产品氮气含水高的原因分析与处理

毛军洲，冯明义，张玉峰

(安阳钢铁股份有限公司，河南安阳455004)

1 设备概况

安阳钢铁股份有限公司制氧厂2套KDONAr-23500/40000/870空分设备(以下简称2#、3#23500 m3/h空分设备)，均采用常温分子筛吸附净化、增压透平膨胀机制冷、膨胀空气进上塔、规整填料上塔、全精馏无氢制氩、氧氮外压缩的工艺流程以及DCS控制系统。分别于2006年12月和2007年3月投产。从2套空分设备冷箱生产出来的常压氮气并网，中间有并网阀连接。每套设备各自配套有1台15 000 m3/h的低压氮机(PN1.0 MPa)和 1台25 000m3/h的中压氮压机(PN2.5 MPa)，提供用户所需的产品压力气体。正常情况下，所配备的压缩机各自压缩配套空分设备生产的产品氮气。特殊情况下，两套空分设备的氮压机，可相互压缩另一套空分设备生产出来的常压氮气。

2 故障现象

由于下游用户用气量不稳定，根据调度安排，2套23500 m3/h空分系统，空气量在105 000～135 000 m3/h运行，相应氮气产量在40 000～48 000 m3/h。根据公司的生产情况，当用户用氮气量少、管网压力高时，调度安排轻载2#23500或者3#23500空分设备的低压氮压机或者中压氮压机。低压氮压机轻载(一种机后压力低、压送气量少的工作工况)情况下电流只有49 A左右，在正常运行情况下电流104 A左右;中压氮压机轻载情况下电流只有79 A左右，在正常运行情况下电流216 A左右。

低压氮轻载1h节电:

(1－49/104)×1864.25(低压氮功率)

=985.9 kW·h

中压氮轻载1h节电:

(1－79/216)×3914.93(中压氮功率)

=2483.1 kW·h

以每kWh电费0.56元计算，轻载低压氮每小时节省552.1元，低压氮停车每小时节省1043.9元;中压氮轻载每小时节省1390.5元，中压氮停车每小时节省2192.4元。

通过此种模式，统计2014年上半年，节约费用情况见表1。

表1 2014年上半年中、低压氮轻载、停车节约费用统计Table 1 Costing savings of downloading and stopping middle and low nitrogen compressor for the first half of 2014

初步核算上半年节能创效130多万元，但是，2014年10月份以来，公司二炼轧用户多次反应中压氮气中含水。对于他们来说，氮气的露点一但高于－30℃，将影响其正常的冶炼生产。

3 氮气中带水的原因查找

3.1 氮气进水的危害

从空分设备生产出来的氮气是干燥气体，含水量极少，露点一般达到－70℃左右。氮气中一旦带水，不但对下游用户造成影响，也会对我们制氧厂的生产造成一定的危害:低压氮气用做氧气透平压缩机组的密封气，氮气带的水会进入氧压机内从而产生重大的安全事故;氮气做为冬季空气过滤器喷吹气源，如果带水，会打湿滤筒的过滤纸，使滤筒的阻力大大增加，在温度低的情况下，还会产生结冰，使空压机的吸气阻力增大，增加生产成本，严重的还可能引起空压机的喘振;利用低压氮富余氮气进行氮气膨胀时，利用低压氮氮气做空分装置排液气源时，如果氮气带水，水分会随氮气进入冷箱中，造成换热器冰堵，影响空分系统的正常运行［1］。

3.2 两台中压氮冷却器漏水

二炼轧所用的中、低压氮气是从四车间的2×23500系统的中压氮压机送出的，其供气图如图1。

二炼轧用户氮气带水，一定是2×23500空分氮气压缩机压送的氮气带水。两套四台氮压机都是英格索兰公司产品。自投产以来，氮压机的气体冷却器曾多次漏水，导致其压缩的氮气中含水。2014年的7月份就出现了2#23500中压氮2级冷却器漏水，出口氮气含水最高达到1060×10－6(对应露点为－20℃)。9月4日利用公司检修机会，我们更换了2级冷却器。开车后，测量出口氮气含水量为8×10－6(对应露点为 －62℃)［2］。

本次用户反馈氮气中带水后，我们对两套氮压机的中压氮气进行了测量，其含水量在接上水分析仪后5 min内都迅速地下降到100×10－6以下，正常。排除冷却器泄漏的可能。

3.3 中压氮压机进气中含水

从空分塔冷箱生产出来的产品氮气管线管路如图2。

产品氮气一部分通过V106阀去水冷塔，用来冷却从水冷塔顶部流下的常温水。另一部分通过V104去低压氮压机和中压氮压机，压缩到相应的压力供用户使用。多余的氮气从V105放空阀(通过流量设定自动控制)放空到大气中。为了保证两套设备的互备性，将两套产品氮气用V4002阀连通，使两套的产品压缩机可以互相压送另一套的产品氮气。

