空分裝置氧氣產品流量波動原因分析與處理

楊 超，施金素

(寧波鎮海煉化林德氣體有限公司，浙江 寧波 315200)

1 前 言

寧波鎮海煉化林德氣體有限公司2#空分裝置于2010年建成投產，為100 萬t乙烯項目中的EO/EG項目配套，設計氧氣產能35 000 Nm3/h，氧氣產品壓力3.0 MPa，4.8 MPa高壓氮氣產能22 000 Nm3/h，0.8 MPa低壓氮氣產能30 000 Nm3/h，液氧產能2000 Nm3/h，液氮產能1000 Nm3/h，液氬產能1200 Nm3/h。采用杭氧成套設備，工藝流程采用空分裝置與后備系統組合方式：空分液氧的內壓縮泵與后備系統液氧輸送泵共用，液氧從空分主冷取出后進入液氧儲罐，經過設置在后備系統的液氧泵壓縮后分兩路流程，正常生產時一路返回空分板式換熱器復熱后作為空分氧氣產品送出；另一路進入后備系統氣化器氣化后，并入氧氣管網，此流程僅在空分主裝置異常時投用，如圖1所示。

圖1 氧氣后備系統流程示意圖

2 氧氣產品流量波動情況

2.1 氧氣小幅度波動情況

2010年裝置投產后，在第一個運行周期內，未發生明顯的氧氣流量波動現象，在2014年對裝置進行一次大修后，供應給客戶的氧氣產品流量經常會出現波動，表現為氧氣流量快速下降10%左右，期間伴隨壓力波動，每天1～2次，持續2～3個月，通常不用操作人員進行干預，工況會在3 min內恢復正常。若工況未快速恢復，氧氣流量波動下降低至流量設定值，放空閥自動打開，使波動加劇，需立即手動關閉放空閥，觀察壓力恢復情況，如壓力快速恢復，則不需要繼續調整，否則，打開泵回流閥排氣并提高轉速。長期波動情況如圖2所示。

圖2 2015年2月12日至2015年5月26日氧氣波動情況

以2019年11月26日7：20氧氣流量波動為例，在操作人員沒有相關操作的情況下，板式通道氧氣流量FIC50102從28 000 Nm3/h降至24 565 Nm3/h，液氧泵P-501A電流II50601A從89.4 A上升至91.1 A，氧泵出口壓力PIC50603A及管網壓力PI50106、PI50102下降約15 kPa，隨后工況自動恢復正常，整個過程持續2 min，如圖3所示。

圖3 氧氣流量小幅度波動情況

2.2 氧氣大幅度波動情況

2019年12月9日、11日、12日，相繼出現3次較大的波動，氧氣流量下跌幅度達30%，壓力波動也比較大，下降30 kPa，嚴重影響下游裝置平穩運行，期間于17日將氧泵切換運行后，波動頻次和波動幅度無明顯改善，23日大幅度波動再次發生，24日上午波動的頻次和幅度明顯加強，按照前期制定的排查方案對后備系統管路進行排查，排查過程中關閉后備系統手動閥V50617，之后48 h內未發生波動，如圖4。其中23日波動的參數變化情況如圖5。2019年12月23日8:36氧氣流量大幅度波動，氧氣流量快速下降10 000 Nm3/h，跌幅達35%，與前期小幅度波動有區別的現象是后備系統氧氣壓力、溫度明顯上升。

圖4 后備系統手動閥關閉前后氧氣波動情況

圖5 2019年12月23日氧氣流量大幅度波動

3 可能原因分析

氧氣流量頻繁波動的共性表現為外供氧氣流量下降、泵出口壓力及外供壓力下降，泵電流上升，基本上不用人工干預，很快會恢復正常。本裝置設置有兩臺液氧泵，位號為P-501A/B，一開一惰轉備用，液氧泵切換運行后均出現相同現象。根據以上現象分析可能的原因有：

1. 電網電壓欠壓；

2. 液氧排放等原因導致實際進入管網的氣量減少造成波動；

3. 液氧泵氣蝕；

4. 后備系統氣化管路影響，因某種原因引起流程發生變化導致間歇性打通兩路供氧通道。

4 排查及處理過程

根據每次波動的參數趨勢分析，排查時先確認各參數測量準確，泵出口壓力、氧氣管網壓力、客戶氧氣壓力同時下降表明壓力下降是真實發生；氧氣外送流量及客戶流量指示同時發生波動，表明氧氣流量確實發生波動；電流的變化情況無其他參數直接進行驗證。根據可能的原因對現場逐一排查，按照先驗證電流變化情況，其次分析液氧排放及泵運行狀態，最后分析后備系統氣化管線影響的次序進行。

