凌 波，廖嘉鋒，沈柳平

（柳州鋼鐵集團(tuán)公司氣體公司，廣西柳州 545002）

1 引言

空分設(shè)備主換熱器的換熱能力和通過能力良好與否，對于空分設(shè)備能否長期保持高效低耗、安全穩(wěn)定的運行狀態(tài)至關(guān)重要。而侵入空分設(shè)備的各種雜質(zhì)，如水分、C O2、分子篩粉末、珠光砂、機(jī)械雜質(zhì)、泄漏的潤滑油等，被氣流帶動，往往最終堵塞在主換熱器通道中，造成主換熱器阻力上升、換熱不良。嚴(yán)重時，對空分設(shè)備工況穩(wěn)定性、產(chǎn)品產(chǎn)量、純度都造成很大影響，甚至引發(fā)事故。

柳州鋼鐵集團(tuán)公司（以下簡稱柳鋼）6000m3/h、15000m3/h、28000m3/h空分設(shè)備近幾年來相繼發(fā)生主換熱器和過冷器堵塞故障，影響正常生產(chǎn)，被迫停車處理。這幾起故障的堵塞雜質(zhì)及進(jìn)入渠道、現(xiàn)象及處理方法都具有典型性，現(xiàn)將其進(jìn)行總結(jié)，供同行參考。

2 水分堵塞故障

2.1 故障現(xiàn)象

柳鋼15000m3/h空分設(shè)備是2003年投產(chǎn)的內(nèi)壓縮流程空分設(shè)備。2009年2月18日，因外部用氧減少，15000m3/h空分設(shè)備停車，帶液冷備。2月20日，因外部用氧增大，15000m3/h空分設(shè)備重新開車。出氧后，隨著氧氣產(chǎn)量逐漸恢復(fù)正常，發(fā)現(xiàn)高壓主換熱器熱端溫差有擴(kuò)大趨勢。當(dāng)氧氣產(chǎn)量取至16000m3/h時，氧氣出冷箱溫度低至8℃，管道出現(xiàn)結(jié)露，高壓主換熱器空氣通道和氧氣通道的熱端溫差達(dá)到15℃，而停機(jī)前該溫差僅為3℃～5℃。由于氧氣通道跑冷嚴(yán)重，冷損較大，主冷液位只能維持生產(chǎn)，不能生產(chǎn)液體產(chǎn)品。

其他異?，F(xiàn)象還有：高壓液空通道無液位顯示，在此液位計的取壓管上接現(xiàn)場壓力表對比，液位負(fù)管壓力比液位正管壓力高，表明高壓空氣通道阻力較大。中部溫度由-100℃降低至-110℃，表明高壓空氣通道通過量減少。因此判定高壓空氣通道存在堵塞，導(dǎo)致高壓主換熱器熱交換不完全。

2.2 原因分析

組織技術(shù)人員對造成堵塞的原因進(jìn)行查找分析?？赡茉蛴校海?）分子篩吸附效果差，造成C O2和水分進(jìn)入空氣通道凍結(jié)；（2）停車期間增壓機(jī)級間冷卻器泄漏，冷卻水進(jìn)入氣側(cè)；（3）停車期間膨脹機(jī)增壓端后冷卻器泄漏，冷卻水進(jìn)入氣側(cè)。對這三個可能原因進(jìn)行逐一分析排除。

在空分設(shè)備停車前和重新投運過程中，在線分析儀顯示出分子篩吸附器空氣中C O2含量均小于1×10-6，分子篩使用和再生情況良好。而且低壓主換熱器空氣通道未出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，可以排除分子篩吸附效果差。

增壓機(jī)級間冷卻器泄漏和膨脹機(jī)增壓端后冷卻器泄漏都有可能造成高壓主換熱器空氣通道冰堵。但膨脹機(jī)進(jìn)口空氣同樣取自增壓機(jī)末端，并未出現(xiàn)轉(zhuǎn)速下降、膨脹端進(jìn)口壓力下降等堵塞跡象，因此可以排除增壓機(jī)級間冷卻器泄漏，判斷膨脹機(jī)增壓端后冷卻器泄漏導(dǎo)致冰堵。

2.3 處理措施和效果

3月17日停下15000m3/h空分設(shè)備，拆下膨脹機(jī)增壓端后冷卻器做試壓檢查，發(fā)現(xiàn)數(shù)條銅管存在泄漏。更換新的冷卻器。因為冰堵僅存在主換熱器高壓空氣通道和下塔，為節(jié)省處理時間和成本，我們采用局部加溫方案，即用外來氮氣先加溫下塔，再單獨反吹高壓空氣通道。具體處理措施如下，吹掃流路圖如圖1所示。

