蔡樹梅

（新疆八一鋼鐵有限公司能源中心，新疆烏魯木齊 830022）

1 引言

新疆八鋼能源中心制氧分廠四萬制氧機(jī)組配套建設(shè)一套140t/h的液化裝置，2009年液化裝置經(jīng)廠家調(diào)試，試生產(chǎn)10h后，停機(jī)待用。由于調(diào)試時間倉促，試生產(chǎn)時間短，半年后再次開機(jī)生產(chǎn)時暴露出一些問題。通過對這些問題的處理，不但熟悉了該套設(shè)備的特性，同時對液化裝置的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行積累了經(jīng)驗。

2 工藝流程及特點(diǎn)

該套液化裝置采用雙膨脹中壓液化循環(huán)流程（見圖1），能單獨(dú)生產(chǎn)液氧，單獨(dú)生產(chǎn)液氮，也能同時生產(chǎn)液氧、液氮。

空分出口低壓氮?dú)膺M(jìn)入循環(huán)氮?dú)鈮嚎s機(jī)壓縮后，進(jìn)入熱端膨脹機(jī)的增壓端增壓，然后再進(jìn)入冷端膨脹機(jī)增壓端增壓至3.9M Pa。增壓后的中壓氮?dú)膺M(jìn)入冷箱的氮液化器。在氮液化器中部引出約80%的氣體去熱端膨脹機(jī)膨脹端，隨后進(jìn)冷端膨脹機(jī)膨脹端。冷端膨脹后低壓氮?dú)夥盗髦恋夯髋c中壓氮?dú)鈸Q熱至常溫后出冷箱進(jìn)入循環(huán)氮壓機(jī)進(jìn)口循環(huán)使用。另一部分約20%的高壓氮?dú)獬龅夯鞴?jié)流后進(jìn)入液氮過冷器過冷。過冷液氮一部分經(jīng)節(jié)流閥返回過冷器，其余部分節(jié)流后送至液氮貯槽。需要同時液化中壓氧氣時，將部分過冷液氮再次節(jié)流后進(jìn)入氧液化器，與氧氣進(jìn)行換熱被復(fù)熱到常溫后出冷箱與氮液化器的低壓氮?dú)鈪R合后進(jìn)入循環(huán)氮壓機(jī)。中壓氧氣液化經(jīng)節(jié)流后進(jìn)入液氧貯槽。

流程顯著特點(diǎn)是：（1）中壓氧氣壓力范圍寬，可根據(jù)中壓氧氣管網(wǎng)壓力變化，快速、靈活調(diào)節(jié)液氧、液氮的產(chǎn)量；（2）氧、氮產(chǎn)量調(diào)節(jié)時不影響膨脹機(jī)在設(shè)計工況運(yùn)行；（3）雙透平膨脹機(jī)制冷，經(jīng)濟(jì)性較好。

3 問題與處理

3.1冷箱底板凍裂事故——優(yōu)化開車過程

2010年4月液化裝置開車，設(shè)備正常運(yùn)行10個小時后，發(fā)現(xiàn)冷箱基礎(chǔ)溫度開始緩慢下降至-63℃時，聽到冷箱底板有異響，緊急停車。復(fù)熱扒砂后檢查，發(fā)現(xiàn)氧液化器液氧出口管道彎頭與直管焊縫處有10m m左右的裂紋。行業(yè)中冷箱內(nèi)鋁制管道發(fā)生泄漏的主要原因是設(shè)計補(bǔ)償、管道焊縫或母材存在缺陷等。而泄漏問題多發(fā)生在冷應(yīng)力變化大、變化快的階段。查閱資料：為降低溫度應(yīng)力對設(shè)備的沖擊，開車過程中升溫（或降溫）不能過快，控制在1℃/m i n以內(nèi)。換熱器同一截面冷、熱介質(zhì)的溫差不要超過50℃。按照設(shè)備廠家說明書操作：冷、熱端膨脹機(jī)開啟后，保證最小安全轉(zhuǎn)速時的膨脹量約為正常膨脹量的25%。而設(shè)備及管道的溫降速率在2.2℃/m i n左右。尤其是熱端膨脹機(jī)啟動后，冷端膨脹機(jī)的出口溫度下降很快，使換熱器同一截面冷、熱介質(zhì)的溫差達(dá)到了80℃，氧液化器中冷熱介質(zhì)溫差超過了100℃，溫降速率在15℃/m i n。

分析啟動過程，認(rèn)為設(shè)備在冷卻階段溫降變化的幅度和速率過快，是造成此次事故的原因。

通過對流程、設(shè)備、閥門特點(diǎn)的研究，并經(jīng)過多次的實踐，對液化裝置的冷、熱開車過程優(yōu)化，已形成固定操作關(guān)鍵票指導(dǎo)操作。重點(diǎn)如下：

