浅析氮水预冷系统存在问题及处理措施

杜 阳

（江西铜业集团公司 贵溪冶炼厂，江西 贵溪 335424）

1 引言

贵溪冶炼厂动力车间制氧工段4#制氧机为10000Nm3/h空分设备，2002年12月正式投产。机组采用氮水预冷系统、分子筛吸附净化系统流程、增压透平膨胀机、规整填料塔和全精馏无氢制氩技术。4#制氧机氮水预冷系统即空气预冷系统，主要由空冷塔、水冷塔、冷冻机、4台水泵、调节阀和仪电控等部件组成。氮水预冷系统是深冷空分生产装置中的一个重要组成部分，它位于空压机系统和分子筛吸附系统之间，用来降低高温压缩空气的温度［1］，同时通过水洗涤除去空气中的硫化物等易使分子筛中毒的化合物，使空气达到一定要求后进入分子筛吸附系统［2］。氮水预冷系统的冷却效果直接影响着分子筛净化系统、主换热器的工作负荷，空气出空冷塔的温度高，分子筛的吸附负荷增加［3］，会导致更高的再生能耗，同时空气进主换热器温度的升高，使得换热器的负荷增加［4］，从而对整套机组的运转周期、运转成本造成重大影响。

2 氮水预冷系统工作过程

氮水预冷系统中空气冷却塔为装有2层填料的填料塔，压缩空气（约90～110℃）送入空气冷却塔底部，由下往上穿过各填料层，被从上往下的冷却水和冷冻水冷却，并同时洗涤空气中部分氧化物、氮化物、二氧化硫、氯离子等有害杂质，最后穿越顶部捕雾用的丝网分离器，进入分子筛纯化系统，出空冷塔空气的温度T1约为8～12℃。

进入空冷塔的冷却水分为2段。空冷塔下段为循环水水泵来的冷却水，经常温水泵加压至1.4MPa进入空冷塔中部，与由顶部流下来的冷冻水汇合自上而下出空冷塔回循环水的凉水塔。上段冷冻水是由循环来的冷却水，经水冷却塔与由分馏塔来的多余的纯氮及污氮热质交换冷却后，由冷冻水泵加压至1.5MPa后进入冷冻机，出冷冻机水一部分去空冷塔上段，另一部分去增压机后冷却器，换热后回冷冻水泵进口或循环水回水管［5］。空气预冷系统工艺流程简图如图1所示。

图1 空气预冷系统流程简图

3 影响氮水预冷系统冷却效果的因素

3.1 外部因素

（1）气候环境。贵溪市属于亚热带季风性湿润型气候，潮湿高温，又有电厂、化肥厂等工业企业排放烟尘、SO2等大气污染物，降雨时SO2等溶于水形成酸雨，加重了水质酸性。

（2）循环水温。循环水温度升高对空分系统影响明显，在南方尤甚，特别是高温季节（空气湿度经常超过80%），冷却塔换热效果差导致循环水温度上涨影响空分系统运转。随着空气进分子筛温度的上升，分子筛的吸附效果变差，从而影响整个空分系统的安全运行，空分系统产量被迫降低［6］。

（3）循环水质。常见问题为硬度过高，容易结垢，从而导致冷冻机冷凝器因管路结垢达不到应有的制冷量；在填料、塔板或者捕雾器上结垢会增加塔的阻力［7］，从而加大能耗。常见的垢成分有: 碳酸钙、硫酸钙、磷酸钙、镁盐和硅酸盐［8］。

3.2 内部因素

（1）空冷塔与水冷塔内的散堆填料破损、填料压板破损、分布器堵塞造成塔内气、水介质分布不均匀，换热不完全，塔内阻力上涨，从而造成空冷塔、水冷塔运行效率下降，机组整体能耗上升。

（2）喷淋水量、喷淋设备结构、设备的传热传质效率等影响因素。其中关键的因素是水气比，即喷淋水量与气体流量的比值［9］。水气比小，水与气之间的接触少，传质传热条件变差。水气比大，氮气和空气量一定，水过多既造成浪费又容易发生气体带水事故［10］。

4 实际运行中存在的问题

4.1 冷冻水泵汽蚀

若循环水补充水阀7不开，冷冻水泵3或4在运行过程中容易出现汽蚀，引起冷冻水流量波动，影响空气出空冷塔温度，从而造成整个系统工况的不稳定。通过分析发现，水冷塔底部出口管道管径DN80相对较小，无法满足冷冻水泵水量需求是引起水泵汽蚀的主要原因，因此在运行过程中需要通过循环水补充水阀7来补充水量，满足冷冻水泵用水需求。而循环水T4水温为25℃左右，远远高于经过氮气冷却的水冷塔底部水温度T3，从而造成冷冻水泵出口水温升高，冷冻机负荷增大，系统能耗上升。

