空分裝置低壓氧外送系統的優化及控制改造

劉志強，張砷釔，王利聰，許敏

空分裝置低壓氧外送系統的優化及控制改造

劉志強，張砷釔，王利聰，許敏

（河南龍宇煤化工有限公司，河南 永城 476600）

在大型的化工產業鏈中，空分裝置是產業鏈的源頭，所提供的各種氣體產品遍布于后續裝置，而產品的外送系統與控制系統稍有故障，便會影響后續裝置的運行，甚至出現整條產業鏈跳車的現象，如何保證產品的正常外送是生產裝置運行的重中之重。對空分裝置低壓氧氣外送及控制系統的優化改造進行了簡單的分析與總結。

空分；低壓氧；外送；控制系統；優化

河南龍宇煤化工有限公司共有空分裝置兩套，一套為一期年產50萬t甲醇裝置配套空分[1]，設備采用全進口，裝置生產力為53 000 m3·h-1氧及 81 000 m3·h-1氮，帶動后續的shell氣化爐裝置及甲醇、二甲醚裝置；一套為二期年產40萬t醋酸裝置配套空分，國產設備，58 000 m3·h-1氧及93 000 m3·h-1氮，帶動后續兩臺國產五環爐、氣體凈化、醋酸及乙二醇裝置。兩套空分裝置所提供的氧氣、氮氣、空氣等遍布于后續裝置，屬于下游裝置的大動脈，外送控制系統稍有故障便會影響后續裝置的運行，甚至出現跳車現象。2019年隨著本公司增加第二套乙二醇項目后，如何保證空分裝置低壓氧氣的正常外送，變成公司平穩生產運行的關鍵。

1 單套乙二醇裝置低壓氧系統缺點及改造

一期裝置始建于2004年，因此套系統未設計乙二醇裝置，所以此套空分無低壓氧系統，二期始建于2012年，2015年試車投產，二期空分的低壓氧系統設計為液氧自精餾塔上塔底部流出，經過兩臺CRYOSTAR低壓氧泵進行增壓后，與高壓板式換熱器的正流空氣進行換熱汽化，外送至乙二醇的酯化塔。兩臺CRYOSTAR變頻式低壓氧泵一開一備，其中單臺低壓氧泵的設計流量為7 200 m3·h-1，最高出口壓力為0.9 MPa，正常工作時，單臺低壓氧泵的出口流量控制在4 500 m3·h-1，低壓氧氣管網壓力控制在0.5 MPa，即可滿足公司的乙二醇裝置滿負荷運行。但因二期空分為國產設備，在實際的試車運行時，故障產生率較高，二期空分裝置檢修頻繁，無法保證低壓氧的正常產出和外送，導致乙二醇裝置無法正常生產，損失較大。為避免此類事件的發生，公司對氧氣系統進行了改造，在二期空分增加了高減低裝置，將高壓氧氣減壓成低壓氧氣進行外送，同時對一二期的高壓氧氣進行了連通，實現了一二期空分裝置的氧氣系統的互連互通，保證了低壓氧系統的正常外送。

2 兩套乙二醇裝置的低壓氧系統及缺點

因公司一二期正常運行時的富余合成氣較多，每年約富余20萬t合成氣，多年以來對公司造成了極大的經濟損失和浪費，為此2019年公司新增一套20萬t乙二醇裝置，并于2020年10月份開始試車運行。自此，二期空分低壓氧系統更改為供往兩個乙二醇裝置4臺酯化塔，兩套乙二醇系統共用一條低壓氧外送管線，低壓氧泵仍為一開一備，但低壓氧泵出口流量變為8 200 m3·h-1，管網壓力仍為 0.5 MPa，此時兩套乙二醇裝置都可達到90%以上的高負荷運行，有效地吸收和消耗了公司多余的合成氣。但在實際運行過程中發現，在原有一套乙二醇裝置時，不需要考慮乙二醇酯化塔跳車切氧的問題，但在兩套乙二醇系統共用一條低壓氧外送管線時，發現在新建乙二醇（以下稱乙二醇二廠）裝置試車跳車或原有乙二醇裝置（以下稱乙二醇一廠）生產系統發生故障跳車時，會因為跳車所在裝置的酯化塔切氧而造成低壓氧管網壓力迅速上升，瞬間到達乙二醇酯化塔氧壓高報跳車聯鎖，造成兩套乙二醇裝置同時跳車，產生較大的經濟損失，影響整個裝置的正常運行。

