20 000 m3/h內壓縮流程空分設備主換熱器操作方法改進

周金城

(馬鞍山鋼鐵股份有限公司 氣體銷售分公司，安徽 馬鞍山　243000)

0　引　言

主換熱器是空分設備重要換熱單元設備。主換熱器通過正流空氣與返流流體熱量交換，將返流流體冷量回收復熱至常溫，同時將正流空氣冷卻至低溫精餾溫度。因氧氣內壓縮與外壓縮流程空分設備的主換熱器流程差異較大，內壓縮流程空分設備主換熱器操作方法與傳統的外壓縮流程空分設備主換熱器操作方法有所不同。

馬鞍山鋼鐵股份有限公司(以下簡稱：馬鋼)20 000 m3/h空分設備由杭氧設計制造。該套空分設備采用分子篩吸附器吸附凈化、空氣循環增壓、膨脹空氣進下塔、液氧內壓縮、全精餾制氬流程。20 000 m3/h內壓縮流程空分設備主換熱器正流空氣為低壓空氣、中壓增壓膨脹空氣、高壓空氣，返流流體為污氮氣、氮氣、液氧。

馬鋼20 000 m3/h空分設備自2004年投產，針對20 000 m3/h內壓縮流程空分設備主換熱器在開車中存在影響設備開車安全問題，通過對主換熱器操作方法進行有效改進，保證空分設備冷開車、熱開車、冷備用狀態啟動安全。

1　冷開車

1.1　存在問題與原因分析

1.1.1主換熱器中部溫度低、增壓膨脹空氣通道壓力高

20 000 m3/h空分設備因故障跳車、檢修停機等原因，經短時間停機后，在20 000 m3/h空分設備冷開車過程中，向主換熱器熱端導入低壓空氣、高壓空氣或啟動增壓透平膨脹機時，主換熱器增壓膨脹空氣通道壓力大于2.9 MPa高報警值、中部溫度小于-133℃低聯鎖值，增壓膨脹空氣通道安全閥啟跳，膨脹機因進氣溫度降至聯鎖值自動停機。

空分設備處于停機狀態，主換熱器增壓膨脹空氣通道內殘存2.3 MPa、-127℃正流增壓膨脹空氣與返流氧氣通道內殘存2.4 MPa、-180℃液氧換熱，主換熱器內封閉的增壓膨脹空氣通道中增壓膨脹空氣溫度降至液化溫度，增壓膨脹空氣液化。在向主換熱器導入正流低壓空氣、高壓空氣或啟動膨脹機時，主換熱器增壓膨脹空氣通道內已液化的增壓膨脹空氣吸收熱量氣化、升壓，造成主換熱器增壓膨脹空氣通道壓力高，安全閥啟跳。

因已液化的增壓膨脹空氣壓力小于其臨界壓力，增壓膨脹空氣通道中液空在吸收氣化潛熱氣化過程中，增壓膨脹空氣溫度升幅小，造成主換熱器中部增壓膨脹空氣溫度低，已啟動的膨脹機因進氣溫度降至聯鎖值，膨脹機自動停機。

1.1.2主換熱器熱端返流污氮氣、氮氣溫度低

在20 000 m3/h空分設備冷開車過程中，先向主換熱器熱端導入低壓空氣時，上塔壓力升至安全閥啟跳值。在增大主換熱器熱端返流污氮氣、氮氣流量，降低上塔壓力時，主換熱器熱端返流污氮氣、氮氣溫度<-25℃，冷箱外污氮氣、氮氣常溫碳鋼管道結霜易發生冷脆凍裂。

因低壓空氣出主換熱器冷端溫度較高，在先導入主換熱器的低壓空氣進入下塔時，主冷液體蒸發量大，上塔壓力高。為此，增大主換熱器熱端返流污氮氣、氮氣流量，降低上塔壓力。在主換熱器中，先導入的低焓值正流低壓空氣使主換熱器熱負荷低，未能將主換熱器熱端返流污氮氣、氮氣溫度復熱至>0℃。

為不使冷箱外污氮氣、氮氣常溫碳鋼管道低溫冷脆凍裂，減小主換熱器熱端返流污氮氣、氮氣流量，使主換熱器熱端返流污氮氣、氮氣溫度升高，造成上塔壓力升至安全閥啟跳值，上塔安全閥啟跳，危及設備安全。

