莱钢60 000 m3/h制氧机调试总结

孔凡魁，田现德，王军，潘新卿，胥波

（莱芜天元气体公司，山东莱芜271126）

制氧

莱钢60 000 m3/h制氧机调试总结

孔凡魁，田现德，王军，潘新卿，胥波

（莱芜天元气体公司，山东莱芜271126）

介绍了莱钢60000 m3/h制氧机设备特点和工艺指标，总结了调试过程中出现的问题，分析原因，制定整改控制措施，完善操作预案，试车工作稳步推进，机组按期达产达效。

制氧机；调试；原因分析；整改措施；效果

1 机组简介

山钢莱芜分公司能源动力厂天元气体公司引进的六万制氧机，主体设备由林德公司设计、制造。空分系统采用林德先进工艺技术流程，分子筛吸附器采用立式、径向流、单层床净化，主冷凝蒸发器采用林德专利的多层浴式主冷，整套装置实现稀有气体全提取，自动变负荷功能，软件控制系统Foxbor设计。

60 000 m3/h制氧机组工程分别由中国二十二冶集团有限公司、中国三冶集团有限公司、山东莱钢建设有限公司承建，2013年6月～9月完成单体设备调试，11月空分具备条件，开始联动试车，此项目与莱钢新建100 t电炉配套工程，建成后担负对外输送氧气、氮气、氩气生产任务，生产和销售大量的液体产品，同时提取粗氪氙和粗氖氦稀有气体。60 000 m3/h制氧机的建成投产标志着莱钢气体产能的新跨越。

主要产品产量指标见表1。

2 工艺流程

原料空气经自洁式过滤器除去灰尘及机械杂质后，经过透平空压机加压至0.61 MPa左右。压缩后的空气经空冷塔洗涤、降温至17℃，之后进入空气净化系统，空气净化系统包括两台交替运行的分子筛吸附器2601.01A/B.BA1。分子筛吸附器为立式、径向流圆柱容器，里面装有分子筛吸附剂，下端设有固定支撑板。空气中剩余的杂质，例如H2O、CO2、N2O以及潜在危险的碳氢化合物，在通过分子筛吸附器时被去除。

表1 主要产品产量指标

图160000 m3/h制氧机工艺流程图

经过分子筛吸附器2601.01A/B.BA1净化后的干燥空气分成两股。第一股空气进入增压机1201-1进一步压缩至大约1900 kPa，出增压机一段后分为两路，一路送往透平膨胀机增压端3402A/B.22.BC1，进一步压缩至～2498 kPa后进主换热器3002.16. BE1冷却，再进入透平膨胀机3401A/B.71.BX1，膨胀后的空气进下塔3001.11.BT1参与精馏；另一路则送往增压机1201-2二段进一步压缩至～5200 kPa，进入主换热器3002.16.BE1冷却后节流进下塔3001.11.BT1。第二股空气没有被进一步的压缩，而是直接送入主换热器3002.19.BE1和3002.16.BE1后进下塔3001.11.BT1。另有部分空气在氦氖浓缩塔6101.11.BT1投用时，经氦氖换热器6102.24.BE1冷却后进入下塔3001.11.BT1。

加工空气在下塔3001.11.BT1经过预分离，顶部得到纯氮气，底部得到富氧液空。下塔顶部氮气大部分进入多层浴式冷凝蒸发器3001.26.BE1中被冷凝，出来的液氮同时为下塔3001.11.BT1和上塔3001.12.BT1提供所需的回流液，少量氮气经过主换热器3002.16.BE1复热后，作为密封气出冷箱。

经过最终分离，在上塔底部得到液氧，顶部得到氮气。底部液氧在冷凝蒸发器3001.26.BE1中蒸发后，气氧作为上升气流参与上塔精馏。上塔底部一小部分液氧经过冷器3001.16.BE1过冷后进入液氧贮槽7101.10A/B.BD1，大部分通过内压缩液氧泵3021.68A/B.BP1压缩至所需的产品压力，然后送入冷箱，经主换热器3002.16.BE1复热后，以气氧产品出冷箱。产品液氮从上塔顶部引出，出冷箱后去液氮贮槽7301.10A/B.BD1。上塔顶部得到的纯氮气，经过冷器3001.16.BE1和主换热器3002.16.BE1复热后出冷箱，作为产品通过氮压机压缩后进入氮气管网，多余的部分可作为冷媒进入水冷塔2401.17.BE1中。