3 實際案例

2020年12月23日10:14乙二醇一廠因儀表氣壓力波動而跳車，乙二醇一廠兩臺酯化塔進行切氧，將近4 000 m3·h-1的低壓氧氣瞬間退至低壓氧管網內，造成管網壓力急劇上升，二期空分低壓氧外送外管網壓力報警，二期空分分離主操發現后迅速將低壓氧放空閥（FV01337B）打成手動狀態，并將其由10%開大至96%，但因放空閥（FV01337B）在空分低壓氧外送止回閥前，且低壓氧流量（FIC-01337A）未上漲未調節外送調節閥（FV01337A），低壓氧管網外送調節閥后管網無法進行泄壓，造成管網壓力（PI-37030）由0.50 MPa升至0.73 MPa，造成乙二醇二廠兩臺酯化塔觸發氧壓高聯鎖，導致乙二醇二廠聯鎖跳車。

2021年4月19日14:54乙二醇二廠酯化塔低壓氧緊急切斷閥因儀表氣管斷開而關閉[2]，造成乙二醇二廠跳車，酯化塔切氧，同樣低壓氧退回管網，管網壓力急劇上升，空分分離主操迅速將放空閥（FV01337B）打手動由17.7%開至95.7%，且低壓氧流量（FIC-01337A）未上漲未調節外送調節閥（FV01337A），管網壓力（PI-37030）由0.501 MPa升至0.711 MPa，造成乙二醇一廠兩臺酯化塔觸發氧壓高聯鎖跳車。

4 原因分析

目前公司低壓氧外送工藝路線如下圖1所示。一路為空分二期低壓氧泵出口的低壓氧，經過流量調節閥FV01337A、外送止回閥V01349和外送手閥V01348，供往乙二醇一廠和乙二醇二廠，同時在流量調節閥FV01337A前設計有流量調節閥FV01337B用于低壓氧放空；另一路為自一二期空分高壓氧氣管網來的高壓氧氣，經過壓力調節閥PIC-37019和前后手閥，減壓成低壓氧氣，與低壓氧氣外送手閥V01348后的管網進行合并，供往乙二醇一、二廠，PIC-37019高壓氧減低壓氧調節閥采用壓力控制，以后續管網壓力進行調節。空分外送調節閥（FV01337A）后到乙二醇之間管網上無放空，乙二醇二廠裝置區內氧氣總管上設計有放空閥，放空閥管徑DN40。在正常運行時，兩路低壓氧路線不同時使用，在空分二期正常運行時，低壓氧泵運行正常采用低壓氧泵進行外供，當二期空分停車檢修時，采用高壓氧氣管網的高壓氧進行節流減壓外供低壓氧。

圖1 低壓氧外送工藝路線簡圖

其中，調節閥（FV01337A）是以流量（FIC-01337A）為參照進行調節，FT01337流量點設計在SV01397安全閥前，屬于空分界內低壓氧氣外送管網；低壓氧管網壓力點PT01337設計在流量點FT01337前，放空閥（FV01337B）在外送調節閥FV01337A閥前，以外送調節閥（FV01337A）前壓力（PT01337）為參照進行自調。低壓氧外送和放空均在低壓氧外送止回閥前，只能調節內部管網壓力，而低壓氧外送止回閥后的外管網，因止回閥的存在而無法調節。在一套乙二醇裝置生產時，若乙二醇裝置跳車而酯化塔切氧，只需切斷低壓氧的外送，將低壓氧氣進行放空，低壓氧泵降低出口流量，打回流即可；當后續帶動兩套乙二醇裝置時，一套乙二醇酯化塔故障，低壓氧外送無法進行切斷，為保證另一套乙二醇裝置的正常運行，必須保持低壓氧的持續外送，關小外送閥，同時打開放空閥，降低外送流量，但因操作范圍小，時間短，間隔時間只有7～8 s，單純的調節放空閥（FV01337B）無法及時對止回閥后管網壓力進行調節，只要乙二醇一廠或乙二醇二廠的一臺酯化塔切氧都會造成兩套乙二醇裝置另外3臺酯化塔因氧壓升高而觸發氧壓高聯鎖跳車。

