儀表空氣露點(diǎn)升高原因分析及故障處理

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(錦西天然氣化工有限責(zé)任公司，遼寧 葫蘆島 125001)

錦西天然氣化工有限責(zé)任公司為一家大型化肥企業(yè)，年產(chǎn)氨30萬(wàn)t，尿素52萬(wàn)t，合成氨和尿素裝置分別采用美國(guó)布朗工藝和意大利斯納姆工藝。裝置工藝復(fù)雜，自動(dòng)化程度高，采用的氣動(dòng)設(shè)備多。裝置正常運(yùn)行中，全廠的儀表空氣主要通過(guò)水氣裝置空分系統(tǒng)提供，同時(shí)從合成裝置空氣壓縮機(jī)100C1四級(jí)出口抽出一部分作為補(bǔ)充，在主裝置檢修期間，還可通過(guò)2臺(tái)備用的活塞壓縮機(jī)提供。

儀表空氣作為氣動(dòng)設(shè)備動(dòng)力源，保證其潔凈、干燥非常重要，一旦帶水，將影響氣動(dòng)設(shè)備的正常控制和穩(wěn)定調(diào)節(jié)，特別是在冬季，儀表空氣帶水可能造成管線凍堵，使氣動(dòng)設(shè)備失去控制，從而影響裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行。為保證儀表空氣的潔凈干燥，必須設(shè)置專門(mén)的處理系統(tǒng)進(jìn)行空氣的過(guò)濾、凈化和干燥，合成裝置空氣處理系統(tǒng)采用了冷凍式干燥機(jī)(冷干機(jī))與無(wú)熱再生干燥器串聯(lián)布置的除水干燥方式，保證露點(diǎn)≤-40 ℃(0.70 MPa(g)，下同)，并將露點(diǎn)作為平時(shí)重點(diǎn)分析監(jiān)控指標(biāo)，嚴(yán)防儀表空氣帶水。儀表空氣露點(diǎn)分析指標(biāo)趨勢(shì)見(jiàn)圖1。

圖1 儀表空氣露點(diǎn)分析指標(biāo)趨勢(shì)

2016年8月14日，合成儀表空氣總管露點(diǎn)分析達(dá)-28 ℃，之后連續(xù)幾天的分析指標(biāo)也都未能達(dá)到-40 ℃的合格值，為裝置進(jìn)入冬季運(yùn)行留下了生產(chǎn)隱患。

1 合成裝置儀表空氣系統(tǒng)流程

冷干機(jī)與無(wú)熱再生干燥器串聯(lián)布置工藝流程見(jiàn)圖2。來(lái)自空氣壓縮機(jī)100C1四級(jí)出口的壓縮空氣經(jīng)過(guò)循環(huán)水空氣冷凝器100E100冷卻后進(jìn)入儀表空氣系統(tǒng)進(jìn)行過(guò)濾、冷卻及干燥處理。經(jīng)過(guò)初步過(guò)濾后的壓縮空氣進(jìn)入冷干機(jī)，通過(guò)降溫結(jié)露原理冷卻降溫，其中的水蒸氣凝結(jié)成液滴，經(jīng)自動(dòng)排水系統(tǒng)排出，從而達(dá)到降低含濕量的目的。此外，壓縮空氣經(jīng)過(guò)冷干機(jī)后，其中3 μm及以上的固體塵粒被過(guò)濾，氣源品質(zhì)初步達(dá)到清潔、干燥要求[1]。

圖2 冷干機(jī)與無(wú)熱再生干燥器串聯(lián)布置工藝流程

經(jīng)過(guò)冷干機(jī)冷卻干燥后的空氣進(jìn)入2臺(tái)并聯(lián)的無(wú)熱再生分子篩干燥器中進(jìn)一步吸水干燥，保證露點(diǎn)≤-40 ℃，之后再通過(guò)2臺(tái)并聯(lián)設(shè)置的分子篩后，過(guò)濾器再次過(guò)濾，進(jìn)入儀表空氣總管，與水氣空分裝置的儀表空氣混合，為全廠提供干燥、潔凈的儀表空氣。

2 儀表空氣露點(diǎn)升高的原因分析及排查

根據(jù)設(shè)計(jì)，裝置正常運(yùn)行中，采用冷干機(jī)與無(wú)熱再生干燥器串聯(lián)布置可以為全廠各裝置氣動(dòng)設(shè)備提供合格的儀表空氣。分析露點(diǎn)指標(biāo)升高的主要原因，有分析儀表錯(cuò)誤、壓縮空氣帶水量大、儀表空氣系統(tǒng)的冷干機(jī)或再生干燥器運(yùn)行故障等，按照先易后難、先簡(jiǎn)后繁的原則，逐步進(jìn)行研究分析和確認(rèn)。

2.1 分析儀表及分析過(guò)程不準(zhǔn)確

儀表空氣露點(diǎn)分析具有固定的分析取樣過(guò)程和固定的地點(diǎn)，由固定的人員手持式分析儀器進(jìn)行。采用相同的分析儀器對(duì)其他不同地點(diǎn)進(jìn)行多次分析，結(jié)果都大致相同，因此確認(rèn)了分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，即排除了分析原因造成露點(diǎn)升高的因素。

