空分裝置粗氬液化器與精氬塔連通管堵塞的分析與處理

張娟娟，張格亮

（金川集團股份有限公司動力廠,甘肅 金昌 737100）

空分裝置粗氬液化器與精氬塔連通管堵塞的分析與處理

張娟娟，張格亮

（金川集團股份有限公司動力廠,甘肅 金昌 737100）

由于空分裝置在停車檢修前氬分餾系統加溫不徹底，且粗氬液化器頂部不凝性氣體排放閥V766停車后沒有關閉，外界濕空氣進入粗氬冷凝器與精氬塔，水分在聯通管凝結后發生冰堵事故。介紹了故障處理措施及注意事項，并總結了防范措施。

空分裝置；粗氬冷凝器；精氬塔；聯通管；冰堵

1 概述

金川集團股份有限公司動力廠20000Nm3/h空分設備于2005年投產，為銅合成爐和銅熔煉車間提供冶煉用氧。空分設備采用空氣預冷、分子篩吸附凈化、增壓透平膨脹機制冷、氧氣內壓縮、氮氣外壓縮、膨脹空氣送下塔、全精餾無氫制氬工藝流程。氬生產系統由粗氬I塔、粗氬Ⅱ塔、循環粗氬泵、粗氬液化器、精氬塔組成。

20000Nm3/h空分設備采用全精餾無氫制氬技術，粗氬I塔、粗氬Ⅱ塔及精氬塔均采用規整填料塔，其液氬生產系統工藝流程簡介為如下：金川集團股份有限公司（以下簡稱金川集團）空分裝置循環水系統，主要由冷卻塔、水池、風機、離心水泵、旁濾器及全自動鈉離子交換器等設備組成，其循環水系統蒸發量是依靠全自動鈉離子交換器制作軟化水進行補充。其結構系統簡圖如圖1所示：

圖1 結構系統簡圖

1）從分餾塔上塔提餾段氬餾份富集區引出含氬12%左右的氬餾份氣體進入粗氬Ⅰ塔，作為上升氣流，由粗氬Ⅱ塔底部引出含氧3%的液氬,經液氬泵輸送至粗氬Ⅰ塔頂部，作為回流液體進行精餾；

2）粗氬Ⅰ塔頂部引出的含氧3%的氬氣體進入粗氬Ⅱ塔底部作為上升氣流，粗氬Ⅱ塔頂部安裝由過冷器后液空作為冷源的粗氬冷凝器，當上升氣流進入冷凝器時部分被液化為含氧小于2×10-6的液氬，作為粗氬Ⅱ塔回流液體進行精餾；

3）從粗氬Ⅱ塔頂部粗氬冷凝器氬側抽出部分含氧小于2×10-6的粗氬氣體，進入以下塔液氮作為冷源的頂部設有不凝性氣體排放裝置的粗氬液化器，將其液化為液態粗氬；

4）粗氬冷凝器底部粗氬液體經過連通管進入精氬塔上部作為部分回流液體，精氬塔底部安裝有以下塔頂部0.43MPa氮氣作為熱源的精氬蒸發器，將底部精氬液體蒸發作為上升蒸汽。頂部安裝有以下塔液氮作為冷源的精氬冷凝器，將上升蒸氣冷凝為液體，作為精氬塔主要回流液體進行精餾。精氬冷凝器氬側頂部含氮較高的氣體經過E751復熱器后由排空，底部得到含氧小于2×10-6，含氮小于3× 10-6的產品液氬進入液氬儲槽。

2 故障現象

2015年8月20000Nm3/h空分設備年度檢修25天后，于9月15日設備正常啟動，9月17日分餾塔系統進入冷卻階段后，發現精氬塔頂部壓力PI-CAS704顯示為零。檢查精氬塔排空閥V751處于關閉狀態，殘液排放閥V757處于關閉狀態。而粗氬液化器PIC705壓力顯示為0.037MPa，其進氣閥V705處于全開狀態。根據以上狀況判斷可能粗氬液化器與精氬塔連通管發生堵塞故障。

