溴化鋰吸收式制冷機運行問題分析及應對措施

李國君,湯建鋒

(河南龍宇煤化工有限公司,河南 永城 476600)

河南龍宇煤化工有限公司(以下簡稱龍宇煤化工)有2套40萬t/a煤制乙二醇裝置,其中,部分換熱設備采用溴化鋰吸收式制冷機提供5～12 ℃循環(huán)冷凍水冷卻,以滿足生產(chǎn)裝置工藝要求。溴化鋰吸收式制冷機在運行一定周期后會出現(xiàn)各種問題,本文以龍宇煤化工乙二醇裝置在用的蒸汽單效型溴化鋰吸收式制冷機為例,總結幾年來在運行過程中出現(xiàn)換熱管泄漏、溶液污染、變頻器故障等一系列問題的處理經(jīng)驗,并提出一些建議和應對措施。

1 溴化鋰吸收式制冷機工作原理[1]

在蒸汽單效型溴化鋰吸收式制冷機運行過程中,水作為制冷劑,溴化鋰溶液作為吸收劑;當溴化鋰水溶液在再生器內(nèi)受到蒸汽加熱后,溶液中的水不斷汽化;隨著水的不斷汽化,再生器內(nèi)的溴化鋰溶液濃度不斷升高,進入吸收器;水蒸氣進入冷凝器,被冷凝器內(nèi)的循環(huán)冷卻水降溫后凝結成高壓低溫的液態(tài)水。當冷凝器內(nèi)的水通過節(jié)流閥進入蒸發(fā)器時,急速膨脹而汽化,并在汽化過程中大量吸收蒸發(fā)器內(nèi)循環(huán)冷凍水的熱量,從而達到降溫制冷的目的。在此過程中,低溫水蒸氣進入吸收器,被溴化鋰濃溶液吸收,溶液濃度降低,再由吸收液循環(huán)泵送回再生器再生,完成整個循環(huán)和連續(xù)制冷。其內(nèi)部流程見圖1。

圖1 溴化鋰吸收式制冷機內(nèi)部流程

總結以上流程,主要為兩個循環(huán):①制冷劑水的循環(huán):再生器水蒸氣→冷凝器冷凝成水→U形管節(jié)流→蒸發(fā)器制冷→吸收器吸收→再生器;②溴化鋰溶液循環(huán):再生器濃溶液→吸收器吸收水蒸氣成為稀溶液→再生器再生。

2 常見問題分析及處理措施

2.1 換熱管泄漏

2.1.1換熱管泄漏原因

為提高傳熱效率,機組主要換熱部件(如吸收器、蒸發(fā)器[2]、冷凝器等)換熱管多為銅管,而最為常見的問題是吸收器、冷凝器換熱管泄漏,主要原因是隨著使用年限的增加,管壁磨損變薄,循環(huán)冷卻水水質得不到有效控制,雜質和顆粒物較多,對換熱管沖刷和腐蝕,造成銅管泄漏;機組內(nèi)腔工作壓力接近純真空,循環(huán)冷卻水壓力為0.35 MPa,一旦有泄漏點,循環(huán)冷卻水很快漏入腔內(nèi),污染溴化鋰溶液,機組制冷直線衰減,若發(fā)現(xiàn)不及時會造成溶液報廢,甚至機組報廢;而蒸發(fā)器出現(xiàn)問題的原因多為運行過程操作不當,發(fā)生冷凍水因溫度低結冰,導致銅管脹裂事故。