通過(guò)對(duì)來(lái)自水氣空分裝置的儀表空氣進(jìn)行分析，更進(jìn)一步確認(rèn)了合成裝置儀表空氣處理系統(tǒng)運(yùn)行異常是引起儀表空氣露點(diǎn)升高的原因。

2.2 壓縮空氣夾水量大

合成裝置的儀表空氣來(lái)自空氣壓縮機(jī)100C1四級(jí)出口，是經(jīng)過(guò)儀表空氣冷凝器100E100降溫后的飽和空氣，如果這部分空氣分離排水不好，夾帶水分量過(guò)大，會(huì)造成儀表空氣系統(tǒng)冷卻干燥負(fù)荷過(guò)大，使儀表空氣露點(diǎn)升高。

儀表空氣冷凝器疏水系統(tǒng)工藝流程見(jiàn)圖3。在檢查中發(fā)現(xiàn)儀表空氣冷凝器及其冷凝水側(cè)疏水器運(yùn)行正常，為了防止空氣帶水過(guò)大，又將疏水器旁路閥保持小開(kāi)度。但經(jīng)過(guò)分析露點(diǎn)指標(biāo)，仍然沒(méi)有任何改善，因此也排除了壓縮空氣夾水量過(guò)大造成露點(diǎn)升高的因素。

圖3 儀表空氣冷凝器排水系統(tǒng)工藝流程圖

2.3 再生分子篩干燥器運(yùn)行異常

儀表空氣系統(tǒng)采用冷干機(jī)串聯(lián)無(wú)熱再生分子篩干燥器的除水方式，分子篩干燥器在空氣脫除水分的過(guò)程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。干燥器共有2臺(tái)，內(nèi)裝具有良好吸水性能的分子篩，1臺(tái)在線吸收干燥空氣，另1臺(tái)再生備用。2臺(tái)干燥器通過(guò)PLC邏輯控制自動(dòng)切換，每4分鐘1次，循環(huán)使用。

為了保證干燥器的正常脫水，分子篩干燥劑每年都要進(jìn)行更換，此次儀表空氣露點(diǎn)升高前3個(gè)月才更換，分子篩也是之前一直運(yùn)行良好的同一產(chǎn)品，應(yīng)不存在吸水性能的差異，檢查干燥器運(yùn)行狀況也未發(fā)現(xiàn)異常狀況，因此可以基本排除分子篩干燥器運(yùn)行異常的因素，同時(shí)也基本斷定是因?yàn)槔涓蓹C(jī)運(yùn)行故障而引起儀表空氣露點(diǎn)升高。

2.4 冷干機(jī)運(yùn)行故障

冷干機(jī)是冷凍式干燥機(jī)的簡(jiǎn)稱，是采用降溫結(jié)露原理，對(duì)壓縮空氣進(jìn)行干燥的設(shè)備。錦西天然氣化工有限責(zé)任公司的儀表空氣系統(tǒng)，采用的是杭州漢業(yè)氣源凈化設(shè)備有限公司的水冷標(biāo)準(zhǔn)型冷干機(jī)，主要由熱交換系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)3部分組成。來(lái)自100C1的壓縮空氣經(jīng)過(guò)100E100及冷干機(jī)進(jìn)出口預(yù)冷器冷卻后，進(jìn)入冷媒蒸發(fā)器與制冷劑進(jìn)行熱交換，溫度降至2～10 ℃后進(jìn)入汽水分離器，使空氣中的水分及雜質(zhì)顆粒在此溫度下析出，通過(guò)自動(dòng)排水器一起排出機(jī)外。干燥的低溫空氣再經(jīng)過(guò)進(jìn)出口預(yù)熱器與熱空氣進(jìn)行熱交換，溫度升高后輸出，防止管路結(jié)露、結(jié)霜，熱氣旁通閥能根據(jù)負(fù)荷變化的要求自動(dòng)調(diào)節(jié)冷媒的通過(guò)量。

冷干機(jī)在儀表空氣系統(tǒng)中擔(dān)負(fù)著初步干燥除水的作用，一旦工作異常，會(huì)使分子篩干燥器負(fù)荷加大，無(wú)法滿足保持壓縮空氣干燥的需要，造成儀表空氣露點(diǎn)升高。

2.4.1 冷卻水系統(tǒng)故障

冷干機(jī)通過(guò)水冷器為制冷壓縮機(jī)出口氣體進(jìn)行降溫冷凝，為蒸發(fā)器提供冷量。如果冷卻水系統(tǒng)出現(xiàn)故障，冷媒氣體無(wú)法正常冷凝，會(huì)造成蒸發(fā)氣體溫度升高，無(wú)法滿足壓縮空氣的冷卻需要，造成空氣露點(diǎn)升高。在以前的生產(chǎn)運(yùn)行中，由于冷卻水流量調(diào)節(jié)閥故障及冷卻水管線堵塞，幾次造成了冷干機(jī)運(yùn)行故障。在采取手動(dòng)調(diào)整水量調(diào)節(jié)閥加大冷卻水量、用溫度更低的工廠水取代循環(huán)水提供冷卻、清理上水過(guò)濾器等措施后，仍沒(méi)有改變空氣露點(diǎn)偏高的問(wèn)題。