上塔上部的污氮气经过冷器3001.16.BE1和主换热器3002.16.BE1/3002.19.BE1复热后出冷箱，一部分作为分子筛系统的再生气，一部分作为冷媒进入水冷却塔2401.17.BE1中。液氩从精氩塔4102.12.BT1底部引出，出冷箱后去液氩贮槽7501.10A/B.BD1，若需要气氩，液氩贮槽内液体经内压缩兼后备泵7502.66A/B.BP1压缩至所需压力，再经主换热器3002.16.BE1复热后，以气氩产品出冷箱，若冷箱停车，则可经汽化器7103.16.BE1加热后进入管网。

3 调试过程中出现的问题

3.1 分子筛系统故障

3.1.1 分子筛死区再生阀安装位置错误

60000 m3/h制氧机分子筛采用立式、径向流、单层床分子筛吸附器净化，氪氙塔流程对分子筛净化要求高，CO2含量小于1×10-6，由于立式分子筛顶部至出口位置存在再生不完善区域，即“死区”，为了把分子筛“死区”再生彻底，保证氪氙塔运行安全增加该阀，分子筛再生状态打开，使用状态关闭，程序自动控制。2013年9月，对照PID图检查分子筛阀门过程中，发现该阀安装有误，现场安装在了再生气出口总管上，而不是分子筛上部出口位置，该区域气体形不成流动，属再生盲区，再次确认安装单线图后进行管路整改，经过整改，满足了再生要求。

3.1.2 分子筛B再生气出口阀卡阻

六万分子筛切换阀阀门选用进口欧宾罗斯三杆式切换阀，具有压差保护和自清洁功能。2013年9月，净化系统试车过程中，出现分子筛B再生气出口阀卡阻现象，阀门无法动作，试车被迫中止，停车后拆下阀门检查，发现分子筛阀盘执行机构定位销脱落，阀门行程受限，动作失灵，厂家到现场重新安装了定位销，调试后正常，对其余阀门抽检了3只，未发现异常。运行到目前为止，分子筛系统阀门动作正常。

3.2 液氮泵后汽化率高，主塔工况无法建立

六万制氧机设计氮气产量120 000 m3/h，这样要求上塔精馏填料高度提高，为满足液氮达到上塔的精馏要求，林德公司设计用两台液氮泵替代原液氮节流阀，这在国内属首次应用。自2013年11月6日开始，启动液氮泵试车，发现液氮泵无法正常控制液氮流量，液氮流量在40 000 m3/h至110 000 m3/h之间波动，泵后的气化率过高，不能为上塔提供足够的回流液，严重破坏了上塔的精馏工况，使氧氮产品产量和纯度都无法达到设计要求。为减少液氮气化，用进口阀控制液氮流量，将进口阀关至12%时，控制较为明显，但液氮流量波动依然较大；调试人员提出在泵后分别加装DN50/DN40的限流孔板，以调节泵后液氮流量。加装孔板后，11月20日进行了开车试验，液氮流量波动幅度仍在60 000 m3/h左右，空分工况无法正常建立。加装限流孔板试验表明，氮泵不能替代原空分装置的液氮节流阀，无法从根本上解决液体气化率高问题。22日，空分停车并致函林德公司，研究解决方案。

改造情况：12月中旬林德公司出台改造方案，液氮系统管路实施改造，12底空分主塔上部进行了扒砂，2014年1月9日～16日，完成了在液氮泵后管路、冷箱顶部位置加装了DN250遥控节流阀改造，18日经开车验证，液氮节流后，汽化率明显降低，液氮流量稳定在100 000 m3/h左右，上塔回流液充足，底部液位稳定，氧氮纯度达到工艺要求。

3.3 主塔液位运行出现的问题

主冷凝蒸发器采用林德专利的多层浴式主冷，采用双液位控制，兼具有全浸式冷凝蒸发器的安全性以及膜式冷凝蒸发器的节能性，多层主冷从上到下CmHn和Kr/Xe逐渐浓缩，虽然有利于氪氙提取，但同时也对主冷液位控制要求更为严格。林德流程设计，液氧抽取并不在主冷的底部，而是在上塔底部，PID图显示上塔底部区域，汇聚了液氧产品抽口、液氧泵吸入口和氪氙液氧取出旁通，而液氧底部液位高度只有1.2 m，液面波动对液氧泵前压力和主冷大液位影响明显，因此，上塔底部液氧液位控制难度较大，控制不好一是造成液氧泵汽蚀停运，二是主冷液位大幅波动。经过实践摸索，在液氧产量稳定、氪氙塔正常的情况下，调整液氧产品取出阀PID参数，投入自动，保持液氧取出量稳定，均压阶段，根据夏季和冬季空气量的变化，及时调整空气流量补偿，夏季控制在4 000 m3/h～5 500 m3/h，冬季调整为3 000 m3/h～4 500 m3/h，减少均压阶段，由于空气流量变化对主冷液位的影响。