3 故障原因分析

1）檢查粗氬液化器不凝性氣體排放閥V766處于開啟狀態，查找設備停車、啟動操作記錄，發現空分設備檢修前停車封塔時V766與V764閥門未作任何操作，由此可知在系統停車期間V766閥門沒有關閉；

2）檢查DCS設備運行歷史趨勢，發現空分裝置分餾系統各壓力點壓力顯示均為零，查找設備停車、啟動操作記錄，發現空分裝置停車后沒有對分餾系統通入儀表氮氣使塔內保持正壓的操作；

3）檢查粗氬氣排空管止回閥V771與精氬塔余氣放空管止回閥V768開關靈活，不會發生外界濕空氣倒流現象；

4）在設備啟動加溫階段，崗位操作人員已經發現精氬塔PICAS704顯示為零，但沒有仔細查找原因，而是打開了精氬塔啟動加溫管道V761閥門，從精氬塔底部通入氣體進行加溫，執行此操作后，掩蓋了由于粗氬液化器與精氬塔連通管堵塞造成精氬塔壓力為零的故障現象。

通過以上檢查分析判斷可知，由于分餾塔停車封塔時氬分餾系統加溫不徹底，也沒有關閉V766閥門，且分餾系統未實施通入儀表氮氣使塔內保持正壓的操作，導致在設備停車檢修期間，濕空氣通過V766閥門進入粗氬冷凝器。而設備停車檢修時加溫時，由于氬系統容器多，管徑小，如果不對氬系統設備進行檢修，為了節能不將氬系統設備加溫至常溫狀態，通常在-30°左右。因此，當濕空氣進入粗氬液化器后，由于V705閥門停車期間處于關閉狀態，濕空氣通過粗氬液化器與精氬塔的連通管進入精氬塔，但由于聯通管管徑為DN50，且部分管道在冷箱內為水平布置，濕空氣水分凝結后，導致聯通管發生冰堵事故。

4 處理措施

2015年9月17日20000Nm3/h空分設備分餾系統進入冷卻階段后，主塔溫度已冷卻至-150℃，而銅合成爐系統生產任務重，必須按時復產。因此，決定主分餾塔、粗氬I塔及粗氬Ⅱ塔正常投入運行，為冶煉系統生產氧氣及氮氣，停止生產液氬產品，對粗氬液化器及精氬塔實施以下操作：

1）全關精氬塔頂部冷凝器液氮入口V706閥門、氮氣出口V715閥門，全關精氬塔底部蒸發器液氮出口V707閥門，全關精氬塔純氬去液氬儲槽V708閥門，防止低溫氣體、液體進入精氬塔。

2）微開精氬塔冷態加溫儀表氮氣管道加溫閥V775，從精氬塔頂部余氣排放管經精氬冷凝器向精氬塔內通入常溫氮氣，對精氬塔進行加溫；

3）將余氣排放閥V751投入自動控制狀態，控制精氬塔壓力在0.06～0.08Mpa范圍之內，保證精氬塔不超壓工作；

4）全開精氬塔底部純氬排空閥V757，使進入精氬塔的儀表氮氣對精氬塔加溫后由此排放至大氣中；

5）全關粗氬液化器液氮入口V711閥門、粗氬氣入口V705閥門，并將這兩個自動控制閥門投入手動關閉狀態，防止低溫氣體、液體進入粗氬液化器。

6）從20000Nm3/h空分設備壓力變送器室將由精氬塔阻力計PDIC703排污上閥與粗氬冷凝器壓力變送器PIC702排污閥聯通，并將以上兩個排污閥全開，將精氬塔內儀表氮氣引入粗氬液化器氬側，對粗氬液化器加溫；

7）微開粗氬液化器頂部不凝性氣體排放閥V766，使進入精氬液化器的儀表氮氣由此排放至大氣中。

5 注意事項

1）由于精氬塔壓力過低將會影響精氬塔的加溫效率，而壓力過高就會使設備超壓，帶來運行風險，因此崗位操作人員必須密切關注PICAS704壓力變化，將此壓力嚴格控制在0.06～0.08MPa范圍之內。

