20 000 m3/h内压缩流程空分设备主换热器操作方法改进

周金城

(马鞍山钢铁股份有限公司 气体销售分公司，安徽 马鞍山　243000)

0　引　言

主换热器是空分设备重要换热单元设备。主换热器通过正流空气与返流流体热量交换，将返流流体冷量回收复热至常温，同时将正流空气冷却至低温精馏温度。因氧气内压缩与外压缩流程空分设备的主换热器流程差异较大，内压缩流程空分设备主换热器操作方法与传统的外压缩流程空分设备主换热器操作方法有所不同。

马鞍山钢铁股份有限公司(以下简称：马钢)20 000 m3/h空分设备由杭氧设计制造。该套空分设备采用分子筛吸附器吸附净化、空气循环增压、膨胀空气进下塔、液氧内压缩、全精馏制氩流程。20 000 m3/h内压缩流程空分设备主换热器正流空气为低压空气、中压增压膨胀空气、高压空气，返流流体为污氮气、氮气、液氧。

马钢20 000 m3/h空分设备自2004年投产，针对20 000 m3/h内压缩流程空分设备主换热器在开车中存在影响设备开车安全问题，通过对主换热器操作方法进行有效改进，保证空分设备冷开车、热开车、冷备用状态启动安全。

1　冷开车

1.1　存在问题与原因分析

1.1.1主换热器中部温度低、增压膨胀空气通道压力高

20 000 m3/h空分设备因故障跳车、检修停机等原因，经短时间停机后，在20 000 m3/h空分设备冷开车过程中，向主换热器热端导入低压空气、高压空气或启动增压透平膨胀机时，主换热器增压膨胀空气通道压力大于2.9 MPa高报警值、中部温度小于-133℃低联锁值，增压膨胀空气通道安全阀启跳，膨胀机因进气温度降至联锁值自动停机。

空分设备处于停机状态，主换热器增压膨胀空气通道内残存2.3 MPa、-127℃正流增压膨胀空气与返流氧气通道内残存2.4 MPa、-180℃液氧换热，主换热器内封闭的增压膨胀空气通道中增压膨胀空气温度降至液化温度，增压膨胀空气液化。在向主换热器导入正流低压空气、高压空气或启动膨胀机时，主换热器增压膨胀空气通道内已液化的增压膨胀空气吸收热量气化、升压，造成主换热器增压膨胀空气通道压力高，安全阀启跳。

因已液化的增压膨胀空气压力小于其临界压力，增压膨胀空气通道中液空在吸收气化潜热气化过程中，增压膨胀空气温度升幅小，造成主换热器中部增压膨胀空气温度低，已启动的膨胀机因进气温度降至联锁值，膨胀机自动停机。

1.1.2主换热器热端返流污氮气、氮气温度低

在20 000 m3/h空分设备冷开车过程中，先向主换热器热端导入低压空气时，上塔压力升至安全阀启跳值。在增大主换热器热端返流污氮气、氮气流量，降低上塔压力时，主换热器热端返流污氮气、氮气温度<-25℃，冷箱外污氮气、氮气常温碳钢管道结霜易发生冷脆冻裂。

因低压空气出主换热器冷端温度较高，在先导入主换热器的低压空气进入下塔时，主冷液体蒸发量大，上塔压力高。为此，增大主换热器热端返流污氮气、氮气流量，降低上塔压力。在主换热器中，先导入的低焓值正流低压空气使主换热器热负荷低，未能将主换热器热端返流污氮气、氮气温度复热至>0℃。

为不使冷箱外污氮气、氮气常温碳钢管道低温冷脆冻裂，减小主换热器热端返流污氮气、氮气流量，使主换热器热端返流污氮气、氮气温度升高，造成上塔压力升至安全阀启跳值，上塔安全阀启跳，危及设备安全。