圖115000m3/h空分設(shè)備吹掃流路圖

（1）空分設(shè)備停車，排盡下塔液空。排盡高壓換熱器通道內(nèi)的液體。關(guān)閉上、下塔所有聯(lián)通閥門。

（2）加溫氣取自附近的中壓氮氣球罐，經(jīng)臨時氣管進(jìn)入15000m3/h空分設(shè)備空氣出分子篩純化器后進(jìn)冷箱的管道，再通過低壓主換熱器進(jìn)入下塔，從下塔吹除閥V 307吹出。將低壓主換熱器空氣通道和下塔吹至常溫。

（3）將膨脹機(jī)增壓端出口止回閥拆開，下塔氣通過V 8閥，反吹主換熱器高壓空氣通道，從止回閥拆開處吹出。用V 8閥控制吹掃氣量由小至大，保持T I-105常溫。

（4）加溫過程中要監(jiān)護(hù)好上塔壓力，防止下塔氣竄至上塔導(dǎo)致超壓。

（5）對膨脹機(jī)增壓端氣路也要進(jìn)行徹底吹掃。

測下塔、高壓空氣通道、膨脹機(jī)增壓端氣路水分合格后，重新開機(jī)，氧氣產(chǎn)量可以達(dá)到17500m3/h，主換熱器熱端溫差恢復(fù)正常。

2.4 水分堵塞故障預(yù)防措施

分子篩純化器后的設(shè)備，如增壓機(jī)、膨脹機(jī)，其工藝氣體從設(shè)備輸出后不再經(jīng)過干燥而直接進(jìn)入冷箱，一旦帶水，會在主換熱器和分餾塔凍結(jié)，造成空分設(shè)備運行工況惡化。此類帶水故障通常發(fā)生在設(shè)備經(jīng)歷了長時間停機(jī)又重新恢復(fù)開機(jī)過程中。為預(yù)防此類故障，應(yīng)采取以下措施：

（1）在停機(jī)狀態(tài)下，盡可能將增壓機(jī)、膨脹機(jī)的氣體冷卻器水路切斷，排盡冷卻器中的水，從源頭上杜絕水泄漏進(jìn)氣側(cè)的可能性。

（2）在停機(jī)狀態(tài)下，每班打開冷卻器氣路吹除閥檢查是否漏水，發(fā)現(xiàn)泄漏要及時處理。

（3）加強(qiáng)對分子篩使用的過程監(jiān)控，嚴(yán)格控制出分子篩吸附器空氣中C O2含量小于1×10-6，防止因分子篩吸附不完全導(dǎo)致的水分堵塞。

3 珠光砂堵塞故障

3.1 故障現(xiàn)象

柳鋼6000m3/h空分設(shè)備是1997年投產(chǎn)的外壓縮流程空分設(shè)備。2009年3月起，發(fā)現(xiàn)6000m3/h空分設(shè)備冷箱內(nèi)壓力異常升高至～800P a，冷箱上部表面大面積結(jié)冰，測密封氣氧含量達(dá)到27%，表明冷箱內(nèi)可能存在低溫液體管道泄漏，但是為了保產(chǎn)，沒有立即停機(jī)。4月10日，停下空分設(shè)備加溫。5月16日起，進(jìn)行冷箱扒砂和空分設(shè)備試壓查漏，發(fā)現(xiàn)在液空進(jìn)上塔節(jié)流閥V 1閥后第一道焊縫上有一道環(huán)形裂口。經(jīng)過補(bǔ)焊處理，保壓殘留率合格，對冷箱裝砂后于7月10日重新開車。

進(jìn)入積液和調(diào)純階段后，空分工況出現(xiàn)異常，表現(xiàn)在：上塔壓力高至55k Pa，比正常值高出10k Pa；積液過程中，主冷液面上升緩慢；氧氣純度差，僅能調(diào)純至99%；出上塔污氮氣量偏少，僅有～4000m3/h，不能滿足分子篩再生氣量要求。在污氮氣進(jìn)、出過冷器的取樣分析管上接壓力表進(jìn)行對比，得出污氮氣流經(jīng)過冷器的阻力高達(dá)35k Pa。在污氮氣進(jìn)、出主換熱器的取樣分析管上接壓力表進(jìn)行對比，得出污氮經(jīng)過主換熱器阻力為5k Pa，屬于正常范圍。綜合以上現(xiàn)象，判斷為過冷器的污氮氣通道堵塞。

3.2 原因分析

首先懷疑是水分凍結(jié)堵塞。停車排液后，于7月14日啟動空壓機(jī)加溫空分設(shè)備至常溫，塔內(nèi)各點分析露點均在-50℃以下。污氮氣流經(jīng)過冷器阻力僅下降至31k Pa，而純氮氣流經(jīng)過冷器阻力增加至15 k Pa，氧氣流經(jīng)主換熱器阻力增加至10k Pa。排除冰堵可能。