4.1 電壓欠壓

4.1.1電網波動

2018年10月曾發生過一次因電網波動導致氧氣流量波動的情況，平常同線路上其它高壓電機啟動時也有小幅度波動，經排查液氧泵的變頻器負載率較高，容易因為電壓波動造成打量波動。近期氧氣流量波動時電氣后臺監控未記錄到電壓波動，且液氮泵、液氬泵等低溫泵未出現波動，且長期以來每次波動都只發生在氧泵，可排除電網波動影響。

4.1.2液氧泵變頻器輸出模塊故障

液氧泵變頻器輸出模塊無故障報警，可排除。

4.1.3電流顯示誤差存在干擾

經排查變頻器輸出信號與DCS顯示值誤差在正常范圍內，電流與壓力、流量同步波動，可排除干擾。

4.2 液氧排放或返罐

根據分析，如果流程出現液體排放或者泵出口返回液體罐閥門開度出現波動的情況，會發生氧氣流量波動現象，針對此分析進行了如下的排查。

4.2.1液氧排放

核對工藝流程，現場逐一檢查液氧泵進、出口安全閥；液氧泵入口、出口排放閥；液氧管線安全閥、排放閥；氧氣管線安全閥等。皆未見結霜現象，可排除液氧排放導致波動的可能。

4.2.2液氧返罐

正常生產時液氧泵返罐回流閥處于自動控制全關狀態，閥門回訊有1.5%波動，在-3.5%～-5%，現場回流閥檢查未見明顯抖動，且每次氧氣產品流量波動時，液氧儲罐壓力未見波動?？梢耘懦貉鯊谋贸隹诨亓鏖y返罐的可能。

4.3 液氧泵氣蝕

4.3.1液氧過冷度不足

液氧泵入口、出口管線及回流管線未見嚴重的大面積結霜現象，與公司其它空分裝置液氧泵相比管線彎頭未見明顯增加，液氧儲罐溫度長期維持在-180℃左右的穩定狀態。為了進一步驗證影響情況，2019年11月27日至12月16日液氧進儲罐溫度從-180.86℃逐漸降至-182.6℃，調節過冷度，氧氣波動情況未見好轉。排除因管線跑冷，入口管線彎頭過多，液氧過冷度不足造成閃蒸量大，泵入口帶氣導致泵氣蝕，最終影響氧氣產品流量波動的可能性。

4.3.2泵入口濾網堵塞

2018年大修安排拆清氧泵P-501B入口過濾器，未見明顯雜質，此影響因素排除。

4.3.3加溫解凍氣進入泵內

液氧泵P-501A/B加溫解凍氣進泵箱前流程設置為兩切一排方式，現場確認切斷閥關閉，閥間排放閥處于打開狀態，且無氣排出，排除加溫解凍氣跑入泵內的可能性。

4.3.4迷宮密封磨損

分析密封氣進入泵的可能性：兩臺液氧泵P-501A/B密封氣壓差保持穩定，分析排查過程中將密封氣壓力從0.82 MPa降至0.67 MPa。調整P-501B密封氣壓差從29 kPa降至21 kPa，監測密封氣排放口氧含量從0%升至6%，氧氣波動情況未見好轉。2018年大修更換過液氧泵P-501B的迷宮密封組件，可排除迷宮密封磨損，密封氣的氮氣跑入泵中導致泵氣蝕的可能性。

4.3.5泵帶氣

液氧泵其他未識別出的原因導致泵內帶氣，泵P-501A/B回流閥從全關開至3.3%進行排氣，無效果。2019年12月17日切換至P-501B運行，仍有波動，P-501B回流閥開至3%排氣，無改善。在液氧泵回流閥小開度排氣工況下，12月23日、24日氧氣流量再次出現大幅度波動，可排除泵內帶氣的可能性。

4.4 后備系統氣化管線影響

4.4.1后備系統管線存在氣氧

參考其它專利商類似的工藝流程在設計上的差別，在同樣采用空分裝置與后備系統組合共用液氧泵的工藝流程情況下，有的專利商在后備系統管線進氣化器前設置有液氧返罐排氣線，如圖6所示，其作用是：