2.1.2換熱管出現(xiàn)泄漏時的現(xiàn)象

泄漏初期漏量小,基本無明顯變化,很難察覺,隨著循環(huán)冷卻水漏入量的增加,會出現(xiàn)如下幾個現(xiàn)象。

(1)再生器溫度持續(xù)下降,為保證正常的溫度,需不斷地加大蒸汽投入量,蒸汽手閥會逐漸開大。

(2)從蒸發(fā)器視鏡觀察,隨著循環(huán)冷卻水漏入量的增加,視鏡內(nèi)液位逐漸上漲,正常情況無液位或不超過視鏡1/3液位。

(3)從前端吸收器視鏡觀察,液位也呈上漲趨勢,最明顯的變化是當循環(huán)冷卻水漏入時,初期腔內(nèi)透明潔凈的溶液會產(chǎn)出絮狀物,懸浮在溶液中,后期溶液變成乳白色,已無法從視鏡觀察內(nèi)腔狀況。主要原因為循環(huán)冷卻水中含有大量鈣、鎂、碳酸根等離子,且循環(huán)冷卻水在運行過程中為保證水質會投入大量的防腐蝕劑、剝離劑、殺菌劑等,當循環(huán)冷卻水漏入時與溴化鋰溶液結合,生成了絮狀的絡合物或沉淀物,造成溶液變質。如果是蒸發(fā)器換熱管泄漏,則不會出現(xiàn)絮狀物,原因是循環(huán)冷凍水系統(tǒng)一般使用的是去離子的脫鹽水。

(4)吸收液溫度下降,漏入量較小時,制冷效果下降不明顯;漏入量較大時,隨著溴化鋰溶液濃度變稀,冷水溫差逐漸變小。

(5)真空度下降較快,由于循環(huán)冷卻水漏入,水中的某些組分可能與溶液發(fā)生反應,產(chǎn)生較多的不凝氣體或內(nèi)腔液體體積增加,造成真空度下降較快,需要頻繁進行抽真空操作。

溴化鋰吸收式制冷機內(nèi)溴化鋰溶液的添加量是一定的,正常情況下,運行時兩個循環(huán)保持穩(wěn)定。如果蒸發(fā)器液位較高,而吸收器液位低,可能是循環(huán)冷卻水溫度高或換熱不好,吸收效果差,造成液位不平衡。如果蒸發(fā)器和吸收器液位都高,且溶液開始有絮狀物,基本可以判斷循環(huán)冷卻水泄漏。

經(jīng)過實驗對比,溴化鋰溶液加入循環(huán)冷凍水后,透明度無明顯變化,當加入循環(huán)冷卻水后,出現(xiàn)絮狀物且透明度下降。

2.1.3應對措施

(1)運行期間做好循環(huán)冷卻水水質日常管理,避免壓力波動,按照正確的開停機方式進行操作。

(2)加強運行期間的巡檢,技術人員每天用手電筒觀察蒸發(fā)器、吸收器液位和內(nèi)部情況,通過看、摸、聽等觀察機組變化。DCS操作員勤翻各溫度測點趨勢,發(fā)現(xiàn)異常時立即匯報。

(3)如發(fā)現(xiàn)機組有換熱管泄漏情況,應立即停機對換熱管查漏,具體方法如下:打開各換熱器人孔,管板清理干凈,接氮氣管對機組內(nèi)腔充壓0.1 MPa,在管板兩端用肥皂水查漏。查漏完成后,用銅塞將泄漏銅管兩端堵死,確認無漏點后泄壓抽真空。

(4)如泄漏頻繁,則考慮更換換熱管,可更換同等規(guī)格的銅管或薄壁不銹鋼管。以龍宇煤化工為例,將兩側吸收器由原φ16×1.0 mm銅管更換為材質316L×16×0.6 mm薄壁不銹鋼管,冷凝器由原φ19×1.0 mm銅管更換為材質316 L×19×0.6 mm薄壁不銹鋼管。

銅管更換不銹鋼管后,從運行效果來看,基本與更換前無較大差別,制冷量衰減不到5%,只要控制好循環(huán)冷卻水溫度即可完全能滿足生產(chǎn)需要。需特別注意的是,更換過程中管子與管板采用脹接方式,更換完成后要進行氣密實驗。更換流程如下:①首先將內(nèi)腔用氮氣充至0.1 MPa,接管將溶液排凈,如果內(nèi)腔較臟,拆除溶液泵,對內(nèi)腔進行水沖洗;②打開人孔抽管;③更換新管;④充壓至0.1 MPa查漏;⑤灌入溶液試運行。