綜合故障發(fā)生和處理過程中的各種現(xiàn)象進(jìn)一步分析，懷疑是珠光砂堵塞。空分設(shè)備被發(fā)現(xiàn)泄漏后帶病運行了一個月，在這期間珠光砂可能會通過液空管道上的裂口進(jìn)入上塔?？辗衷O(shè)備在試壓查漏期間，試壓余氣的排放口是污氮出過冷器吹除閥V 302。泄壓排氣時，進(jìn)入上塔的珠光砂隨氣流進(jìn)入污氮管和過冷器，由于珠光砂顆粒體積較大，大部分被換熱器翅片阻擋，堵塞在過冷器污氮氣通道中。發(fā)現(xiàn)堵塞后對空分設(shè)備的大加溫，使上塔內(nèi)殘余的珠光砂隨氣流進(jìn)入過冷器氮氣通道和主換熱器氧氣通道，同樣造成堵塞。

3.3 處理措施和效果

考慮到成本因素，決定不扒砂，而采用反向吹掃的方法處理。即外接氣源將堵塞在換熱器中的珠光砂吹回上塔，再由上塔吹除閥排出。具體處理措施如下，吹掃流路圖如圖2所示。

圖26000m3/h空分設(shè)備吹掃流路圖

（1）從附近中壓氮氣管上接臨時管至污氮氣、氮氣出過冷器后吹除閥V 302、V 303和低壓氧管噴射蒸發(fā)器上的封頭。

（2）將上、下塔聯(lián)通閥全部關(guān)閉，避免珠光砂被氣流帶至下塔，造成二次污染。

（3）采用憋壓吹掃的方式，即關(guān)閉所有上塔吹除閥，通入加溫氣，將上塔壓力提高至80k Pa，瞬間全開吹除閥，用高速氣流將珠光砂帶出。上塔所有吹除閥都應(yīng)反復(fù)打開吹掃，直至無珠光砂吹出。為增加上塔頂部、中部吹除口，拆掉上塔頂部安全閥V 210、V 211，加裝兩個吹除閥。拆掉粗氬冷凝器安全閥V 769，用V 701閥控制吹除氣量。

從上塔各個吹除閥都吹出數(shù)量不等的珠光砂。經(jīng)過一個多月的反復(fù)吹掃，確認(rèn)各吹除閥都無珠光砂吹出后，于8月23日重新啟動6000m3/h空分設(shè)備。主冷出現(xiàn)液體后，排液體檢查發(fā)現(xiàn)有大量珠光砂，反復(fù)排放，利用液體清洗塔內(nèi)殘余珠光砂，完全排凈才開始積液。設(shè)備恢復(fù)送氧后對比各項參數(shù)，均恢復(fù)到故障發(fā)生前水平。

3.4 珠光砂堵塞故障預(yù)防措施

珠光砂顆粒體積大、質(zhì)量輕的特點決定它一旦進(jìn)入塔內(nèi)，很容易造成堵塞，又很難被吹出，處理比較困難。為預(yù)防此類故障，應(yīng)采取以下措施：

（1）發(fā)現(xiàn)有冷箱內(nèi)部泄漏應(yīng)及時扒砂處理，在扒砂過程中應(yīng)確保塔內(nèi)正壓，避免珠光砂通過泄漏點進(jìn)入塔內(nèi)。

（2）空分裝置扒砂檢修后都應(yīng)進(jìn)行裸冷，檢查管路和設(shè)備是否存在泄漏和堵塞，發(fā)現(xiàn)問題便于處理。不能跳過裸冷步驟直接裝砂。

4 分子篩粉末堵塞故障

4.1 故障現(xiàn)象

柳鋼28000m3/h空分設(shè)備是2006年投產(chǎn)的內(nèi)壓縮流程空分設(shè)備。從2008年起，生產(chǎn)工況逐步惡化，參數(shù)偏離正常范圍，至2009年，氧氣產(chǎn)量僅能達(dá)到24000～25000m3/h。如果提高氧氣產(chǎn)量，主換熱器中部溫度（即膨脹機(jī)入口溫度）低于-125℃且較難控制，熱端溫差擴(kuò)大。液氮產(chǎn)品純度和氮氣產(chǎn)品含氧量分別超過 100×10-6和 1000×10-6，遠(yuǎn)超≤5×10-6的設(shè)計值。

4.2 原因分析

對這一問題進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)進(jìn)塔空氣量偏少，僅有130000m3/h，比設(shè)計量少10000m3/h。中壓空氣流量、高壓空氣流量、膨脹空氣流量都比設(shè)計值少，表明主換熱器各空氣通道可能都存在堵塞。2009年9月對空分設(shè)備進(jìn)行大加溫，工況并無好轉(zhuǎn)。由此可以排除水分和二氧化碳堵塞。2010年3月打開分子篩吸附器人孔檢查分子篩床層，發(fā)現(xiàn)分子篩中有較多粉末，懷疑分子篩粉末被空氣帶入主換熱器，造成主換熱器空氣通道堵塞。