1.2　操作方法改進及效果

在空分設備處于停機狀態時，開啟中壓液氧泵出口管道中排液閥，將主換熱器返流氧氣通道內殘存液氧排盡。同時，開啟主換熱器增壓膨脹空氣通道出口調節閥V41、V32與膨脹機進氣管道吹除閥，將主換熱器增壓膨脹空氣通道內殘存增壓膨脹空氣全部排放。以此，在空分設備停機時，避免主換熱器中殘存返流液氧與殘存正流增壓膨脹空氣換熱，增壓膨脹空氣液化。在空分設備開車時，不使主換熱器中部增壓膨脹空氣溫度低、壓力高。

同時，在20 000 m3/h空分設備冷開車，向主換熱器熱端導入正流空氣時，改變主換熱器熱端正流低壓空氣、增壓膨脹空氣、高壓空氣導氣順序。即先向主換熱器導入高壓空氣，而后啟動增壓透平膨脹機將增壓膨脹空氣引入主換熱器，最后向主換熱器導入低壓空氣。

先向主換熱器導入正流高壓空氣與返流污氮氣、氮氣換熱，因高壓空氣壓力高、焓值高，使主換熱器熱負荷高，高壓空氣將主換熱器熱端返流污氮氣、氮氣溫度復熱至大于0℃，保證常溫碳鋼管道運行安全。而后啟動增壓透平膨脹機，將正流增壓膨脹空氣從主換熱器中部抽取，提高主換熱器熱端返流污氮氣、氮氣溫度。最后向主換熱器引入低壓空氣，減小主換熱器熱端溫差。

通過對20 000 m3/h空分設備冷開車主換熱器操作方法改進，效果較好。在主換熱器正流空氣導氣過程中，主換熱器增壓膨脹空氣通道壓力不大于2.4 MPa、中部溫度不小于-127℃，膨脹機啟動穩定。同時，主換熱器熱端返流污氮氣、氮氣溫度不小于10℃，上塔壓力不大于45 kPa，空分設備冷開車安全。

2　熱開車

2.1　存在問題與原因分析

在20 000 m3/h空分設備熱開車冷卻積液階段，隨著進入主換熱器冷端返流氣體溫度逐步降低，主換熱器熱端返流污氮氣、氮氣通道內氣體溫度與主換熱器中部增壓膨脹空氣溫度同步逐步降低，主換熱器熱端溫差增大，主換熱器熱交換不完全冷損增大。同時，在空分設備熱開車積液階段后期，主換熱器中部增壓膨脹空氣溫度降至-130℃，為避免膨脹機進氣溫度降至聯鎖值，膨脹機自動停機，將已達到額定膨脹量運行的膨脹機進行減量，造成膨脹機制冷量降低，空分設備熱開車冷卻積液時間不小于33 h。2005年5月7日，20 000 m3/h空分設備熱開車冷卻積液階段主換熱器運行參數對比見表1。

表1　20 000 m3/h空分設備冷卻積液階段主換熱器運行參數對比Table 1　20 000 m3/h air separation unit cooling fluid stage main heat exchanger operating parameters comparison

對比分析20 000 m3/h空分設備熱開車冷卻積液階段主換熱器運行參數，在空分設備熱開車冷卻積液階段，因中壓液氧泵未能啟動運行，主換熱器內無返流氧氣，故主換熱器內正流高壓空氣未能導入。在主換熱器中，僅為焓值較低的正流低壓空氣、增壓膨脹空氣與返流污氮氣、氮氣通道內氣體換熱，造成主換熱器熱負荷低。低壓空氣與增壓膨脹空氣未能將主換熱器冷端逐步降溫返流氣體在主換熱器熱端復熱至正常運行值，主換熱器熱端返流氣體溫度與中部增壓膨脹空氣溫度逐步降低，使主換熱器熱端溫差增大，膨脹機在積液階段后期減量運行。20 000 m3/h空分設備熱開車處于低制冷量、高冷損狀態，冷卻積液時間長。

2.2　操作方法改進及效果

在空分設備熱開車冷卻積液階段，中壓液氧泵未啟動前，根據主換熱器中部增壓膨脹空氣溫度與主換熱器冷端高壓空氣溫度變化，提前將高壓力、高焓值的高壓空氣導入主換熱器，提高主換熱器熱負荷。以此，提高主換熱器熱端返流氣體溫度，使主換熱器中部溫度穩定。

表2　主換熱器操作方法改進后冷卻積液階段主換熱器運行參數對比Table 2　Main heat exchanger operation method improved cooling liquid phase main heat exchanger operating parameters comparison