（1）冷端膨脹機(jī)啟動后，其膨脹量控制在剛過臨界轉(zhuǎn)速區(qū)為宜。然后不立即啟動熱端膨脹機(jī)，而是將冷量送到后續(xù)設(shè)備、管道?？扇_液氮去過冷器調(diào)節(jié)閥及液氮進(jìn)氧液化器調(diào)節(jié)閥，使氮液化器、液氮過冷器及氧液化器及管道盡可能全面緩慢冷卻。

（2）當(dāng)冷端膨脹機(jī)出口溫度與熱端膨脹機(jī)的進(jìn)口溫度在50℃溫差范圍左右，啟動熱端膨脹機(jī)。

（3）兩臺膨脹機(jī)串聯(lián)啟動后，膨脹量控制兩臺設(shè)備的轉(zhuǎn)速剛過臨界轉(zhuǎn)速區(qū)，保證膨脹機(jī)在安全運(yùn)行區(qū)。保持此膨脹量，調(diào)整冷量分配，使所有設(shè)備、管道全面、緩慢冷卻。

（4）氧液化器冷卻時，應(yīng)根據(jù)氧液化器氮側(cè)氣體出口溫度的變化，調(diào)整氧氣量，盡可能少送氣，微開液氧管道排放閥，保持出氧液化器液氧溫度緩慢下降。

（5）當(dāng)各設(shè)備、溫度接近工作溫度點(diǎn)后，緩慢增加膨脹量至所需值。

液化裝置在生產(chǎn)組織中需要頻繁啟停，控制設(shè)備開機(jī)的冷卻速度，是保證設(shè)備長期、安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的關(guān)鍵。

圖1 工藝流程圖

3.2氧液化器氮?dú)獬隹跍囟鹊汀刂茻岫藴夭?/h2>

液化裝置在液氧生產(chǎn)時，氧液化器氮側(cè)出口管道上?！俺龊埂被蚪Y(jié)霜，氧液化器氮側(cè)出口最低溫度曾到-25℃左右。根據(jù)該溫度歷史趨勢，正常運(yùn)行時期此曲線呈水平S型無明顯規(guī)律的波動，而且峰、谷幅值差在10℃以上。

究其原因為中壓氧氣壓力隨管網(wǎng)在1.8～2.6 M Pa之間波動，而液氮進(jìn)氧液化器調(diào)節(jié)閥全開，液化器熱端出口溫差大，沒有控制。當(dāng)中壓氧壓力低時，即使開大液氧出口閥門，冷量還是富裕，造成冷區(qū)上移。氧液化器氮側(cè)出口溫度下降。不但給設(shè)備的安全運(yùn)行帶來隱患，同時氧液化器熱端溫差長期超過10℃。熱端溫差大，系統(tǒng)復(fù)熱不足，冷損大，經(jīng)濟(jì)性差。

通過運(yùn)行實際，找到管網(wǎng)壓力變化與最佳膨脹量之間匹配范圍，同時關(guān)小液氮進(jìn)氧液化器調(diào)節(jié)閥，控制熱端溫差小于5℃。近兩年的運(yùn)行氧液化器氮?dú)獬隹诠軟]有跑冷現(xiàn)象，氮?dú)獬隹跍囟惹€起伏減小。

理論上熱端溫差擴(kuò)大1℃，熱交換不完全損失將增大1.31k J/m3?？刂茻岫藴夭钐岣吡艘夯b置的經(jīng)濟(jì)性。

3.3加溫空氣影響氮?dú)夤芫W(wǎng)純度——采用氮?dú)饧訙?/h3>

2010年10月液化裝置加熱后準(zhǔn)備啟動，系統(tǒng)置換一直不合格，影響開機(jī)數(shù)小時。最終原因是膨脹機(jī)加溫閥存在泄漏，干燥空氣進(jìn)入氮?dú)馔ǖ馈?012年3月膨脹機(jī)過橋冷箱更換墊片，需要人員進(jìn)入檢修，系統(tǒng)空氣置換。加溫空氣壓力高于空分產(chǎn)品低壓氮?dú)夤芫W(wǎng)壓力，因循環(huán)氮?dú)饪偣艹隹陂y微漏，空氣滲入低壓氮?dú)夤芫W(wǎng)，造成氮?dú)饧兌瘸瑯?biāo)2天才找到原因。

本套裝置及增壓透平膨脹機(jī)的加溫系統(tǒng)，均設(shè)計有獨(dú)立的干燥空氣加熱流程，干燥空氣通過手動加溫閥控制加熱氣壓力。此流程有以下弊端：（1）操作相對復(fù)雜，操作閥門多，機(jī)組開機(jī)前置換時間長；（2）閥門設(shè)置獨(dú)閥，閥前后壓差大，閥門微漏易污染液化系統(tǒng)；（3）空氣加溫壓力控制超過循環(huán)氮壓機(jī)進(jìn)口壓力，易污染低壓氮?dú)夤芫W(wǎng)；（4）閥門配置口徑大，壓力控制困難。

