VPSA 制氧設備的檢修體系化管理和優化

高 博，辛庚嘉

（陽谷祥光銅業有限公司，山東聊城 252300）

0 引言

變壓吸附制氧工藝（VPSA）具有啟動快、能耗低、操作簡單、負荷運轉調整范圍大及維修簡單等特點，目前已經廣泛應用于有色金屬冶煉、黑色金屬冶煉、化工造氣、富氧燃燒、醫療、污水處理、紙漿漂白、碳黑生產、醫用保健等領域。以其在減少占地面積、節省總體投資、降低成本、節約能耗的獨特優勢幫助企業生存發展。

2011 年7 月，祥光銅業制氧車間引進了4 套VPSA 系統，其設備主體包括鼓風機、真空泵（含電機、減速機）、液壓泵站、程控執行機構、管道氧氣增壓機、循環水水泵等。

在實際運行中，VPSA 系統存在一些問題，如電耗值大、程控閥故障率高等，無法滿足工藝需求。如此大規模的VPSA 變壓吸附系統在國內的制氧設備中尚屬首例，而在國內的變壓吸附空分設備系統中，都存在著能耗較高的情況。進一步優化設備組合配置，并通過有效的設備維護和改進，減少設備故障率，提增系統產能，對VPSA 系統深層次節能降耗，設備常態化生產運行有著重大意義。針對VPSA 變壓吸附系統中機械設備的優化展開研究，通過優化設備選型，設備常態化維護等諸多方面進行剖析，改善設備單位耗能，使設備持續平穩運行。

1 VPSA 主要機械設備類別及功用

1.1 類別及功用

VPSA 制氧系統主要包括鼓風機、真空泵、切換閥、吸附器和氧氣平衡罐。

（1）鼓風機：鼓風機在風口處裝有管道，使風力集中，持續提供一定的供氣壓力，為制氧提供條件。鼓風機為整個系統提供原料空氣，根據變壓吸附制氧設備的設計工況，結合用戶的使用條件，選擇排氣壓力符合設計條件的鼓風機供氣。

（2）真空泵：其工作時需要前級循環水泵的配合，可以在較大的壓力范圍內有較大的抽速，對氧氣中含有的灰塵和水蒸氣不敏感。通過水環式泵體的真空度調整，結合泵的連續旋轉，以保持真空。真空泵保證吸附系統正常解析，使其處于理想真空狀態，與鼓風配合，使整體設備能完成連續吸氮產氧工作。

（3）切換閥：為安裝在儲冷氣熱端的氣動開關閥。該裝置可以有效避免低壓裝置的損壞，可以滿足高低壓測試需要。

（4）吸附器：該系統由2 只內裝沸石分子篩吸附劑的吸附塔和管道閥門等組成。工藝空氣從其中一只吸附塔底部進入，當流經吸附劑層時，空氣中的氮氣、二氧化碳、水蒸汽等被吸附，氧氣則通過吸附床層匯集到吸附塔頂部作為產品氣輸出。與此同時，另一只吸附塔處于再生工況，當進行吸附的吸附塔快達到吸附飽和時，在控制系統的干預下，工藝空氣轉而進到已完成再生的吸附塔開始吸附產氧。2 只吸附塔如此交替輪流實現連續生產氧氣的目的。

（5）氧氣平衡罐：由于兩塔流程的VPSA 制氧工藝與三塔流程相比，其產品氧氣輸出不連續，因而需要1 臺體積較大的緩沖罐，以滿足連續輸出氧氣。

1.2 關鍵設備運行分析

VPSA 真空變壓吸附制氧設備主要為：鼓風機系統、真空泵系統、儀表氣系統、氧氮分離系統、氧氣平衡系統、氧氣增壓系統以及電氣控制系統。鼓風機系統在運行時不可避免地產生較大振動，為了降低振動對后續設備的影響，也為了降低振動產生的噪聲，在鼓風機的進出口要安裝配對的彈性接頭以及波紋管接頭。真空泵系統包括真空泵主體及配套電機、旁路氣動切換蝶閥及手動蝶閥、波紋管接頭及密封軟化水裝置等，它的存在是為了在負壓真空狀態下有更好的解吸再生效果。儀表氣在自動控制切換過程中，氣動蝶閥和氣動調節蝶閥需要0.5～0.8 MPa 的儀表氣源作為氣缸驅動力，因而要保證儀表氣源的氣壓是關鍵。氧氣平衡系統是為了減緩吸附塔壓力波動過大和穩定產品氣壓的主要措施。氧氣增壓系統主要對產品氧氣進行增壓以達到用戶用氣壓力并輸送給氧氣儲罐。在生產中，上述設備都要保證能夠正常運行，不被污染，沒有被堵塞，可調節氧氣的流量，以免發生意外。

2 設備優化改造

（1）對真空泵運行系統進行改造。現有真空泵為水環式真空泵，設計抽氣能力為57 600 m3/h，電機功率為1250 kW，為目前國內最大的真空泵。由于負荷大，軸承使用壽命短，只有12 個月左右。通過重新設計，改變真空泵軸承座結構及加工方式，將軸承壽命提高到18 個月。同時根據真空泵工藝邏輯對減速機進行速比改造，降低系統損耗2%，每年可節約用電2000 kW·h。