3.4 液氧泵运行中出现的问题

液氧泵在本流程中起到氧气外供的重要作用，它的运行影响增压机、膨胀机、空压机及空分系统的正常运行，因此在流程设计上，两台液氧泵冷态互备，在线切换。液氧泵的试车过程中发现，液氧泵从上塔底部积液槽取出液氧，上塔液位再溢流进入主冷，预冷备用液氧泵时，上塔底部积液槽液面迅速降低，造成在运液氧泵的停运，工况被破坏。

为保证液氧泵运行稳定，将氧气量释放到设定产量60 000 m3/h，避免氧产量波动；由于林德设计的上塔底部取液位置限制，预冷备用液氧泵时要缓慢进行，保证在运内压缩氧泵吸入压力350 kPa以上；调整液氧产品取出量，控制上塔底部液位75%～95%，同时兼顾大主冷液位，保证主冷液位95%～105%；根据系统工况，微调液空、液氮节流阀。

3.5 液氧泵后管路冻堵

2014年1月9日，六万试车过程中进行了常温启动，前期开车进行顺利，在启动内压缩液氧泵时，发现液氧泵A加载变频后，泵后压力1.9 MPa，氧气输送压力为0.23 MPa，流量为零；随即启动液氧B，加载后泵后压力1.95 MPa，氧气输送压力0.76 MPa，流量只有15 900 m3/h。经现象分析，初步判断，液氧泵后总管可能部分冻堵。现场分析确认，空分液体喷射蒸发器蒸汽阀关不严，有2%左右的开度，试验证明泵后液氧泵总管排放阀也存在关不严的问题，由于林德空分设计的所有排液、加温、吹除管路并联排至总管，系统密闭相连，汇聚后进入空分液体喷射蒸发器，造成湿蒸汽凝结水沿着排液总管由排液阀（水平低点）倒流进入液氧泵泵后总管，造成管路冻堵。

解决措施：（1）解开两只液氧泵泵后法兰短节，通入蒸汽加温泵后管路；（2）将氧气出口管路充入中压氮气，拆除止回阀进行反复吹除；（3）从排液阀处引蒸汽进入液氧泵后总管复热；（4）检修了蒸汽阀门，更换泵后总管排放阀。

在不停机情况下，经过30 h连续复热，液氧泵后管路吹通；42 h后，泵后排液管路吹通；用液氧泵加温气正向吹扫泵后总管，直至漏点合格。15日启动液氧泵，恢复送氧。

3.6 主塔工况出现周期性波动

（1）2014年2月试车以来空分系统多次出现波动，有以下特点：①无预兆。波动前各项参数正常，变化突然，来不及反应和调整；②变化快，上塔中部温度开始降低，3～5 min精馏平衡打破，引起其他参数联锁反应；③影响大，调整周期长，需要4～6 h，参数反应滞后，稳定较差，调整难度大。

（2）经过与林德公司调试人员分析探讨，初步判定主冷凝蒸发器换热不良，具体现象见表2。

表2 具体工况波动前后参数

经过调试分析和现场排查，发现氦氖不凝气出口温度在始终-140℃以下，排放管出现液体，且氖氦塔运行不稳定，工作压力只有350 kPa，氖氦塔不凝气由两股气源组成，一股来自下塔顶部不凝气抽口，另一股来自空气作热源的氪氙塔蒸发器出口管路不凝气，投运初期，由于主冷液面波动，造成氪氙塔液位不正常，液位70%～132%波动，氪氙塔频繁跳车，出氪氙塔蒸发器液空阀门关闭，空气管路上的氖氦不凝气夹带液体进入氖氦塔，由于气液夹带，占据管路流通面积，不凝气积聚，主冷氖氦不凝气排放不出来，影响主冷凝蒸发器换热。另一方面不凝气是在含有大量氮气的情况下抽取的，因此氦氖塔投运不及时或者工作不正常时，分离效果变差，氖氦气不能全部排出主冷和氪氙塔，占据了主冷和氪氙蒸发器的换热空间，影响了主塔和氪氙塔的正常工作。

