12 000 m3/h內(nèi)壓縮流程制氧設備適應性改造

朱圣華，殷 剛

（萊蕪天元氣體有限公司，山東萊蕪 271126）

0 前言

萊鋼天元氣體公司4#制氧機組（12 000 m3/h）（以下簡稱4#制氧機組）1995年由德國Linde公司引進，1997年1月投產(chǎn)，設計產(chǎn)能分別為氧氣12 000 m3/h，液氧350 m3/h（折合氣體），氮氣12 000 m3/h，氬氣410 m3/h。配套空壓機和低壓氮壓機均引進德國Atlas Copco公司，氧壓機由瑞士蘇爾壽公司生產(chǎn)制造，是天元公司在運的主力機組之一。隨著4#制氧機組運行時間越來越長，配套的空分、機械、電氣、儀控等系統(tǒng)設備問題不斷暴露。存在的主要問題有：①空分系統(tǒng)，空壓機過濾室阻力高、空分單體設備無加溫氣源；②機械系統(tǒng)，氮壓機頻繁振動高報警需停機檢查、空壓機等夏季油溫高頻繁造成停機；③儀控系統(tǒng)，空壓機喘振控制不正確頻繁造成放空閥打開、影響產(chǎn)量等。隨著熱線生產(chǎn)對氧氮氣需求量的不斷增加，對4#制氧機各系統(tǒng)設備實施技術改造與創(chuàng)新，減少故障停機，提升運行穩(wěn)定性，提高機組產(chǎn)品產(chǎn)量，非常必要。

1 制約4#制氧設備穩(wěn)定性提升的技術難點

1.1 空分系統(tǒng)

（1）空壓機布袋式過濾室阻力高，吸入空氣量少、氧產(chǎn)量低，且更換頻繁、能耗高。空壓機過濾室采用布袋式過濾器，袋式過濾器過濾空氣中的灰塵雜質(zhì)，日積月累，布袋的阻力會逐漸增大，阻力升高，吸氣量減少，影響空壓機的效率。當除塵容量增加到正常阻力的85%或增加到初始阻力的1.5倍時，就需要更換布袋，正常2～3個月就需要更換一次布袋，更換過程易對主塔工況造成影響，影響空壓機運行，且成本較高，更換布袋的工作量大。

（2）單體設備加溫氣源單一，無外部加溫氣源，影響故障狀態(tài)下的系統(tǒng)恢復。4#制氧機單體設備的加溫氣源使用的是分子篩后的加溫氣源，未設計使用外部氣源，當較大范圍的電氣故障系統(tǒng)停機后，單體設備所使用的外部密封氣源帶水，造成部分密封氣管線凍結，密封功能缺失，液體泵漏液，造成液體泵區(qū)域安全風險加大，基礎鋼板凍裂，需要對泵進行加溫恢復，而此時系統(tǒng)內(nèi)部無加溫氣源，只有開啟空壓機后方可進行單體設備的加溫操作，使得制氧機組開車恢復時間每次延長3 h左右。

1.2 機械系統(tǒng)

（1）空壓機、氮壓機頻繁振動高報警，需頻繁停機檢查，影響正常生產(chǎn)。4#制氧空壓機、低壓氮壓機頻繁振動高報警，由于壓縮機已經(jīng)運行十多年，設備機械部分磨損嚴重導致振動增高，無法排除突然發(fā)生機械故障的可能性，為確保壓縮機安全，頻繁停機揭蓋檢查齒輪、軸承等，對正常氮氣保供影響極大。氮壓機頻繁振動高報警趨勢圖如圖1所示，氮壓機一天之內(nèi)突然發(fā)生兩次振動波動，一級至四級振動同時發(fā)生，持續(xù)幾分鐘后恢復正常。如何在不停機的情況下分析確定空壓機、氮壓機是否發(fā)生了機械損傷，是壓縮機穩(wěn)定運行的技術難點。

