40000m3／h空分装置膨胀机在线切换操作小结

李志斌

（宁夏和宁化学有限公司，宁夏银川 750041）

0 引 言

宁夏和宁化学有限公司煤化工装置配有2套40 000 m3／h（O2）空分装置，均采用常温分子筛预净化、空气增压膨胀、双塔（填料塔）精馏、液氧泵内压缩流程。其中，空分膨胀机设计为一用一备，一台为进口膨胀机，一台为国产膨胀机，正常生产时进口膨胀机运行，国产膨胀机备用。2017年8月利用装置大修机会对进口膨胀机进行了检修，检修完成后空分装置已正常开车，为了进行进口膨胀机检修后的试车，需对膨胀机进行在线切换，即由国产膨胀机运行切换为进口膨胀机运行，现将此次膨胀机在线切换操作过程小结如下。

1 膨胀机系统简介

1.1 膨胀机的工作原理

透平膨胀机是一种旋转式制冷机械，由蜗壳、导流器、工作轮等部分组成，同时配有密封气系统及润滑油系统。当具有一定压力的气体进入蜗壳后，被分配到导流器中，导流器上装有可调的喷嘴叶片，气体在喷嘴中将内部的能量转换为动能，其压力、焓降低，流速增高至200 m／s左右，高速气流推动叶轮旋转，将动能转化为机械能，通过转子的轴驱动增压器对外做功。

从整个过程看，气体在膨胀机内的流动是绝热等熵的过程，气体经过一个膨胀过程压力降低，同时对外输出的功靠消耗气体内部的能量来实现，表现为温度降低、焓值减小，亦即通常所说的制冷量。其制冷量占总制冷量的75%～85%。

1.2 膨胀机系统工艺流程

膨胀机系统工艺流程如图1。增压机中抽来的48 000 m3／h、2.70 MPa（A）干燥空气进入增压膨胀机组的增压端，加压至4.0 MPa（A），气体被循环水冷却至40℃，再进入高压主换热器，与塔内返流气体换热后被冷却至-108℃，然后进入膨胀机膨胀，压力降至0.58 MPa（A）、温度降至-173℃，最后进入精馏塔的下塔进行精馏。

2 膨胀机在线切换前的准备工作

2.1 保证膨胀端进、出口管道的清洁度

由于进口膨胀机检修期间空分装置已正常开车，因此膨胀机在线切换的准备工作应始于空分装置开车前。准备工作的重点内容就是保证膨胀端进、出口管道内介质的清洁与干燥，避免空分装置开车后由于阀门内漏跑冷而使管道内的湿空气冻结或湿空气进入。我们采取的措施是在开车前的露点分析阶段将进口膨胀机也纳入分析范围。空分装置开车前，切除联锁，打开膨胀机紧急切断阀（HV4419）及膨胀机加温气吹除阀（V4483），然后缓慢打开膨胀端进口阀（V4461）对膨胀端进口管道进行吹除，当露点合格后，先关闭加温气吹除阀（V4483）、紧急切断阀（HV4419），再关闭膨胀端进口阀（V4461），同时通过操作调整使膨胀端进口管道压力（PI4459）始终处于有压状态，这样就保证了膨胀端进口管 道内介质露点合格且不会被污染。

图1 膨胀机系统工艺流程简图

对于膨胀端出口管道，因此时膨胀机已拆走检修，此段管路处于敞开，即处于与大气直接接触的状态，若不采取措施，管道内外很快会结冰。为此，采取的措施是全关膨胀端出口阀（V4463），微开加温气阀（V4481），使干燥的加温气充满膨胀端出口管道，然后通过敞口排放加温气，从根本上消除结霜的可能，避免杂物落入管道内。采取上述措施后，保证了膨胀端进、出口通道内介质露点合格且不被污染，在进口膨胀机恢复安装之后只需简单加温即可满足开车条件。