4.2 水冷塔液位波动大

循环水补充水阀7开启后，分流一部分循环水，去水冷塔循环水流量减少，水冷塔液位下降，促使水冷塔液位调节阀开大，增加补充水量，保证水冷塔液位正常。由于水冷塔液位调节阀6前后管道管径为DN80，相对较小，另外自动调节阀反馈调节过程中有一定的延迟性，从而造成水冷塔液位波动大的现象。水冷塔补充水量波动造成水冷塔内水气比波动大，不利于充分发挥氮水预冷系统的作用。

4.3 冷冻机故障

空气预冷系统冷冻机为水冷式螺杆冷水机组，拥有3台压缩机，根据冷冻水温度自动调节压缩机负荷。目前冷冻机组主要存在以下两方面故障：

（1）冷凝器结垢，造成冷冻机制冷量降低冷冻水温度升高，从而空冷塔出口空气温度升高，增大分子筛系统及主换热器工作负荷。

（2）冷冻机压缩机故障，冷冻机2#压缩机无法启动，3#压缩机只能满负荷启动。当冷冻水温度高过设定温度而1#压缩机满负荷运行时，3#压缩机自启动，降低冷冻水温度；当冷冻水温度低于设定温度时，3#压缩机自动停止运行，1#压缩机自动调整负荷来冷却水。3#压缩机的频繁启停导致冷冻水温度波动增大，空冷塔出口空气温度波动增大，造成后续整体工况波动增大。

5 处理措施及效果

5.1 降低循环水温度

在确保循环水压力不低于正常要求0.3MPa的前提下，开大循环水回凉水塔上部回水阀，关小下部回水阀，开大凉水塔顶部冷却风机，从而降低循环水温度。较往年同期比较循环水温度大约降低3℃，使得1系统3套机组1#、2#、4#制氧机能耗降低。

5.2 改善循环水水质

制定循环水水质管理制度，定时安排工作人员提取循环水水样进行化验，并做好记录，增设在线pH测点，及时掌握循环水水质情况，确保设备长周期正常运转，循环水水质管理表如表1所示。目前循环水水质良好，能确保pH值7～8.5，浊度＜15。

表1 循环水水质管理表

5.3 改造预冷系统管路

（1）2016年4月机组停机定修期间，将水冷塔液位调节阀6前后管道和水冷塔底部出水管道更换为DN100管径管道，管道最大水流量约为以前的1.5倍，预冷系统管路改造图如图2所示。

（2）改造后阀7不开启而小泵无汽蚀情况，水冷塔液位调节阀保持在50（±3）%开度即可保证水冷塔液位稳定在1300（±100）mm，水冷塔内水气比稳定，氮气与水换热效果更好。

（3）水冷塔底部出水温度T3由10（±2）℃降低至8（±1）℃，而且水冷塔底部出水温度较改造前更加稳定，从而降低冷冻机负荷，并使得冷冻机负荷跟踪调节范围缩小。冷冻机不启动的情况下，空气预冷系统冷却效果也能保证空冷塔出口温度维持在12（±2）℃，极大地降低了机组运行成本。

（4）清洗冷冻机冷凝器确保冷冻机制冷量。制定冷冻机维护措施，冷冻机连续运行时间超过半年则需对冷冻机制冷效果进行分析，确保冷冻机能够正常工作或备用。

（5）更换冷冻机2#、3#压缩机，确保冷冻机能根据冷冻水温度自动调节压缩机运行负荷，实现冷冻水温度稳定，确保空冷塔出口空气温度波动减小。

图2 空气预冷系统管路改造图

6 结语

在实际生产中故障的发生发展往往具有“蝴蝶效应”，由于管道设计存在的缺陷，引发冷冻水泵汽蚀；水冷塔液位波动、水冷塔内水气比失衡导致水冷塔冷却效果差，冷冻机、分子筛净化系统和主换热系统负荷大等一系列问题。通过仔细分析找到故障源头，从而制定有效措施——降低循环水温、改善循环水质、更换合适管径管道、更换故障压缩机，极大地提升了空气预冷系统的工作能力。目前在预冷系统冷冻机不运行的情况下，仍然能够保证空冷塔出口温度维持在12℃左右，不仅确保空分系统的稳定运行，而且节约了运行成本。