4.3 處理措施和效果

分子篩粉末堵塞在通道翅片上，按正常加溫流路無法將其吹出，只能采用反向吹掃方法。具體處理措施如下，吹掃流路圖如圖3所示。

圖328000m3/h空分設(shè)備吹掃流路圖

（1）塔內(nèi)設(shè)備排盡液體，加溫至常溫。

（2）以外來中壓氮氣為加溫氣源，接臨時管至下塔吹除閥V 307，進(jìn)入下塔。

（3）卸下高壓空氣管道盲板。下塔充壓至0.4 M Pa，全開 V 8閥，迅速全開 V 121、V 122，從高壓空氣管道盲板卸開處吹出。

（4）拆開膨脹機(jī)增壓端出口止回閥V 402。全開膨脹機(jī)出、進(jìn)口閥、緊急切斷閥、噴嘴，下塔充壓至0.4M Pa，迅速全開膨脹機(jī)增壓端出口閥V 403，從V 402拆開處吹出。

（5）卸下V 1203閥，靠分子篩側(cè)法蘭堵盲板。下塔充壓至0.3M Pa，迅速全開V 1216，從V 1203卸開處吹出。

（6）以上吹掃反復(fù)進(jìn)行，直至無異物吹出。吹掃過程中關(guān)閉所有上、下塔聯(lián)通閥門，注意防止上塔超壓。

利用冶煉系統(tǒng)同步檢修機(jī)會，分別于2010年3月、2011年6月、11月用上述方法對空分設(shè)備進(jìn)行了三次徹底吹掃，吹出大量分子篩粉末。經(jīng)過吹掃復(fù)產(chǎn)后，機(jī)組工況得到明顯改善，進(jìn)塔空氣量提升至140000m3/h，膨脹空氣量、高壓空氣量、中部溫度恢復(fù)正常，氧氣產(chǎn)量達(dá)到28000m3/h，氮氣含氧量下降至100×10-6以下，液氮含氧量穩(wěn)定在1×10-6以下。為徹底清除故障根源，2011年11月，對兩個純化器內(nèi)的全部分子篩進(jìn)行過篩處理。

4.4 分子篩粉末堵塞故障預(yù)防措施

造成分子篩粉末多的原因，可能是由分子篩閥門操作失誤沖擊分子篩床層，也可能是分子篩輕微進(jìn)水未及時發(fā)現(xiàn)。由于故障發(fā)生時間跨度較長，無法最終確認(rèn)。

為預(yù)防此類故障，應(yīng)采取以下措施：

（1）加強(qiáng)對分子篩的日常運行檢查，每班打開進(jìn)分子篩前吹除閥和底部排污閥檢查是否有水，一旦分子篩進(jìn)水能夠及時發(fā)現(xiàn)處理。

（2）加強(qiáng)操作管理，避免由于誤操作帶壓分子篩的切換閥對分子篩床層造成沖擊。

（3）停機(jī)時注意檢查分子篩的粉化情況，發(fā)現(xiàn)有粉末較多盡可能更換或過篩，否則粉末進(jìn)入冷箱就加大了處理難度。

5總結(jié)

以上三種造成堵塞的雜質(zhì)中，水分最易處理，持續(xù)穩(wěn)定的加溫氣流就可將其帶出，關(guān)鍵是做好加溫流路的標(biāo)記，做到不留死角。而分子篩粉末和珠光砂相對較難處理，因其呈固體顆粒狀，一般不能通過板式通道，所以采用反向吹掃方式。還要通過提高容器壓力，瞬間全開吹除閥的方法提高吹掃流速，將雜質(zhì)帶出。對于珠光砂堵塞，在吹掃結(jié)束后還要通過一段時間的運行，讓塔內(nèi)液體進(jìn)一步清洗殘余珠光砂，并逐步帶出冷箱。對于吹掃流路的選擇，應(yīng)遵循“最短化”原則，即盡量選擇堵塞點和吹掃口之間最短的流路，并注意避免污染其他管道或設(shè)備。

主換熱器堵塞是空分設(shè)備常見故障，對生產(chǎn)、安全影響較大，應(yīng)當(dāng)引起氣體生產(chǎn)企業(yè)的重視。對可能引發(fā)堵塞的各種因素做好檢查和控制，對主換熱器及前、后設(shè)備的異?，F(xiàn)象認(rèn)真分析和及時采取措施，是避免這一故障發(fā)生和擴(kuò)大的重要手段。