2）規定每4h崗位操作人員使用便攜式點溫儀，檢測粗氬液化器頂部不凝性氣體排放閥V766出口氣體溫度，并做好相應記錄，若排氣溫度小于-30℃，檢查粗氬液化器液氮入口V711閥門、粗氬氣入口V705閥門與精氬塔冷凝器液氮進口閥V706是否完全關閉；

3）穩定主塔氬餾分含氬在8%～12%，密切關注粗氬塔流量 FI702及粗氬Ⅱ冷凝器液空液位LIC701變化，同時通過粗氬排放閥V712控制粗氬氣流量FIC701在700～800Nm3/h。確保粗氬I塔、粗氬Ⅱ塔運行穩定，避免發生氮塞現象，沖擊主塔運行工況破壞氧氣、氮氣純度，影響系統正常生產。

6 處理結果

1）2015年9月17日對精氬塔及粗氬液化器采用儀表氮氣加溫及進行相應的安全措施實施后，使用便攜式露點儀檢測粗氬液化器頂部不凝性氣體排放閥V766出口氣體露點為-30℃，說明最初判斷由于V766閥門在停車期間沒有關閉，外界濕空氣通過不凝性氣體排放管進入粗氬冷凝器及其底部去精氬塔聯通管，造成冰堵事故的判斷是正確的，且次處置方案是合理可行。

2）2015年9月19日測得V766閥門出口氣體露點為-20℃，說明容器及管道中凍結水分不斷升華被干燥氮氣帶出。9月23日發現V766閥門出口氣體排量突然增大，且伴隨有雪花狀冰被帶出，此時斷定粗氬冷凝器底部去精氬塔堵塞聯通管已疏通，大量氣體從精氬塔通過聯通管進入粗氬液化器后，從V766閥門出口排出。9月26日測得從V766閥門出口露點溫度為-80℃，說明精氬塔、粗氬液化器及聯通管內凍結水分已完全被帶出，可以停止對其加溫，正常投入生產運行。

7 總結

帶有分子篩純化系統的空分設備，由于吸附劑對空氣中的H20、CO2及CnHn不是絕對吸附，在系統長時間運行過程中它們會聚集在分餾塔主換熱器、粗氬冷凝器及液體容器內，對空分設備造成安全隱患，嚴重時堵塞換熱通道，造成空分設備爆炸等事故的發生。因此，行業規定分子篩純化流程的空分設備必須兩年進行一次系統全面加溫，清除系統內長期聚集的各類雜質保證設備安全穩定運行。

1）在空分設備停車加溫時，確保分餾系統所有管道、容器必須有氣體流通，絕對避免有設備管道遺漏加溫現象的出現。

2）空分系統加溫結束停車后，保證分餾系統外部所有閥門全部關閉，避免外界濕空氣進入分餾系統。

3）為了保證空分設備分餾系統處于正壓狀態，停車后將液氧泵、液氬泵處單體加溫儀表氮氣通入分餾系統。同時通過DCS控制系統密切關注分餾塔上塔壓力PIA2與精氬塔壓力PIAS704壓力變化，確保系統壓力正常。

4）空分設備啟動前進行系統全面加溫時，檢測系統加溫氣體露點的位置應選擇在容器及管道氣體流通性較差的部位，如分餾塔主冷凝蒸發器氧側、粗氬液化器氬側及精氬塔蒸發器與冷凝器等，若這些部位露點合格則才能代表加溫氣體露點合格。

空分裝置循環水電導率超標的原因有多種，當發生電導率超標現象時，原因可能有一種，也可能有多種。通過分析采取相應措施，單臺離子交換器的制水能力，提升為原來的2倍。而且將循環化水電導率控制在了3000μS/cm以下。

這不僅降低了軟化器再生時的NaCL消耗量，減少離子交換樹脂的補充量，即節約了設備檢修材料費用。同時，循環水電導率的降低，減輕循環水對設備冷卻器、管道、閥門及噴頭的腐蝕程度，避免設備冷卻器泄露造成設備事故，延長冷卻器、管道、閥門及噴頭的使用壽命，節約了設備檢修備件費用。

[1] 李化治．制氧技術[M]．北京：冶金出版社，2005.

TQ028.1+5