儀表用空氣造成空分裝置主換熱器堵塞事故的分析與處理

黃秋華（廣西河池化工股份有限公司，廣西 河池 547007）

在空分裝置中，主換熱器是冷箱內的重要換熱設備，其運行狀況決定整套空分裝置的性能和狀態。目前，絕大部分的主換熱器均采用鋁制板翅式換熱器，該類型換熱器具有間隙非常小、體積小、重量輕、換熱效率高、工作最低溫度可達-178℃等特點，廣泛應用于空分、化工等領域。

當空分裝置主換熱器出現阻力增大、換熱不充分等異常時，一般認為主換熱器出現了堵塞。主換熱器堵塞物質主要分為兩類：一是機械顆粒，主要有沙塵、焊渣、珠光砂、分子篩粉末等；二是低溫凍結介質，主要有水、二氧化碳。主換熱器發生堵塞時，空分裝置產量下降、能耗增加，嚴重時空分裝置無法繼續運行，必須停車檢修。

某新建空分裝置采用常規外壓縮流程，在分子篩系統后設計有一條儀表用空氣外送管路，提供全廠儀表用氣。同時配備一套包括活塞壓縮機、吸附式干燥劑的儀表用空氣系統，作為空分裝置停車時的儀表用氣供應。該裝置經過調試順利出氧，但連續運行一周后，現場工程師發現正流空氣通道和膨脹空氣通道的阻力近似以一定速率緩慢增加，已對空分工況產生影響。此時，后續工段已開展試車工作，要求保持氧氣的連續供應。因此，盡快查找問題原因成了當務之急。

1 通過下列物質的堵塞特點進行初步判斷

1.1 沙塵、焊渣：這兩種物質一般表現為短期變化，之后會達到某一狀態并趨于穩定。

1.2 珠光砂、分子篩粉末：一般冷箱內管道發生斷裂時，珠光砂會泄漏到管路內部，隨氣流堵塞下游管道或設備。分子篩粉末主要是因分子篩粉化造成，多見于運行幾年以上的空分裝置。

1.3 二氧化碳：二氧化碳在低溫下會直接固化成干冰，固化溫度為-78.6℃。一般空分裝置均在純化系統后配備有二氧化碳分析儀進行實時監控，進入冷箱的二氧化碳是一個關鍵的工藝控制點。

1.4 水：水在0℃時即凝固為冰。這里所說的水一般指氣態的水，也就是濕空氣中含的水蒸氣。水蒸氣一旦進入冷箱，將會凍結在主換熱器內，造成堵塞。堵塞的快慢受水蒸氣的含量而定。空分裝置中，水的來源有兩個:一是分子篩系統凈化不徹底；二是膨脹機或增壓機級間冷卻器泄露。不同的來源影響的后續管路也不相同。

根據以上物質堵塞的不同現象，并對現場相關吹除閥、儀表管等就地吹掃檢查后，可以鎖定水和二氧化碳兩種物質，排除其他物質的可能。然后針對這兩種物質作進一步的檢測和分析。

2 通過分析儀分析數據判斷

首先檢查二氧化碳分析：二氧化碳分析點位于分子篩純化系統后，使用2ppm的標準氣對分析儀進行校準，分析分子篩后的二氧化碳含量為0.5ppm，略有波動。在分子篩吸附末期和切換時，二氧化碳含量也基本穩定。

其次檢查水分析：水分析點在膨脹機增壓機后冷卻器后。校準分析儀并檢查分析管路后，測量膨脹空氣進冷箱管路的露點為-72℃。

然后將兩臺分析儀的分析點進行交換，測量結果為分子篩后正流空氣管路的露點為-78℃；增壓機后冷卻器后的二氧化碳含量為0.5ppm，兩個測點的露點有差。

3 排查系統水的來源

首先對膨脹機增壓機級間兩臺冷卻器均進行氣密性試驗，但未發現異常。

其次對分子篩系統進行重點排查。來自分子篩系統的正流空氣有儀表空氣和膨脹空氣兩個分支。二氧化碳分析點位于分支之前。隨后對儀表空氣管路進行檢查，儀表空氣處于外送狀態。相連的外來儀表氣源管路閥門是關閉的，并且儀表氣系統處于停機狀態。根據以上的檢測判斷，微量水泄漏的可能性非常大，但水的來源卻無法確定。

在繼續查找水的來源過程中，在向現場操作人員詳細了解調試情況時發現一個細節：空分裝置裝填珠光砂期間，客戶要求儀表用空氣進行其他工段的調試工作，操作人員啟動了備用儀表氣系統。隨后針對備用儀表空氣系統以及與空分裝置連接部分的儀表管、吹除閥進行逐個檢查。在檢查儀表氣緩沖罐時，發現吹除閥打開后有液體水排出，對儀表氣緩沖罐進行吹除后，增壓機后冷卻器后的露點分析開始上升，最后達到了-78℃。又經過兩三個小時的觀測，主換熱器的阻力沒有進一步增加，但空分裝置需擇機進行停車加溫，將凍結在主換熱器內部的水分加溫吹除干凈。

一般情況下，即使儀表用空氣帶水，也只會隨氣流帶到下游管路中。儀表氣緩沖罐中的水是如何反流到正流空氣管路呢？這里，注意到一個現象，當打開儀表氣緩沖罐的吹除閥時，露點分析儀即有變化，說明正流空氣管路的進水量與儀表空氣管的流速成比例關系。由此讓筆者想到氣體的擴散效應，室溫下空氣中分子的平均熱運動速度高達400m/s。由于極為頻繁的碰撞，分子運動速度的大小和方向時刻都在改變，沿一定方向遷移的速度相當慢，所以氣體擴散的速度比氣體分子運動的速度要慢得多，且分子呈現擴散效果。本套空分裝置因為儀表用空氣外送的要求，管路口徑設計較大。而在試車階段，儀表用空氣實際送出的流量比較少，當儀表用空氣送出低于水分子的擴散速度時，水分就擴散到正流空氣管路，隨氣流進入主換熱器，從而凍結在換熱器內。當然這種擴散的量非常小，所以才有阻力緩慢增加的現象。

在這次事故中，空分裝置的操作雖然都是正確的，但由于忽視了附屬系統的狀態，因此造成了事故。這就要求現場調試人員要全面掌控空分裝置的狀態和運轉情況；另外，在操作中，還要考慮前后操作的關聯性。希望此文能為空分裝置調試工作提供參考。