控制措施：（1）稳定主冷液位，从而保证氪氙塔蒸发器工作正常，保持氪氙塔稳定在液面95%～100%之间，避免氪氙塔跳车，防止不凝气积聚。（2）空分开车调纯阶段，及早投运氦氖塔，调整两股不凝气流量，保证氦氖不凝气排放量8.9 m3/h.。（3）完善均压阶段空气补偿，保持进塔气量稳定。分子筛A再生时，升压前2 min冷箱入口量增加4 500 m3/h，即开导叶。持续17 min，即升压结束前5 min流量恢复正常。分子筛B再生时，升压前2 min冷箱入口量增加5 500 m3/h，即开导叶。持续17 min，即升压结束前5 min流量恢复正常。通过以上调整，主冷换热工况明显改善，没有出现系统波动，主塔工艺参数达到设计指标，工况持续稳定。

3.7 冷态开车阶段，低温气体倒流，空分卸载

试车初期，在对空分塔内进行导气操作时，由于膨胀量的增加，进下塔的空气量增加很快，而下塔的气体不能及时导入上塔，这时下塔压力会达到495 kPa高过分子筛的出口压力485 kPa，下塔的冷空气会从低压空气管道经主换热器倒吸到增压机内，由于倒吸增压机入口温度骤降，增压机入口温度过低(可达-10℃)导致增压机连锁停车，空压机连锁卸载，被迫重新启动，严重影响设备安全，并造成启动时间延长，生产费用增加等问题。

通过多次摸索实践制定防止低温气体倒流操作法，主要措施有：（1）下塔至上塔的节流阀3001.23. Y01开大至80%,将进精氩塔节流3001.11.Y01开大至75%,将进粗氩塔节流阀4101.16.Y01开大75%，使下塔的压力提前降低。（2）在保证主换不过冷的情况下，加大返流产品的导出。适当开大产品氮气阀门3901.01.Y01、氮气放空阀3901.51.Y01、污氮气调节阀3501.01.Y01，低压换热器污氮气调节阀3501.02. Y01和污氮进水冷塔阀3501.12.Y01.降低上塔压力，导通上下塔流通渠道。（3）在启动膨胀机前时及时调整空压机的出口压力使其保持在480 kPa～500 kPa之间，启动膨胀机后，随着进塔气量的增加，及时开大各节流阀和返流气量的开度，防止下塔憋压。（4）调整增压机一段回流阀，使出口压力保持在1 790 kPa。（5）及时调整增压机二段回流阀，使增压机二段的压力保持在5 100 kPa，在开车过程中使以上参数始终保证其在正常值。通过上述操作，避免了低温气体倒流引发的增压机停机现象，大大缩短了六万机组启动时间，降低了运行成本，避免了碳钢管道由于温度过低而发生爆炸的危险，提升了设备运行安全经济性。

3.8 后备液氧泵回流管U型弯改造

2014年1月，发现罐区液氧泵回流管道有“U”形弯不符合液氧安全规范，此弯头在液氧泵停运后会导致液氧存积蒸发，造成局部干蒸发，严重影响液氧泵的安全。同时发现液体输送时，液体泵的回流是同时回流两个储槽，且两储槽同时使用时会由于液位差的存在，引发储槽的安全隐患。

改造及效果：2014年2月，对两只液氧罐及液氧管路进行了氮气置换，将液氧泵的回流“U”形弯改为水平的，液氧回流管道持续向上。液体输送时只能使用和回流同一个储槽。同时规定严禁两液体罐并联使用，防止液位差造成的负压，影响液氧罐安全运行。

后备液体泵经过改造后试车，安全隐患彻底消除，系统运行平稳，液氧蒸发输送能力达到设计的60 000 m3/h。

4 结束语

莱钢60000 m3/h经过6个月的试车，截止到4月底，各项技术指标均达到设计产能，通过试车，及时发现和暴露了设备缺陷，整改了多项对系统调试存在严重影响的缺陷，优化机组操作方案，提升试车效率，保证了60 000 m3/h制氧机组调试工作的有序推进，同时也为其他制氧机组调试提供了经验，对助推企业效益提升具有良好的示范作用。

Commissioning of the 60 000 m3/h Oxygen Generator of Laiwu Steel

KONG Fankui,TIAN Xiande,WANG Jun,PAN Xinqing,XU Bo
(Laiwu Tianyuan Gases Company,Laiwu,Shandong 271126,China)

The characteristics and technological index of the 60 000 m3/h oxygen generator of Laiwu Steel are introduced.Problems occurring during commissioning were summarized, causes of the problems were analyzed,rectification and control measures were drawn up and operation scheme was perfected.As a result,test running of the generator was steadily pushed forward and the unit reached production capacity according to schedule.

oxygen generator;commissioning;cause analysis;rectification measure;effect

TB657.7

B

1006-6764(2014)09-0025-04

2014－05－21

孔凡魁（1972－），男，大学学历，工程师，现从事制氧技术管理工作。