根據(jù)流程，其裝置在循環(huán)氮壓機(jī)開機(jī)或停機(jī)時均可采用氮?dú)饧訜?。方法一：?dāng)循環(huán)氮壓機(jī)未開啟時，通過循環(huán)氮壓機(jī)進(jìn)口空分的產(chǎn)品氮?dú)獾谷耄?jīng)氮液化器，通過冷端膨脹機(jī)出口總管走原加熱路線，實現(xiàn)膨脹機(jī)的加熱。同時還可加熱溫液化器、液氮過冷器及氧液化器的氮側(cè)通道及管道。此法在循環(huán)氮壓機(jī)開機(jī)時，也可采用。方法二：當(dāng)循環(huán)氮壓機(jī)開機(jī)時，調(diào)節(jié)氮?dú)鈮毫Υ笥?.5M Pa，通過熱端增壓機(jī)回流管線、冷端增壓機(jī)回流管線進(jìn)入氮液化器中壓氮通過，通過節(jié)流閥控制壓力加熱液氮過冷器、膨脹機(jī)、氧液化器及氮液化器的低壓氮通道。

通過多次實踐，效果驗證，我們已完全取消了空氣加溫。不但達(dá)到加熱效果、簡化了加溫流程，同時節(jié)省了開車前系統(tǒng)置換的時間。

3.4外供密封氣進(jìn)入系統(tǒng)——采用氮?dú)饷芊?/h3>

2011年7月液化裝置開車前，檢測系統(tǒng)氮?dú)獠缓细?。盤查加溫過程，發(fā)現(xiàn)一疑點(diǎn)：液化裝置加熱后保壓，中壓氮通道壓力控制在0.1M Pa左右。而兩臺膨脹機(jī)的密封氣有兩路氣源，一路為膨脹機(jī)開機(jī)后自供密封氣（即中壓氮通道壓力），一路為開機(jī)前外供密封氣。設(shè)備安裝時外供密封氣源采用儀表空氣。本次由于液化裝置停機(jī)加熱后，一直采用循環(huán)氮壓機(jī)出口氣體在中壓通道較低的壓力保壓。作為密封氣的儀表空氣通過自供密封氣管路進(jìn)入。雖然密封氣管路裝有單向閥，但外界氣源高于自供氣源時，儀表空氣進(jìn)入系統(tǒng)。

通過關(guān)閉自供氣源管手動閥或提高中壓氮通道的壓力大于0.5M Pa，開車前后均采用氮?dú)饷芊狻Ｍ瑫r將外供密封氣源改為氮?dú)鈿庠?，杜絕此類隱患。

3.5中壓氧進(jìn)入氮?dú)夤芫W(wǎng)——重視液體排放閥

2011年12月液化裝置開機(jī)要求氧、氮同時液化，在冷卻過程中，動力調(diào)度室反饋氮?dú)夤芫W(wǎng)純度下降，用戶無法使用。

原因為氧液化器冷卻時，操作人員打開液氧出口管道上排氣閥與排液閥，而同時又微開了液氮管道上的排液閥。由于液氧、液氮排液閥共同接入總管去殘液汽化器，造成中壓氧氣串入液氮管道，汽化后進(jìn)入循環(huán)氮壓機(jī)進(jìn)口，而循環(huán)氮壓機(jī)出口與中壓氮管網(wǎng)聯(lián)通。造成氮?dú)夤芫W(wǎng)純度污染，影響用戶。

此事故與空分開、停機(jī)出現(xiàn)下塔與上塔排放閥同時開啟時，壓力內(nèi)串同出一轍。為了避免類似的事故出現(xiàn)，除了對操作人員培訓(xùn)，還需在現(xiàn)場掛牌引起操作人員注意。遵循系統(tǒng)本質(zhì)化的處理方法，還是需要采取將不同壓力等組的氣、液體獨(dú)立布管，互不干擾。

4 結(jié)束語

液化裝置與空分裝置相比，無論是工藝流程，還是操作方法，都簡單許多，尤其是與冶煉生產(chǎn)沒有直接關(guān)聯(lián)，因此得不到各單位的重視。以上事故的發(fā)生，不但給液化裝置本身造成的影響，還會給其他系統(tǒng)帶來問題。重視設(shè)備安全運(yùn)行問題，不論是關(guān)鍵設(shè)備還是非關(guān)鍵設(shè)備，都是保證設(shè)備最經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行的直接手段。