5 優化處理方法與實際應用

鑒于以上的情況分析，如需保證后續兩套乙二醇裝置的長周期運行，解決兩套乙二醇同時跳車的現象，則必須對此問題進行解決優化。此問題的根源在于低壓氧外送后管網的壓力無法及時進行泄 壓[3]。對于此問題，公司曾提出如下解決方法。

5.1 增加放空閥及放空消音器

在兩套乙二醇裝置前，即空分裝置低壓氧外送外管網上，低壓氧外送止回閥V01349后的管線上增加放空閥、放空消音器和壓力點，放空閥選用壓力調節閥，使用低壓氧外管網管線的壓力點進行自行調節[4]。當一套乙二醇裝置出現跳車，低壓氧管網壓力增高時可通過壓力點調節管網放空閥進行放空，從而降低至管網正常壓力[5]，保證另一套乙二醇的正常運行。但此法從設計、采購、到現場安裝等，時間較長，同時費用較為高昂，在裝置正常運行時安裝施工難度大，無法保證氧氣管線工藝交出和隔離；若等待停車檢修時，因一二期高壓氧氣的互連互通，必須將公司所有裝置進行停車檢修，才可施工。

5.2 取消止回閥

因無法及時對低壓氧后管網進行加裝放空閥，公司曾考慮取消止回閥V01349，使用放空閥（FV01337B）進行調節管網壓力。但當外送止回閥取消時，若一套乙二醇裝置出現跳車，整個低壓氧氣管網壓力增高，容易造成低壓氧泵汽蝕、不打量，甚至出現低壓氧跳泵等風險，從而影響整個低壓氧氣系統，不僅無法保障另一臺乙二醇的運行，更是影響整個二期空分裝置的正常運行[6]，為此此法無法采用。

5.3 更換止回閥位置或現有放空位置

因取消V01349止回閥此法不可取，公司提出更換止回閥位置或現有放空位置，將止回閥更換至FV01337A外送調節閥前，或將放空閥FV01337B安裝至止回閥后[7]，但因影響空分裝置界區內的低壓氧系統，無法保證低壓氧系統的正常運行，同時施工條件困難，施工條件苛刻，亦未采取。

5.4 修改FV01337A外送閥控制邏輯

因上述方法均無法實現，為優化此問題，保證兩臺乙二醇裝置的正常運行，減少跳車事件，公司提出修改自控閥門的控制邏輯，經過分析，參照高壓氧減低壓氧外送調節方法進行嘗試，將空分低壓氧外送調節閥（FV01337A）以原來的流量（FIC-01337A）為參照改為以后續管網壓力（PI-37030）為參照進行調節，低壓氧放空閥（FV01337B）以外送調節閥（FV01337A）前壓力（PT01337）為參照閥門投自動進行自調，修改后的閥門邏輯及外送工藝流程如圖2所示。

圖2 修改閥門邏輯后的工藝路線簡圖

同時，采用相應的操作方法：當乙二醇酯化塔故障切氧后空分中控分離主操發現管網壓力（PI-37030）上升及時關外送調節閥（FV01337A），分離副操根據外送調節閥（FV01337A）前壓力（PT01337）開放空閥（FV01337B）調節氧壓，開關閥門時注意氧壓和氧泵電流，防止氧泵汽蝕不打量。同時此優化改造方法實施簡單，運行過程中即可更改[8]，中控畫面在后期停車后進行更改即可，投資成本低，還省時省力，現場施工亦方便。

