保持進塔氣量穩(wěn)定。分子篩A再生時，升壓前2 min冷箱入口量增加4 500 m3/h，即開導葉。持續(xù)17 min，即升壓結(jié)束前5 min流量恢復正常。分子篩B再生時，升壓前2 min冷箱入口量增加5 500 m3/h，即開導葉。持續(xù)17 min，即升壓結(jié)束前5 min流量恢復正常。通過以上調(diào)整，主冷換熱工況明顯改善，沒有出現(xiàn)系統(tǒng)波動，主塔工藝參數(shù)達到設計指標，工況持續(xù)穩(wěn)定。

3.7 冷態(tài)開車階段，低溫氣體倒流，空分卸載

試車初期，在對空分塔內(nèi)進行導氣操作時，由于膨脹量的增加，進下塔的空氣量增加很快，而下塔的氣體不能及時導入上塔，這時下塔壓力會達到495 kPa高過分子篩的出口壓力485 kPa，下塔的冷空氣會從低壓空氣管道經(jīng)主換熱器倒吸到增壓機內(nèi)，由于倒吸增壓機入口溫度驟降，增壓機入口溫度過低(可達-10℃)導致增壓機連鎖停車，空壓機連鎖卸載，被迫重新啟動，嚴重影響設備安全，并造成啟動時間延長，生產(chǎn)費用增加等問題。

通過多次摸索實踐制定防止低溫氣體倒流操作法，主要措施有：（1）下塔至上塔的節(jié)流閥3001.23. Y01開大至80%,將進精氬塔節(jié)流3001.11.Y01開大至75%,將進粗氬塔節(jié)流閥4101.16.Y01開大75%，使下塔的壓力提前降低。（2）在保證主換不過冷的情況下，加大返流產(chǎn)品的導出。適當開大產(chǎn)品氮氣閥門3901.01.Y01、氮氣放空閥3901.51.Y01、污氮氣調(diào)節(jié)閥3501.01.Y01，低壓換熱器污氮氣調(diào)節(jié)閥3501.02. Y01和污氮進水冷塔閥3501.12.Y01.降低上塔壓力，導通上下塔流通渠道。（3）在啟動膨脹機前時及時調(diào)整空壓機的出口壓力使其保持在480 kPa～500 kPa之間，啟動膨脹機后，隨著進塔氣量的增加，及時開大各節(jié)流閥和返流氣量的開度，防止下塔憋壓。（4）調(diào)整增壓機一段回流閥，使出口壓力保持在1 790 kPa。（5）及時調(diào)整增壓機二段回流閥，使增壓機二段的壓力保持在5 100 kPa，在開車過程中使以上參數(shù)始終保證其在正常值。通過上述操作，避免了低溫氣體倒流引發(fā)的增壓機停機現(xiàn)象，大大縮短了六萬機組啟動時間，降低了運行成本，避免了碳鋼管道由于溫度過低而發(fā)生爆炸的危險，提升了設備運行安全經(jīng)濟性。

3.8 后備液氧泵回流管U型彎改造

2014年1月，發(fā)現(xiàn)罐區(qū)液氧泵回流管道有“U”形彎不符合液氧安全規(guī)范，此彎頭在液氧泵停運后會導致液氧存積蒸發(fā)，造成局部干蒸發(fā)，嚴重影響液氧泵的安全。同時發(fā)現(xiàn)液體輸送時，液體泵的回流是同時回流兩個儲槽，且兩儲槽同時使用時會由于液位差的存在，引發(fā)儲槽的安全隱患。

改造及效果：2014年2月，對兩只液氧罐及液氧管路進行了氮氣置換，將液氧泵的回流“U”形彎改為水平的，液氧回流管道持續(xù)向上。液體輸送時只能使用和回流同一個儲槽。同時規(guī)定嚴禁兩液體罐并聯(lián)使用，防止液位差造成的負壓，影響液氧罐安全運行。

后備液體泵經(jīng)過改造后試車，安全隱患徹底消除，系統(tǒng)運行平穩(wěn)，液氧蒸發(fā)輸送能力達到設計的60 000 m3/h。

4 結(jié)束語

萊鋼60000 m3/h經(jīng)過6個月的試車，截止到4月底，各項技術指標均達到設計產(chǎn)能，通過試車，及時發(fā)現(xiàn)和暴露了設備缺陷，整改了多項對系統(tǒng)調(diào)試存在嚴重影響的缺陷，優(yōu)化機組操作方案，提升試車效率，保證了60 000 m3/h制氧機組調(diào)試工作的有序推進，同時也為其他制氧機組調(diào)試提供了經(jīng)驗，對助推企業(yè)效益提升具有良好的示范作用。

Commissioning of the 60 000 m3/h Oxygen Generator of Laiwu Steel

KONG Fankui,TIAN Xiande,WANG Jun,PAN Xinqing,XU Bo
(Laiwu Tianyuan Gases Company,Laiwu,Shandong 271126,China)

The characteristics and technological index of the 60 000 m3/h oxygen generator of Laiwu Steel are introduced.Problems occurring during commissioning were summarized, causes of the problems were analyzed,rectification and control measures were drawn up and operation scheme was perfected.As a result,test running of the generator was steadily pushed forward and the unit reached production capacity according to schedule.

oxygen generator;commissioning;cause analysis;rectification measure;effect

TB657.7

B

1006-6764(2014)09-0025-04

2014－05－21

孔凡魁（1972－），男，大學學歷，工程師，現(xiàn)從事制氧技術管理工作。