2.2 切换过程风险分析及对策

从膨胀机系统工艺流程配置可知，在膨胀机在线切换过程中，对空分装置运行的主要影响是高压主换热器正流空气量的变化，进而会使高压主换热器的热平衡遭到破坏，因此，切换过程应重点考虑高压主换热器热平衡的变化，重点做好以下风险防范：防止氧气温度低致液氧泵联锁动作；国产膨胀机减负荷过程中防止增压机喘振，进口膨胀机开启后不能立即加负荷，要有一个密封器跑合的过程（低速运转）；同时，还要做好万一切换失败供氧中断的应对措施。

膨胀机在线切换可归类到膨胀机的跳车、增压机喘振等高压主换热器膨胀通道气量变化这一异常工况大类里。据制订的预案，其应对的总体思路是适当减少反流低温气和加大正流热空气。切换过程有以下几个关键点需要关注和控制：一是进口膨胀机手阀开启前，阀前压力要降至设计值以内，不能使管道超压；二是进口膨胀机启动后其转速不能增加得太快，要注意对运行机组转速的影响，观察会不会明显降低运行机组的转速；三是进口膨胀机启动后加负荷过程中要注意增压端工况的变化，由于低负荷时进口膨胀机增压端气体出口压力低于国产膨胀机，因此增压端气体处于全回流状态，随着进口膨胀机负荷的增加，增压端气体出口压力会慢慢高于国产膨胀机出口压力，国产膨胀机增压端气体开始完全打回流，在这个过程中要注意气体温度和气量的变化，回流阀要保持大开度；四是国产膨胀机停车前应将负荷尽可能地降低，注意其停车时退回的气量对增压机的影响（喘振）和对在运机组（进口膨胀机）的影响（转速升高）。

3 切换操作

（1）得到调度膨胀机切换操作的指令后，通过开大氧泵回流阀的形式将氧气量由10 000 m3／h增 至 26 000 m3／h，同 时通 过关 喷 嘴（HV4452）、开回流阀（HV4458）减国产膨胀机的负荷，减负荷过程中控制氧气总管压力稳定，气化系统同步减负荷。

（2）继续通过关喷嘴（HV4452）、开回流阀（HV4458）减国产膨胀机的负荷，使膨胀端进口压力在2.7 MPa以下，此时进口膨胀机已具备开机条件。在国产膨胀机减负荷的过程中控制上塔压力在45 kPa以下，适当关小高压主换热器污氮阀（PV4334）减小污氮流量，开大高压空气节流阀（HV4308）以增加高压空气量，当氧气温度（TI4339）有下降趋势时，电话通知调度减送氧量，并继续通过增大氧泵回流量减少氧气外送量，直至氧气温度不再下降且保持在10℃以上。

（3）在减负荷的过程中，可以先将进口膨胀机按开车操作票做开车准备，依次打开其膨胀端出口阀（V4463）、增压端进口阀（V4451）、增压端出口阀（V4454）、膨胀端进口阀（V4461），开阀过程要缓慢，避免对运行机组造成影响，且还要防止阀门内漏而冲转备运机组。

（4）进口膨胀机具备启动条件后，点击启动按钮启动进口膨胀机，进口膨胀机有转速后在15 000 r／min的转速下稳定运行30 min，30 min以后按10 min加1 000 r的速率增加膨胀机的负荷，若主冷液位正常，此时可适当增加送氧量。

（5）进口膨胀机加负荷过程中，在控制膨胀空气量不变的情况下继续缓慢降低国产膨胀机的负荷，当国产膨胀机喷嘴和回流阀无法调节时，转为通过关膨胀端进口阀（V4462）来继续降低国产膨胀机的负荷，当国产膨胀机转速降至6 000 r／min以下时，点击停车按钮，国产膨胀机停车，之后按要求进行加温操作使其转为备用状态。