兩種材質對比結果如下:一是銅管的導熱系數(shù)為 100 W/m ℃,不銹鋼管的導熱系數(shù)為 13 W/m ℃,但不銹鋼管的壁厚可以減薄0.5到0.8 mm,而銅管因強度及沖蝕磨損等原因,其壁厚一般不低于1.0 mm;二是由于管子材質采用 SUS316L不銹合金鋼,具有較高的硬度,鋼度也明顯提高,有很強的抗沖擊性能及抗振性能;三是不銹鋼管內(nèi)壁光滑,使得其邊界層流底層厚度減薄,既強化換熱,又提高了抗結垢性能。如果是新建項目,可以考慮按照不銹鋼管進行設計,從設計上消除換熱效率的影響,這樣更經(jīng)濟,性能更優(yōu)越。龍宇煤化工二期乙二醇項目借鑒一期經(jīng)驗,換熱管全部按照材質316 L×1.0 mm厚度設計,運行效果良好。

2.2 變頻器故障或過載

溴化鋰吸收式制冷機稀溶液泵設置有變頻器,主要根據(jù)高發(fā)器溫度調(diào)整機組稀溶液泵運行負荷。在溴化鋰吸收式制冷機運行過程中,如出現(xiàn)機組不制冷或報警的情況,一種情況是變頻本身故障,導致稀溶液泵無法運行;另一種情況是稀溶液泵故障導致變頻過載跳車。當出現(xiàn)故障時,要排查是變頻本身問題還是因溶液泵故障導致的無法運行,無論哪種情況,當稀溶液泵無法正常運行時,原有溶液循環(huán)平衡被打破,導致機組報警跳車或不制冷。

2.2.1變頻器本身故障

隨著使用年限的增加,變頻器電子原件老化,導致變頻故障,變頻器頻率無法正常輸出。需聯(lián)系電氣人員測量變頻器輸出信號,若出現(xiàn)損壞,需進行維修更換。

2.2.2變頻器過載

溴化鋰吸收式制冷機的溶液泵一般采用無泄漏的屏蔽泵,過載的原因如下:一是繞組老化;二是因前期冷卻水泄漏溶液污染,長期運行產(chǎn)生的沉淀和污泥造成軸承磨損,運行電流升高。變頻器過載會出現(xiàn)兩種情況:一種是變頻器輸出頻率較低,輸出頻率上不去,原因是泵超過額定電流,導致變頻器頻率輸出低,稀溶液泵低速運轉,泵打液量不足,溶液循環(huán)的平衡被破壞;另一種原因是變頻器直接報過載,輸出OL1代碼,這種情況一般多為屏蔽泵已無法運行。泵過載時會出現(xiàn)泵體發(fā)熱嚴重,泵出口溫度升高,當出現(xiàn)上述兩種情況時要立即停機,對泵進行拆檢處理,平時運行期間應加強關注泵體溫度和泵出口溶液溫度變化,顯著升高時采取降溫降負荷處理,擇機對泵進行拆檢、更換磨損部件。

2.3 溶液污染再生處理

因換熱管破裂、冷卻水漏入腔體內(nèi)導致溴化鋰溶液污染和溶液濃度降低,可通過在線運行實現(xiàn)再生和溶液過濾,其方式如下:在稀溶液泵出口至再生器的管路間增加過濾器,以稀溶液泵自身動力過濾溶液的雜質,也可以在過濾器前增加外置1 Nm3/h螺桿自吸泵,可提高過濾效率。機組運行后,投入蒸汽,當蒸發(fā)器視鏡有液位時,在冷媒泵出口管路接1 Nm3/h螺桿自吸泵進行抽水。根據(jù)蒸發(fā)器、吸收器液位判斷抽水量,最好的辦法是用密度計測量稀溶液泵出口溶液的相對密度,當其不低于1.5時,表明抽水基本結束,此時溶液濃度達到原始灌裝時的濃度。

2.4 再生過濾作業(yè)注意事項

(1)外置過濾器選用不銹鋼過濾器,濾芯可選用PP棉濾芯,頂部裝壓力表,當壓力大于0.25 MPa時更換濾芯,投用過濾器前要保證氣密良好、無泄漏,以免空氣進入機組或溶液外漏。當經(jīng)過一段時間過濾后,溶液中的沉淀雜質被過濾出來,溶液透明度逐漸恢復正常,濾芯不臟時可停止過濾,也可一直保持投用狀態(tài)。

(2)抽水作業(yè)時,要根據(jù)蒸發(fā)器和吸收器液位綜合判斷,避免抽水過多造成濃度濃度過大,運行過程中由于濃度高而產(chǎn)生結晶現(xiàn)象。初期抽水需測量抽出水的密度,如相對密度小于1.05,可直接外排;如大于1.05,需開凈化閥凈化一段時間后再進行抽出外排。