图1 2×23500空分系统氮压机供气示意图Fig.1 Schematic figure of nitrogen compressors about 2×23500 air separation units

图2 出冷箱产品氮气管路图Fig.2 The pipe figure of nitrogen product from cold box

在平时的操作中，每套的两台氮压机正常运行，V105放空阀关闭，V106阀开度40%左右送一部分氮气去水冷塔，预冷冷却水(冷却水出水冷塔后再经冷冻机进一步冷却，最后进入空冷塔用来冷却空气)。如果用户用氮量减少，氮压高，调度会通知岗位操作人员轻载或者停运一台低压氮压机，以节省电量。当压力下降时，再加载或开启低压氮压机。

通过制氧厂调度了解的情况，每当低压氮加载时，二炼轧用户就会反应中压氮带水的情况，其氮气测量的露点从－50℃左右迅速下降到－20℃左右。

操作上，低压氮加载时，放空阀V105处自动状态，低压氮加载从小流量逐渐达到其设计量15 000 m3/h，在压缩量逐渐增加的过程中，V105阀流量的控制下逐渐关小直至全关。

从冷箱出来的产品氮气中是不含水的，如果在这个过程中，由于氮压机初期加载的抽吸量过大(氮压机的放空阀配合不好关得速度慢)，V105阀调节关得慢，就可能把含大量水分的空气倒吸入产品氮气管道中，进入氮压机，导致送入管网的氮气含水。

也可能在低压氮压缩量逐渐增加的过程中，通过V106阀去水冷塔的氮气量大量减少甚至倒吸，将水冷塔的水分抽吸进入氮气压缩机中，导致送入管网的氮气含水。

从用户反映氮气的带水情况看，与我们加载氮压机的操作频次基本吻合。

另外，根据此种情况我们分析认为，如果用户用氧、氮气较少时，我们减负荷操作，在空气量达到比较小时其产品氮气量也相应减少，如果不及时减少两台氮压机的负荷，其进口会出现负压，也可能把外部含水较多的空气或者水冷塔的水分吸入氮压机内导致带水事故的发生。

在操作中如果操作不当，使去水冷塔V106阀的开度过大，也可能将水冷塔的水分抽吸进入氮气压缩机中，导致送入管网的氮气含水。

当一套设备停运时，我们会提高另一套空分的空气量，增大氮气产量，用两台中压氮压机压缩一套空分的氮气量，此时两台中压氮进口压力会比较低，如果操作不当也可能导致送入管网的氮气含水。

4 采取措施

针对这种情况，我们采取以下措施:

1.在加载氮压机时，要提前将V105阀打手动，并在加载前先关一点阀门，提高氮压机的进口压力。

2.要将V106阀提前关闭，保证低压氮加载时此阀是关闭的，保证水分不会从此管道倒吸入氮压机前的管道内。加载正常后再将V106阀开到合适的开度，保证水冷塔的用气。

3.加载氮压机时，至少两个人操作配合，一个人手动关V105阀，保证氮压机进口有较高的正压。

4.加载低氮压机时，可提前将中压氮压机减量，保证低压氮压机有足够的抽吸量，保证低压氮压机进口有足够的正压，加载正常后再逐步恢复中压氮的压缩量。

5.当我们减负荷操作，在空气量达到比较小时，要及时对两台氮压机进行节流减量操作，使其进口压力适当提高，同时保证放空阀V105阀和去水冷塔V106阀处于关闭状态。

6.日常的操作中，严格控制去水冷塔V106阀的开度，不能开得太大，保证两台氮压机进口的压力在适当数值，避免将水冷塔的水分抽吸入氮气压缩机中，导致送入管网的氮气含水。

7.当一套设备停运时，用两台中压氮压机压缩一套空分的氮气量时，要对两台在压氮进行节流减量操作，使其进口压力适当提高，同时保证放空阀V105阀和去水冷塔V106阀处于关闭状态。

8.考虑在去水冷塔V106阀后加一止回阀，避免水冷塔的水分倒吸入产品氮气管道。同时对V106的调节，要结合水冷塔出水的温度，及时增减冷冻机的负荷，增减制冷量，保证进分子筛气体的温度。

5 小结

产品气体的质量关乎下游用户产品的质量，关乎总公司的效益，关乎公司产品在客户中的声誉。要求我们职工在实际操作中要充分考虑各种可能情况，及时分析采取措施，保证用户用气的质和量。同时我们向公司建议在氮压机后加装一个在线水分析仪和一个微量氧分析仪，使我们能及时掌握氮压机后氮气中微量水、微量氧含量情况，以便分析原因，及时采取措施，不致于陷入被动状态。

［1］何琳，徐永齐.氮换热器冰堵的分析与处理［M］∥深冷技术.杭州:杭州出版社，2012(5):58-60.

［2］索全宝.离心氮压机级间排气温度偏高的分析和排除［M］∥深冷技术.杭州:杭州出版社，2011(6):60-62.