圖1 氮壓機振動高報警趨勢

（2）空壓機、氮壓機供油溫度夏季過高，頻繁造成溫度高聯(lián)鎖停機。空壓機夏季油溫高是困擾4#制氧機組夏季穩(wěn)定運行的重要因素之一，油冷器經(jīng)過多年運行換熱效果變差，2個并聯(lián)油冷卻器同時投運，但效果不顯著，油溫仍然超高報警。不得不采用外部噴淋的方式進行強制冷卻，對壓縮機的安全穩(wěn)定運行構成較大威脅。

1.3 儀控系統(tǒng)空壓機防喘振控制錯誤

儀控系統(tǒng)空壓機防喘振控制錯誤，造成空壓機放空閥頻繁打開，影響加工空氣量及氣體產(chǎn)量。空壓機在實際工作中具有不穩(wěn)定工作區(qū)域，通常稱為喘振區(qū)。在運轉過程中由于工況變化、負荷波動等原因，可以發(fā)生工作點趨近甚至進入喘振區(qū)的現(xiàn)象，使壓縮機發(fā)生喘振，嚴重時引起強烈振動，導致密封及推力軸承損壞，轉子與靜止原件相碰造成嚴重事故。為了使空壓機能夠在穩(wěn)定的運行范圍內(nèi)安全運行，空壓機設有防喘振保護裝置。喘振控制系統(tǒng)和喘振保護系統(tǒng)在壓縮機開始受到喘振沖擊之前打開放空閥。

空壓機喘振控制系統(tǒng)是以空壓機二、三級排壓壓差和機后流量參數(shù)為目標的雙參數(shù)調(diào)節(jié)啟動控制。由于設備長期運行造成壓差偏差大，機后流量孔板反饋流量誤差大，且經(jīng)多次校正無效果，造成喘振控制錯誤，使空壓機正常運行中放空閥不能常閉，大量空氣放散，浪費了壓縮功增加了能耗，使壓縮機加工空氣量減少，影響產(chǎn)能，同時使能耗增加。

2 4#制氧設備提升穩(wěn)定性實踐

2.1 空分系統(tǒng)

2.1.1 研究應用空壓機自潔式過濾器工藝技術

采用自潔式空氣過濾器，由固定架、濾筒、電磁閥、反吹管線、程序控制器等元件組成，空氣通過濾筒直接進入空壓機，空氣中的灰塵匯集在暴露的濾筒上，形成一層塵餅，定時通過干燥潔凈的反吹氣體自動吹落。通過更換，避免了頻繁更換過濾室布袋及更換中對空壓機運行的影響，降低了費用，減少了更換過濾網(wǎng)的工作量，大大提升了空壓機的運行效率。

通過對改造前后空壓機正常運行時部分參數(shù)記錄比較，空壓機壓縮空氣量每小時增加了3000 m3，增加幅度達5.6%，空壓機的效率明顯提升。改造前后空壓機正常運行時部分參數(shù)見表1和表2。

表1 改造前空壓機的部分運行參數(shù)

表2 改造后空壓機的部分運行參數(shù)

2.1.2 設計應用空分單體設備低壓氮氣外部加溫氣源工藝

在氮壓機的出口管道上增設1個DN200 PN16出口閥，在兩只出口閥之間開口，用Φ57 mm×4.5 mm的無縫鋼管與單體設備加溫總管相連，將外部低壓氮氣引入單體設備加溫總管。空分單體設備加溫管線示意圖如圖2所示，其中，虛線為新加部分。將外部低壓氮氣引入單體設備的加溫總管，實現(xiàn)了外部氣源與內(nèi)部氣源的互為備用，當較大范圍的系統(tǒng)停電事故時，可使用外部低壓氮氣加溫氣源進行空分單體設備的起動，消除了空分裝置停用后無單體設備加溫氣源、單體設備不能及時啟動操作的問題，便于4#制氧機系統(tǒng)的恢復。

圖2 空分單體設備加溫管線示意

2.2 機械系統(tǒng)