（6）调整进口膨胀机的负荷、增加送氧量，直至恢复到切换前的工况。

4 切换操作总结

因为有了充分的准备和坚持表单化操作，虽然所有人员都是第一次经历膨胀机的在线切换，但整个操作过程平稳，膨胀机切换顺利。由于设计厂家担心切换过程中对运行膨胀机有影响，不允许进行在线切换，因此我们重点对启停过程中2台膨胀机相互之间的影响和对工艺参数的影响进行了观察。

4.1 2台膨胀机启停过程的相互影响

2017年10月10日切换过程2台膨胀机运行参数的变化见表1。进口膨胀机启动后，膨胀空气流量瞬间由19 000m3／h增至29 000m3／h，流量增加约10 000 m3／h，由表1可知，进口膨胀机有转速后，在运国产膨胀机转速有一定程度下降，但降幅在300 r／min左右，影响基本可以忽略不计，管网压力也未见明显变化，由此判断在低负荷下膨胀空气管路设计富余量较大，瞬间增加的10 000 m3／h膨胀空气量对膨胀空气压力影响不明显，进口膨胀机启动后只要负荷在50%以下其分流效果也不明显，启动的进口膨胀机对运行的国产膨胀机的影响可以忽略不计。

原运行膨胀机停车时，因膨胀空气已减量至10 000 m3／h以下，此时进口膨胀机转速上涨约170 r／min，其影响同样可以忽略不计。

表1 2017年10月10日切换过程膨胀机运行参数的变化

4.2 切换过程中空分系统工艺参数的变化

由于空分车间所有员工均没有膨胀机在线切换的实操经验，为了保险起见，我们将空分装置氧气产量减少得较多，高压主换热器负荷减小得较多，故切换准备过程中上塔压力不但没有上涨还下降了1.3 kPa，污氮出高压主换热器气量也没有增加，氧气出高压板式换热器的温度有所上涨，整个精馏工况变化不大，系统冷量的不平衡基本可以忽略。

5 进口膨胀机在线切换为国产膨胀机的操作要点

对于公司的2套空分装置来说，上述操作只适用于国产膨胀机切换为进口膨胀机。因为国产膨胀机为刚性轴，没有低转速的限制，理论上可以通过持续缓慢关小膨胀端进口阀（V4462）使膨胀机转速沿可控的斜率下降，避免对进口膨胀机造成扰动。但进口膨胀机为柔性轴，受临界转速的限制，机组设有12 500 r／min的低转速跳车联锁，且国产膨胀机开车步骤与进口膨胀机不一致，因此，当需要由进口膨胀机切换成国产膨胀机时，操作时应注意以下问题：准备就绪后，缓慢开启国产膨胀机膨胀端进口阀（V4462），使其转速沿预计的、可控的速率增加，这样对进口膨胀机工况的干扰可控；进口膨胀机需在13 000 r／min左右转速下停车，此时对运行的国产膨胀机冲击会大一点，但通过国产膨胀机切换为进口膨胀机过程中工艺参数及膨胀空气管容量实际富裕度来看，此冲击造成的扰动在可接受范围内。

6 结束语

宁夏和宁化学有限公司空分装置膨胀机采用一用一备的设计，在空分装置正常生产时，备用的膨胀机处于持续加温状态（密封气系统、润滑油系统正常投用），一旦在运膨胀机跳车，要求备机能按正常开车程序投运，或者在运膨胀机出现故障需停车检修时，备机能及时进行在线切换。因此，本次膨胀机的在线切换操作实践对今后生产系统的稳定运行意义重大。

虽然本次膨胀机的在线切换操作较为保守，氧气产量有较大幅度的减少，但我们还是积累了膨胀机在线切换的经验，收集了相关数据，为将来可能进行的切换操作打下了基础。本次切换实践表明，膨胀机的在线切换，只要准备充分、组织有序，系统可以实现不减氧或少减氧，但为保证装置的安全、稳定运行，笔者认为还是应暂时牺牲一点经济效益，采取较为保守的操作思路。