圖6 帶排氣管線的氧氣后備系統流程示意圖

1. 保證后備系統進氣化器前管線為液相，后備系統啟動過程穩定，對管網沖擊小；

2. 保證后備系統進氣化器前這段管線內液氧一直處于流動狀態，防止因液氧蒸發導致烴積聚。

本裝置后備系統管線無排氣線，后備系統長期不投用，后備流程從氧泵出口至HV71701，長度大于20 m且管線經兩個彎頭一直是朝上走的趨勢，最高點和最低點的落差有4 m左右，隨著時間推移，外界熱量和氣化器內熱量通過管線傳熱導致V50617至HV71701之間的管線內部分液氧逐漸氣化，氣相聚集在管線高處，在既無法倒流，后路也不暢通的情況下最后會達到一個相對平衡點，兩相平衡點對壓力、溫度反應敏感，稍有變化就會引起部分氧在液相和氣相間轉換，當氣氧液化為液氧時，體積減少700倍，少量的液氧進入后備系統管線，正路板式通道流體被分流引起板式氧氣通道流量降低，壓力下降，而總的液氧量略有增加，泵電流上升，與氧氣小幅度波動時各參數變化一致，很快會達到一個新的平衡狀態，即小幅度波動后在3 min內即可恢復正常。

因此可以確定：由于后備系統存在一段超過20 m的不流動管線，因熱量平衡，部分氧介質處于不穩定的兩相狀態，當氣相向液相轉化時，會引起氧氣產品流量小幅度下跌的波動。

4.4.2后備系統自動閥故障

2019年12月24日按照排查方案準備稍開后備系統自動閥進行排氣，操作時發現自動閥定位器故障，閥門開關不受控制，閥門有抖動現象，為了驗證閥門實際情況，之后在現場臨時安裝了監控進行錄像，也捕捉到了閥門有波動的現象。結合流程特點進行分析：從液氧泵出來的液氧，通過后備系統，相比于正常生產時氧氣走換熱器復熱流程距離近、管線阻力減小，當自動閥HV71701波動打開時，部分液氧不穩定地通過汽化器復熱后送入管網，此時引起管網流量和壓力波動，閥門的波動狀態無規律會引起波動幅度加劇，當氧氣流量波動低至放空閥設定值時，放空閥自動打開，進一步加劇波動，影響下游用戶。

因此，當后備系統自動閥HV71701故障后，閥門開度不受控，裝置原來就存在的氧氣產品小幅度波動工況變得不可控，波動幅度明顯增加。在確認原因后，及時交出更換HV71701定位器，之后氧氣產品流量恢復穩定供應。

4.4.3氣化器水溫高

液氧后備系統氣化器加熱蒸汽閥內漏，氣化器水溫長期偏高，處于沸騰狀態。對自HV71701前的液氧傳熱較多。雖然不是直接導致氧氣流量波動的原因，但傳熱多加劇波動的幅度和波動發生的頻次。

綜合以上分析，2019年12月9日至12月24日，先后連續出現的5次氧氣產品流量大幅度波動，原因為后備系統自動閥HV71701故障打開，后備管線中的液氧及氣氧擾動，后備管線阻力小，較多的液氧進入氣化器，正路板式通道流體被分流引起板式氧氣通道流量降低。

5 后續措施

5.1 改善HV71701使用環境并加強維護

HV71701位于氣化器頂部，由于氣化器蒸汽閥門內漏，氣化器內溫度常年處于100℃的沸騰狀態，熱蒸氣不斷蒸發，周圍環境較差，閥門振動大，影響儀表元件使用壽命，擇機安排更換蒸氣閥門改善氣化器工況并定期檢查HV71701運行情況。

5.2 定期運行后備系統

由于原始流程設計關系，后期在后備管線增加回流管線的施工風險較高，除每次停工開車時后備系統需流程打通運行一次外，可以定期適當打開HV71701，打通后備流程，將聚集的氣相排走，盡量使管線內保持液體充滿狀態。

6 結 論

通過分析，裝置氧氣產品小流量的波動是因為后備系統存在介質不流動區域所致，當后備系統自動閥HV71701故障時，存在裝置主流程和后備系統同時運行的情況，引起氧氣產品流量大幅度波動，在分析清楚原因并落實措施后，至今裝置已運行了一年多時間，未出現明顯波動現象，說明對波動的原因分析以及采取的處理措施是正確有效的。