1.2　操作方法改进及效果

在空分设备处于停机状态时，开启中压液氧泵出口管道中排液阀，将主换热器返流氧气通道内残存液氧排尽。同时，开启主换热器增压膨胀空气通道出口调节阀V41、V32与膨胀机进气管道吹除阀，将主换热器增压膨胀空气通道内残存增压膨胀空气全部排放。以此，在空分设备停机时，避免主换热器中残存返流液氧与残存正流增压膨胀空气换热，增压膨胀空气液化。在空分设备开车时，不使主换热器中部增压膨胀空气温度低、压力高。

同时，在20 000 m3/h空分设备冷开车，向主换热器热端导入正流空气时，改变主换热器热端正流低压空气、增压膨胀空气、高压空气导气顺序。即先向主换热器导入高压空气，而后启动增压透平膨胀机将增压膨胀空气引入主换热器，最后向主换热器导入低压空气。

先向主换热器导入正流高压空气与返流污氮气、氮气换热，因高压空气压力高、焓值高，使主换热器热负荷高，高压空气将主换热器热端返流污氮气、氮气温度复热至大于0℃，保证常温碳钢管道运行安全。而后启动增压透平膨胀机，将正流增压膨胀空气从主换热器中部抽取，提高主换热器热端返流污氮气、氮气温度。最后向主换热器引入低压空气，减小主换热器热端温差。

通过对20 000 m3/h空分设备冷开车主换热器操作方法改进，效果较好。在主换热器正流空气导气过程中，主换热器增压膨胀空气通道压力不大于2.4 MPa、中部温度不小于-127℃，膨胀机启动稳定。同时，主换热器热端返流污氮气、氮气温度不小于10℃，上塔压力不大于45 kPa，空分设备冷开车安全。

2　热开车

2.1　存在问题与原因分析

在20 000 m3/h空分设备热开车冷却积液阶段，随着进入主换热器冷端返流气体温度逐步降低，主换热器热端返流污氮气、氮气通道内气体温度与主换热器中部增压膨胀空气温度同步逐步降低，主换热器热端温差增大，主换热器热交换不完全冷损增大。同时，在空分设备热开车积液阶段后期，主换热器中部增压膨胀空气温度降至-130℃，为避免膨胀机进气温度降至联锁值，膨胀机自动停机，将已达到额定膨胀量运行的膨胀机进行减量，造成膨胀机制冷量降低，空分设备热开车冷却积液时间不小于33 h。2005年5月7日，20 000 m3/h空分设备热开车冷却积液阶段主换热器运行参数对比见表1。

表1　20 000 m3/h空分设备冷却积液阶段主换热器运行参数对比Table 1　20 000 m3/h air separation unit cooling fluid stage main heat exchanger operating parameters comparison

对比分析20 000 m3/h空分设备热开车冷却积液阶段主换热器运行参数，在空分设备热开车冷却积液阶段，因中压液氧泵未能启动运行，主换热器内无返流氧气，故主换热器内正流高压空气未能导入。在主换热器中，仅为焓值较低的正流低压空气、增压膨胀空气与返流污氮气、氮气通道内气体换热，造成主换热器热负荷低。低压空气与增压膨胀空气未能将主换热器冷端逐步降温返流气体在主换热器热端复热至正常运行值，主换热器热端返流气体温度与中部增压膨胀空气温度逐步降低，使主换热器热端温差增大，膨胀机在积液阶段后期减量运行。20 000 m3/h空分设备热开车处于低制冷量、高冷损状态，冷却积液时间长。

2.2　操作方法改进及效果

在空分设备热开车冷却积液阶段，中压液氧泵未启动前，根据主换热器中部增压膨胀空气温度与主换热器冷端高压空气温度变化，提前将高压力、高焓值的高压空气导入主换热器，提高主换热器热负荷。以此，提高主换热器热端返流气体温度，使主换热器中部温度稳定。

表2　主换热器操作方法改进后冷却积液阶段主换热器运行参数对比Table 2　Main heat exchanger operation method improved cooling liquid phase main heat exchanger operating parameters comparison