5.5 閥門控制邏輯修改后運行情況

2021年4月29日19:34，乙二醇一廠因晃電而跳車，兩臺酯化塔迅速切氧，將近4 000 m3·h-1氧退回至低壓氧管網，低壓氧管網壓力（PI-37030）急劇上升，二期空分分離主操發現后根據管網壓力[9]（PI-37030）迅速將外送調節閥（FV01337A）由51%關至37%，空分分離副操根據外送調節閥（FV01337A）前壓力（PT01337）將放空閥（FV01337B）由45.7%開至96.3%，低壓氧管網壓力（PI-37030）由0.499 MPa最高升至0.539 MPa，未達到乙二醇酯化塔氧壓高聯鎖值0.65 MPa，避免了乙二醇二廠因酯化塔觸發氧壓高聯鎖而跳車[10]，確保了乙二醇二廠的穩定運行，從而解決了因一套乙二醇跳車而導致另一套乙二醇跳車的現象。

6 結 論

空分裝置的產品外送，是影響整條工藝產線平穩運行的關鍵，必須保障空分裝置的每條產品外送管線的正常運行，才能保證整個公司的生產裝置的平穩。隨著企業的產業鏈的不斷延長，發展不斷的壯大，不僅原有的工藝設計及參數將不適用于現有的生產狀態，閥門控制邏輯也必須對其進行不斷的優化和改造，從而保證裝置產品的正常外送和控制。通過簡單地修改閥門控制邏輯，即解決了任何一臺酯化塔切氧另外的酯化塔因氧壓高而觸發氧壓高聯鎖跳車的問題，不僅保證了乙二醇裝置的穩定運行，也優化了空分的工況，提高了操作人員的技術水平，為公司節約了開停車費用，創造了經濟效益。

［1］王利聰，張砷釔.油煙風機工藝系統改造在大型油站中的應用[J].遼寧化工，2020，49（8）：985-987.

［2］陳琳軒. 82 000 Nm3/h空分裝置節能降耗管理措施探討[J].化工管理，2021（21）：9-10.

［3］張小雙，姚雅諾.空分裝置工藝路線選擇及設備選型[J].化工管理，2021（21）：107-108.

［4］王海.淺析某空分裝置布置及管道設計[J].山東化工，2019，48（10）：165-166.

［5］楊保宏.化工企業空氣分離裝置工藝流程選擇探究[J].現代鹽化工，2021，48（3）：41-42.

［6］朱玉芹.69 000 Nm3·h-1空分裝置變負荷對系統的影響[J].遼寧化工，2020，49（9）：1108-1110.

［7］范浩建.空分設備布置研究[J].科技創新與應用，2021，11（16）：124-126.

［8］王志武，張兆鈺，胡超.大型空分裝置的工藝選擇和運行分析[J].氮肥與合成氣，2020，48（1）：30-32．

［9］袁志勇，王憧華.空分行業典型電控回路及DCS的改進和優化[J].冶金動力，2018（3）：65-70.

［10］龐睿.大型多系列裝置間工藝大聯鎖的方案確定[J].石油化工自動化，2020，56（4）：27-29.

Optimization and Control Transformation of Low Pressure Oxygen Delivery System in Air Separation Unit

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（Henan Longyu Coal Chemical Co., Ltd., Yongcheng Henan 476600, China）

In the large-scale chemical industry chain, the air separation unit is the source of the industry chain, and all kinds of gas products provided are distributed in the follow-up units. The slight failure of the product delivery system and control system will affect the operation of the follow-up units, and even the tripping of the whole industry chain. How to ensure the normal delivery of products is the top priority of the operation of the production units. In this paper, the optimization transformation of low-pressure oxygen delivery and control system of air separation unit were briefly analyzed and summarized.

Air separation; Low pressure oxygen; Delivery; Control system; Optimization

2021-08-18

劉志強（1991-），男，河南省舞鋼市人，助理工程師，2015年畢業于永城職業學院應用化工專業，研究方向：大型空分裝置工藝技術。

王利聰（1989-），男，工程師，研究方向：化工機械。

TQ022.11+3

A

1004-0935（2022）03-0354-04