2.4.2 制冷劑不足

冷干機(jī)采用的制冷劑為氟利昂R22，正常工作壓力0.4～0.5 MPa(g)。如果因泄漏等原因造成損耗，而使蒸發(fā)器內(nèi)冷量不足，會(huì)由于無(wú)法滿足為壓縮空氣降溫的需要，從而引起儀表空氣露點(diǎn)升高。

在檢查確認(rèn)過(guò)程中，冷干機(jī)蒸發(fā)壓力在0.30 MPa(g)左右運(yùn)行已經(jīng)有一段時(shí)間，可能存在冷媒介質(zhì)不足的問(wèn)題。因此，專業(yè)人員現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)充氟利昂R22，并對(duì)冷媒流程進(jìn)行仔細(xì)地查漏，但未發(fā)現(xiàn)明顯的泄漏點(diǎn)。重新啟動(dòng)冷干機(jī)，并調(diào)整熱力膨脹閥，運(yùn)行一周后露點(diǎn)指標(biāo)仍沒(méi)有改善跡象。

2.4.3 壓縮機(jī)運(yùn)行故障

制冷壓縮機(jī)是為冷干機(jī)運(yùn)行提供制冷動(dòng)力的的關(guān)鍵設(shè)備，一旦發(fā)生故障，勢(shì)必影響空氣的換熱冷卻。但由于采用的是全封閉式活塞壓縮機(jī)，排氣量是固定的，正常工作中壓縮機(jī)的工況也基本不變，檢查難度很大。

在加注了制冷劑R22，并對(duì)熱力膨脹閥、熱氣旁通閥及水量調(diào)節(jié)閥進(jìn)行反復(fù)調(diào)整后，仍沒(méi)能改善空氣露點(diǎn)偏高的問(wèn)題。但在調(diào)整閥門(mén)的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)調(diào)整度大大偏離原位置，壓縮機(jī)本體溫度仍然較高，時(shí)常造成因溫度保護(hù)而停機(jī)，而且冷凝壓力不足，因此，可以斷定是由于壓縮機(jī)的問(wèn)題引起冷干機(jī)運(yùn)行故障，從而引起空氣露點(diǎn)偏高。

3 處理措施

經(jīng)過(guò)多日排查，確定為冷干機(jī)制冷壓縮機(jī)運(yùn)行故障造成了儀表空氣露點(diǎn)偏高，但由于冷干機(jī)壓縮機(jī)采用的是全封閉式活塞壓縮機(jī)，進(jìn)行檢查維護(hù)十分困難，只能更換。

(1)2016年9月1日，整體更換制冷壓縮機(jī)，重新調(diào)整熱力膨脹閥、熱氣旁通閥及水量調(diào)節(jié)閥，儀表空氣露點(diǎn)達(dá)到-40 ℃的合格指標(biāo)，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的調(diào)整優(yōu)化冷干機(jī)運(yùn)行狀況，9月5日后，儀表空氣處理系統(tǒng)恢復(fù)到正常運(yùn)行，露點(diǎn)指標(biāo)穩(wěn)定在合格范圍內(nèi)，徹底排除了儀表空氣運(yùn)行隱患。

(2)解體檢查故障壓縮機(jī)，進(jìn)一步確認(rèn)故障發(fā)生點(diǎn)。解體后發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)2個(gè)氣缸入口閥片都有不同程度的斷裂泄漏情況，其中1個(gè)氣缸中的活塞曲軸連桿折斷，因此造成壓縮機(jī)功率嚴(yán)重下降，無(wú)法滿足制冷需要。制冷壓縮機(jī)斷裂的曲軸見(jiàn)圖4。

圖4 制冷壓縮機(jī)曲軸連桿折斷

(3)加強(qiáng)了冷干機(jī)運(yùn)行維護(hù)。發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)解決，并每天檢查壓縮機(jī)運(yùn)行工況，防止因結(jié)霜而發(fā)生“液壓縮”或過(guò)熱損壞，防止故障擴(kuò)大化。

4 結(jié)語(yǔ)

儀表空氣露點(diǎn)升高，為裝置安全運(yùn)行埋下隱患，在檢查處理過(guò)程中，采取先易后難、先簡(jiǎn)后繁的原則，確認(rèn)冷干機(jī)制冷壓縮機(jī)損壞，并進(jìn)一步確認(rèn)壓縮機(jī)活塞閥片部分?jǐn)嗔选⑶S連桿折斷，影響了冷干機(jī)冷卻干燥效果。此次故障得以圓滿處理，且未造成嚴(yán)重后果，但仍提醒我們，在日常生產(chǎn)運(yùn)行維護(hù)中，應(yīng)注意細(xì)節(jié)，精細(xì)操作，提早發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)隱患，保護(hù)設(shè)備運(yùn)行安全，減少故障損失，保證裝置安全、連續(xù)、穩(wěn)定運(yùn)行。