2.2.1 研究應用振動信號在線采集頻譜分析技術

振動信號在線采集頻譜分析技術的原理是，利用振動測試模塊INV80A和Intellinova系統(tǒng)后臺軟件，實施在線數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控、超前預警、趨勢分析及故障診斷。通過振動信號頻譜更加全面地分析診斷氮壓機支撐系統(tǒng)松動、不平衡、不對中等機械故障，判斷齒輪箱軸承、齒輪嚙合不良、葉輪不平衡、電機轉子偏心等部件運行狀態(tài)，通對各部位振動頻譜、溫度、油壓等參數(shù)變化及趨勢的分析，從而進一步起到提前預警與精密診斷的作用，判斷是否真正發(fā)生機械故障。由于信號取自現(xiàn)場模塊的“緩沖輸出”端口，與原有的保護系統(tǒng)分立，確保原有保護系統(tǒng)的可靠運行。振動信號在線采集頻譜分析技術示意圖如圖3所示。

圖3 振動信號在線采集頻譜分析技術示意

設備振動信號在線采集是：①對DCS設有監(jiān)測點的，從現(xiàn)有DCS保護系統(tǒng)的現(xiàn)場變送器的“Buffer輸出”端子直接獲取，使用BNC接頭卡接，通過同軸電纜將信號接入Intellinova系統(tǒng)的振動測試模塊（INV80A），進行頻譜分析。②對DCS未設監(jiān)測的測點，加裝振動傳感器進行信號采集，電機兩端共加裝2個振動傳感器。設備振動信號采集示意圖如圖4所示。

圖4 設備振動信號在線采集示意

通過研究應用振動信號在線采集頻譜分析技術，實現(xiàn)了振動量及趨勢圖實時觀察，帶自動故障癥兆的頻譜分析，癥兆趨勢分析，比較譜圖，故障智能報警等功能，有效實現(xiàn)故障前期預警，確保實現(xiàn)設備狀態(tài)的早期預警，最大程度地避免事故停機與設備二次損傷，大幅降低維修時間與維修費用，避免了空壓機、氮壓機設備不必要的停機檢查，延長了設備連續(xù)運行周期，提高了氮氣保供能力。氮壓機癥兆趨勢分析圖、氮壓機帶自動故障癥兆的頻譜分析圖分別如圖5和圖6所示。從圖5中可以清晰看到設備振動位移值、轉子不平衡、軸承松動故障趨勢平穩(wěn)，表明設備運轉正常；圖6中可以看到故障頻率及其振動速度值，便于分析和比較故障部位及故障嚴重程度。

圖5 氮壓機癥兆趨勢分析

圖6 氮壓機帶自動故障癥兆的頻譜分析

2.2.2 壓縮機油路串聯(lián)工藝改進（以空壓機為例）

（1）油冷串聯(lián)原理。油冷器的熱傳導是實現(xiàn)從高溫向低溫處的熱能轉移過程,可用公式（1）表示。

式中Φ——導熱量

λ——壁的熱導率

F——表面積，m2

S——壁厚，mm

Δt——壁兩側的溫差，℃

由公式（1）可求出熱阻Rt=S/λF。可以看出，由于油冷長期使用導致水側管壁結垢，熱阻增大。油冷器由原來的2個并聯(lián)使用改為串聯(lián)組合逆流式換熱，串聯(lián)方式的應用使冷卻水流速提高，間接Δt加大，從而加強了熱傳導過程。采用油側、水側逆流式換熱也使換熱效率提高。

（2）改造實施。①拆除空壓機兩只油冷的部分管路及溫控器，去除回流管路，油冷改造前示意圖如圖7所示；②用不銹鋼管道進行預制，將預制好的管道再一次進行酸洗和沖洗；③將預制好的油管用法蘭進行連接，油冷改造后示意圖如圖8所示；④啟動輔助油泵檢查，管路應無滲漏油，并調(diào)整好供油壓力。