(3)由于溶液再生過濾和前期的頻繁抽真空作業(yè)導致溶液中異辛醇量減少,根據(jù)運行效果,可補加部分異辛醇,溶液加0.1%到0.3%可以提高10%的制冷量,由龍宇煤化工實驗結果可知,當異辛醇缺少,制冷量衰減較大,補加后冷水溫差增加1 ℃。異辛醇能減小溴化鋰溶液的表面張力,從而增強溶液與水蒸氣的結合能力。

3 長期停機的保養(yǎng)

長期停機時,可將吸收器內(nèi)的溶液部分旁通至蒸發(fā)器,并使水與溶液混合,以防在環(huán)境溫度降至0 ℃下凍裂蒸發(fā)室。停機保養(yǎng)一般采用真空和充氮兩種方法。

(1)真空保養(yǎng),是在機組停機后仍使機組處于真空狀態(tài),省去了充氮工藝操作。機組運行前依然是真空狀態(tài),可直接開機運行。真空保養(yǎng)必須要設專人每天監(jiān)測真空度,發(fā)現(xiàn)泄漏立即處理。

(2)充氮保養(yǎng)是向機內(nèi)充入0.05～0.1 MPa(g)左右的氮氣,讓其成為正壓狀態(tài),當機組有漏點時,保證空氣無法進入。當機組停機時,循環(huán)冷凍水側及循環(huán)冷卻水換熱管盡量采用充滿水濕法保養(yǎng)。冬季停機保管時,如不能保證機房溫度在5 ℃以上,必須將水系統(tǒng)的水排凈,以防凍裂機組傳熱管,并進行充氮氣保護。

4 防凍措施

為了防止蒸發(fā)器內(nèi)水的凍結,造成銅管的破壞,將吸收器內(nèi)的部分溴化鋰溶液通過臨時管導入到蒸發(fā)器中,使蒸發(fā)器中溴化鋰溶液濃度提高,降低了蒸發(fā)器內(nèi)溶液的冰點,操作如下:①首先關閉溴化鋰吸收式制冷機的循環(huán)冷凍水進出口閥,打開進出口導淋,將機內(nèi)的循環(huán)冷凍水排凈;②將溴化鋰吸收式制冷機內(nèi)的蒸汽、蒸汽凝液和循環(huán)冷卻水排凈;③將溴化鋰吸收式制冷機現(xiàn)場控制柜內(nèi)的140和136端線與171端線用臨時接線連接,將其短路(140-171代表冷水流量,136-171代表冷水泵,135-171代表冷卻水泵);④用臨時管將稀溶液泵出口和冷媒泵出口連接;⑤讓電氣人員給機組送電;⑥確認機組來電后啟動機組,運行正常后(三臺屏蔽泵運行正常),打開冷劑泵出口連接閥,然后緩慢打開稀溶液泵出口連接閥;⑦運行時,注意臨時管的密封情況、吸收器視鏡液位(開始時是滿的狀態(tài));⑧運行約60～90 min后,停溴化鋰吸收式制冷機,等冷媒泵停止后,關閉稀溶液泵出口連接閥,然后關閉冷劑泵出口連接閥,將連接的臨時管拆除;⑨最后機組自動稀釋后停下,將操作柜內(nèi)總電源開關關閉后,將140和136端與171端的臨時接線拆除。值得注意的是,下次開車之前冷媒必須進行冷劑凈化。

5 機器換熱管的清洗

溴化鋰吸收式制冷機經(jīng)過長期運行后需要停機以清洗循環(huán)冷卻水換熱管,從而提高機組換熱器換熱效率。換熱管一般采用機械清洗,由于管壁較薄,清洗時不要采用過高的壓力,以免損壞換熱管。

6 結語

本文通過對龍宇煤化工2套40萬t/a乙二醇裝置配套的溴化鋰制吸收式冷機運行中常見的換熱管泄漏現(xiàn)象判斷、后續(xù)換管處理及溶液再生、變頻器故障、長期停機維護防凍等問題進行總結,并提出了處理措施,為乙二醇裝置長周期、安全運行保駕護航,也給同類裝置的運行提供參考意見。