（2）對鼓風機系統的改造。目前鼓風機的運行參數為54 000 m3/h，電機功率為1400 kW，采用二元流葉輪設計方法。經研究決定采用更優化的三元流風機設計方法，在不改變鼓風機主體結構的前提下對鼓風機葉輪進行重新設計，改造后鼓風機的流量將提高到65 000 m3/h。

（3）三偏心程控蝶閥參照工藝實際，部分調整為中線對稱閥體，為國內大型變壓吸附技術的發展提供新的實踐參考依據，促進VPSA 在冶金行業的應用和推廣。

（4）液壓程控系統的優化改造。目前配置：閥組，單一換向閥；主油缸推動輔助油缸；蓄能器，10 MPa，為系統配置。優點：反應速度快。缺點：單一執行器的壓力不可控，壓降較大，穩定性無法保證；沖擊力大，會牽制于主油缸的阻塞而導致閥組的不動作。

增加項目：減壓閥（外泄式）、壓力表、液控單向閥、單向節流閥、電磁閥電源線等其他附件對應配套。更改項目：三位四通換向閥、雙缸體平行式供油，增加液壓軟管，三通接頭。優點：穩定供壓，不因外界壓降導致單一執行系統的動作不到位；增強動作協調性和可控性；所有液壓系統執行裝置可根據自身扭力需求調整壓力。要求：保持液壓油的清潔，定期更換液壓油；保證液壓焊接位置的密封性；系統壓力提升后，其他執行器工藝位置也需要增加減壓閥，以防止由此可能造成的高振動；目前系統允許調壓到10 MPa，可以保證目前改進的基礎。

3 設備基礎維護與系統性維修

3.1 離心式鼓風機

（1）故障及原因：用電中斷后，負荷側軸承合金被燒毀。主要原因是潤滑油站油壓不足導致潤滑不良。

（2）處理方案：①更換負荷端軸瓦：按照裝置安裝手冊技術規格，頂部間隙為0.18～0.24 mm，推力間隙0.30～0.50 mm。解體檢修對新軸瓦進行研刮，轉子連續旋轉幾次，以確保軸瓦落位良好，涂紅丹粉檢查該位置，軸瓦與軸的接觸面積在70%以上，尖端間隙測量墊0.20 mm，推力間隙為0.40 mm，滿足技術要求；②重新對聯軸器找中心：根據制造商的安裝說明，要求該機組徑向偏移公差±0.06 mm，軸向容差±0.06 mm。調整后徑向偏差≤0.045 mm、軸向偏離≤0.04 mm，滿足技術要求。

3.2 水環式真空泵

（1）故障及原因：4 臺減速機運行8 個月后，內部出現異響，拆開檢查發現滾動軸承發生點蝕。原因有：①潤滑油污染、黏度改變，導致潤滑性能降低，滾動元件或滾道表面產生疲勞裂紋；②4 臺減速機的板式熱交換器傳熱性差，經常堵塞，導致油溫上升/油壓力低，不能保證設備的正常和穩定的操作。

（2）處理方案：①齒輪油抽樣檢驗（理化和鐵譜分析），發現運動黏度為405 cSt（40 ℃），嚴重超標（機油的黏度應為198～242 cSt，黏度指數70，沒有達到規定標準，且含有大量25～50 μm 的金屬粒，存在質量問題。更換軸承，清洗循環油泵，并更換潤滑油為美孚（ISOVG220）相同質量的黏度；②原始換熱器采用了整體式設計，不能進行清洗。根據現場水質，適當增加其散熱面積（10%～20%），修改為可拆洗板式冷卻器，取得了良好的效果。

3.3 關建設備基礎維修

制氧設備的最大原則是確保生產安全，保證設備的溫度、壓力、流量處于正常狀態。采用電氣設備在線檢測技術，以提高預測風險的能力。提高轉動設備的潤滑，以保證設備的安全運行。

VPSA 系統發生故障往往是由于以下原因：①閥門系統故障；②振動測量系統混亂；③儀表空氣故障；④純水系統中斷；⑤外部電網波動。

3.4 設備檢修管理

設備并不是檢查的越頻繁，故障就越少，需要根據實際情況來制定檢修計劃。對旋轉設備采取狀態維修模式，靜態設備要采取定期巡檢模式。此外，根據保養維修頻率的影響，及時調整在線監測。

根據實際情況，對VPSA 制氧設備維修的管理進行研究之后，檢修管理安排如下：①每季度開展對鼓風機和真空泵減速機的潤滑排查，重點為風機軸瓦和減速機齒輪點蝕情況；②季度開展對吸附塔A/B 的維護，重點為各處閥門閥桿，執行器齒輪齒條等；③每年開展對程控閥檢測維護，重點是檢查閥板、密封、執行機構磨損、卡澀情況等，并對其進行優化調整；④每年對DCS、儀控設備等開展一次綜合排查，重點為更換老化元器件、運行記錄維護、程序備份確認等；⑤每年對真空泵軸承、減速機、液壓站、稀油站油品進行檢測更換，每季度對以上潤滑部位進行補油。

4 總結

VPSA 系統在運行中會受到各個方面的影響。當前對VPSA的研究多數是在具體工作中，實驗研究影響其工作效率的具體參數。

本文介紹了VPSA 的優化研究，針對企業實際用氧需求、在不改變主要設備主體的前提下，利用空氣動力學、機械原理、自動化控制、流體動力學、熱力學等相關理論工具對現場設備進行重新設計改造，以達到降低能耗、提高設備壽命的目的。