2.3 儀控系統(tǒng)設計改進空壓機防喘振控制技術

根據(jù)空壓機實際運行狀況，重新設計改進喘振控制，以機后出口流量和機后排氣壓力單參數(shù)調(diào)節(jié)其作用于高選擇器，控制放空閥FV1110，設計改進后的空壓機防喘振控制示意圖如圖9所示。

圖7 油冷改造前示意

圖8 油冷改造后示意

（1）壓機后出口流量形成過程值。喘振控制器的設定點SP是個固定值，SP由現(xiàn)場調(diào)試時設置。喘振控制器比較PV和SP，這兩者之間的差值便是控制器偏差（控制偏差=SP-PV）。負控制偏差（過程值大于設定點）導致輸出信號減小，Y→0%（放空閥FV 1110關閉）。正控制偏差（過程值小于設定點）導致輸出信號增大，Y→100%（放空閥FV 1110打開）。喘振控制器的輸出信號作用于“高選擇器3”。信號從這兒傳送給放空閥（FV1110）。喘振控制器在其自動狀態(tài)聯(lián)鎖。

（2）出口限壓控制器PIC 1110的功能。控制器的過程值PV指最后一級（PT 1110）的出口壓力。該控制器的設定點SP是固定值。將在調(diào)試時進行最終調(diào)節(jié)。限壓控制器PIC 1110比較設定點SP和過程值（PV）。這兩者之間的差值便是控制偏差（控制偏差=SP-PV）。控制器始終爭取將該控制偏差保持在零值。負控制偏差（過程值大于設定點）導致輸出信號增大，Y→100%（通過工藝的流量減小意味著放空閥FV 1110打開）。正控制偏差（過程值小于設定點）導致輸出信號減小，Y→0%（通過工藝的流量增大意味著放空閥FV 1110關閉）。限壓控制器PIC1110的輸出信號通過“高選擇器3”傳送給放空閥（FV 1110）。出口限壓控制器PIC 1110達到最大輸出信號（100%輸出信號對應100%開度）時，放空閥必須打開。

在試車和正常生產(chǎn)過程中，空分裝置工況的波動導致壓縮機的運行工況發(fā)生變化，改進后，防喘振控制有效地避免了機組進入喘振區(qū)，既保證了機組安全運行，同時也避免了因喘振或者過載引起的不必要停車，減少了大修次數(shù)，降低了維護成本，延長了壓縮機壽命，保障了工藝生產(chǎn)的連續(xù)性。近一年的生產(chǎn)運行實踐證明，該防喘控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強，具有一定的應用推廣價值。實際運行驗證，正常運行中空壓機放空閥常畢，使壓縮機加工空氣量較之前每小時增大了2600 m3，增加幅度達4.8%左右，達到設計加工空氣量和設計產(chǎn)能。

3 應用效果

（1）研究應用自潔式空氣過濾器工藝技術，使空壓機壓縮空氣量每小時增加了3000 m3，增加幅度達5.6%，氧氮氣產(chǎn)量增大，空壓機的效率明顯提高。

圖9 設計改進后的空壓機防喘振控制

（2）設計應用空分單體設備低壓氮氣外部加溫氣源工藝技術，實現(xiàn)了外部氣源與內(nèi)部氣源的互為備用切換使用，確保了單體設備及時加溫及異常情況下的制氧機系統(tǒng)迅速恢復。

（3）研究應用振動信號在線采集頻譜分析技術，可正確快速判斷故障類型，避免了設備不必要的停機檢查，延長了設備連續(xù)運行周期，提高了氮氣保供能力，降低了勞動強度。

（4）設計應用油冷串聯(lián)工藝，供油溫度明顯降低，油溫由改造前的58℃降至45℃，冬季需切除一只油冷，提高了空壓機運行的穩(wěn)定性。已獲得專利，一種壓縮機潤滑油冷卻系統(tǒng)，專利號201120426277.2。

（5）設計改進空壓機防喘振控制程技術，確保正常運行中空壓機放空閥常閉。