同时，根据主换热器热端温差，调节主换热器正流低压空气流量，减小主换热器热交换不完全冷损。根据主换热器中部温度，调节正流增压膨胀空气流量，使膨胀机处于额定膨胀量状态运行。

在空分设备热开车冷却积液阶段，通过对主换热器高压空气、增压膨胀空气、低压空气操作方法改进，效果明显。20 000 m3/h空分设备热开车处于高制冷量、低冷损状态，冷却积液时间不大于27h。2010年3月3日，20 000 m3/h空分设备主换热器操作方法改进后冷却积液阶段主换热器运行参数对比见表2。

3　冷备用状态启动

3.1　存在问题与原因分析

20 000 m3/h空分设备冷备用状态启动，先采用空分设备热开车主换热器操作方法，在先向主换热器导入正流低压空气时，主换热器热端返流污氮气、氮气温度<-30℃，危及冷箱外常温碳钢管道安全。而后采用空分设备冷开车主换热器操作方法，改为先向主换热器引入高压空气时，主换热器冷端高压空气温度高、流量低，主换热器热端返流污氮气、氮气温度<-10℃，下塔压力升至高报警值。

空分设备处于冷备用状态，因空分设备冷箱跑冷损失，主换热器温度复升高。主冷液位与下塔塔釜液空液位虽持续降低，主塔未复温，仍处于低温状态。

先向主换热器导入低压空气，低压力、低焓值正流低压空气在主换热器中与从上塔抽取返流低温污氮气、氮气换热，使主换热器热负荷低，正流低压空气未能将主换热器热端返流污氮气、氮气复热至不小于0℃。

改为先向主换热器导入正流高压空气时，因主换热器温度复升高，主换热器热端导入的高压空气与从主换热器冷端抽取的高压空气之间温差小、压差低，使通过主换热器正流高压空气流量低，主换热器热负荷低，造成低流量的高压空气在主换热器内未能将返流污氮气、氮气复热至大于0℃。

同时，因主换热器热负荷低，主换热器冷端高压空气温度高，高压空气经高压节流阀节流降压降温效果不佳，高压空气进入下塔，造成下塔塔釜残存液空蒸发量大，下塔压力升至高报警值。

3.2　操作方法改进及效果

空分设备冷备用状态启动，改变主换热器中正流低压空气、增压膨胀空气、高压空气导气顺序。先启动增压透平膨胀机，先将中压增压膨胀空气引入主换热器。而后将高压空气导入主换热器，最后将低压空气引入主换热器。

先启动增压透平膨胀机，将中压增压膨胀空气引入主换热器，通过膨胀机等熵膨胀制冷，使主换热器中部增压空气温度逐步降低。因增压膨胀空气经膨胀机等熵膨胀降压降温效果明显，使进入下塔膨胀空气温度低、压力低，主冷蒸发侧液体蒸发量少，上塔压力升幅小，从上塔抽取进入主换热器冷端返流污氮气、氮气流量低。正流中压增压膨胀空气在主换热器热端可将低流量返流污氮气、氮气复热至>0℃。

在主换热器中部增压膨胀空气温度降至-120℃时，向主换热器导入正流高压空气，提高主换热器热端温度，调节主换热器中部增压膨胀空气温度。最后，根据主换热器热端温差，向主换热器导入低压空气。

20 000 m3/h空分设备冷备用状态启动，将主换热器中三股正流空气导气顺序改变后，效果显著。在主换热器正流空气导气过程中，主换热器热端返流污氮气、氮气温度均不小于6℃，上塔与下塔压力均未升至高报警值。

4　结　语

随着空分设备技术不断发展，工艺流程创新，必须对空分设备采取相应的行之有效操作方法。根据内压缩流程空分设备主换热器工艺流程特点，对20 000 m3/h空分设备主换热器操作方法进行针对性改进，有效保证空分设备开车安全稳定。