同時，根據主換熱器熱端溫差，調節主換熱器正流低壓空氣流量，減小主換熱器熱交換不完全冷損。根據主換熱器中部溫度，調節正流增壓膨脹空氣流量，使膨脹機處于額定膨脹量狀態運行。

在空分設備熱開車冷卻積液階段，通過對主換熱器高壓空氣、增壓膨脹空氣、低壓空氣操作方法改進，效果明顯。20 000 m3/h空分設備熱開車處于高制冷量、低冷損狀態，冷卻積液時間不大于27h。2010年3月3日，20 000 m3/h空分設備主換熱器操作方法改進后冷卻積液階段主換熱器運行參數對比見表2。

3　冷備用狀態啟動

3.1　存在問題與原因分析

20 000 m3/h空分設備冷備用狀態啟動，先采用空分設備熱開車主換熱器操作方法，在先向主換熱器導入正流低壓空氣時，主換熱器熱端返流污氮氣、氮氣溫度<-30℃，危及冷箱外常溫碳鋼管道安全。而后采用空分設備冷開車主換熱器操作方法，改為先向主換熱器引入高壓空氣時，主換熱器冷端高壓空氣溫度高、流量低，主換熱器熱端返流污氮氣、氮氣溫度<-10℃，下塔壓力升至高報警值。

空分設備處于冷備用狀態，因空分設備冷箱跑冷損失，主換熱器溫度復升高。主冷液位與下塔塔釜液空液位雖持續降低，主塔未復溫，仍處于低溫狀態。

先向主換熱器導入低壓空氣，低壓力、低焓值正流低壓空氣在主換熱器中與從上塔抽取返流低溫污氮氣、氮氣換熱，使主換熱器熱負荷低，正流低壓空氣未能將主換熱器熱端返流污氮氣、氮氣復熱至不小于0℃。

改為先向主換熱器導入正流高壓空氣時，因主換熱器溫度復升高，主換熱器熱端導入的高壓空氣與從主換熱器冷端抽取的高壓空氣之間溫差小、壓差低，使通過主換熱器正流高壓空氣流量低，主換熱器熱負荷低，造成低流量的高壓空氣在主換熱器內未能將返流污氮氣、氮氣復熱至大于0℃。

同時，因主換熱器熱負荷低，主換熱器冷端高壓空氣溫度高，高壓空氣經高壓節流閥節流降壓降溫效果不佳，高壓空氣進入下塔，造成下塔塔釜殘存液空蒸發量大，下塔壓力升至高報警值。

3.2　操作方法改進及效果

空分設備冷備用狀態啟動，改變主換熱器中正流低壓空氣、增壓膨脹空氣、高壓空氣導氣順序。先啟動增壓透平膨脹機，先將中壓增壓膨脹空氣引入主換熱器。而后將高壓空氣導入主換熱器，最后將低壓空氣引入主換熱器。

先啟動增壓透平膨脹機，將中壓增壓膨脹空氣引入主換熱器，通過膨脹機等熵膨脹制冷，使主換熱器中部增壓空氣溫度逐步降低。因增壓膨脹空氣經膨脹機等熵膨脹降壓降溫效果明顯，使進入下塔膨脹空氣溫度低、壓力低，主冷蒸發側液體蒸發量少，上塔壓力升幅小，從上塔抽取進入主換熱器冷端返流污氮氣、氮氣流量低。正流中壓增壓膨脹空氣在主換熱器熱端可將低流量返流污氮氣、氮氣復熱至>0℃。

在主換熱器中部增壓膨脹空氣溫度降至-120℃時，向主換熱器導入正流高壓空氣，提高主換熱器熱端溫度，調節主換熱器中部增壓膨脹空氣溫度。最后，根據主換熱器熱端溫差，向主換熱器導入低壓空氣。

20 000 m3/h空分設備冷備用狀態啟動，將主換熱器中三股正流空氣導氣順序改變后，效果顯著。在主換熱器正流空氣導氣過程中，主換熱器熱端返流污氮氣、氮氣溫度均不小于6℃，上塔與下塔壓力均未升至高報警值。

4　結　語

隨著空分設備技術不斷發展，工藝流程創新，必須對空分設備采取相應的行之有效操作方法。根據內壓縮流程空分設備主換熱器工藝流程特點，對20 000 m3/h空分設備主換熱器操作方法進行針對性改進，有效保證空分設備開車安全穩定。