空分装置低压氧外送系统的优化及控制改造

刘志强，张砷钇，王利聪，许敏

空分装置低压氧外送系统的优化及控制改造

刘志强，张砷钇，王利聪，许敏

（河南龙宇煤化工有限公司，河南 永城 476600）

在大型的化工产业链中，空分装置是产业链的源头，所提供的各种气体产品遍布于后续装置，而产品的外送系统与控制系统稍有故障，便会影响后续装置的运行，甚至出现整条产业链跳车的现象，如何保证产品的正常外送是生产装置运行的重中之重。对空分装置低压氧气外送及控制系统的优化改造进行了简单的分析与总结。

空分；低压氧；外送；控制系统；优化

河南龙宇煤化工有限公司共有空分装置两套，一套为一期年产50万t甲醇装置配套空分[1]，设备采用全进口，装置生产力为53 000 m3·h-1氧及 81 000 m3·h-1氮，带动后续的shell气化炉装置及甲醇、二甲醚装置；一套为二期年产40万t醋酸装置配套空分，国产设备，58 000 m3·h-1氧及93 000 m3·h-1氮，带动后续两台国产五环炉、气体净化、醋酸及乙二醇装置。两套空分装置所提供的氧气、氮气、空气等遍布于后续装置，属于下游装置的大动脉，外送控制系统稍有故障便会影响后续装置的运行，甚至出现跳车现象。2019年随着本公司增加第二套乙二醇项目后，如何保证空分装置低压氧气的正常外送，变成公司平稳生产运行的关键。

1 单套乙二醇装置低压氧系统缺点及改造

一期装置始建于2004年，因此套系统未设计乙二醇装置，所以此套空分无低压氧系统，二期始建于2012年，2015年试车投产，二期空分的低压氧系统设计为液氧自精馏塔上塔底部流出，经过两台CRYOSTAR低压氧泵进行增压后，与高压板式换热器的正流空气进行换热汽化，外送至乙二醇的酯化塔。两台CRYOSTAR变频式低压氧泵一开一备，其中单台低压氧泵的设计流量为7 200 m3·h-1，最高出口压力为0.9 MPa，正常工作时，单台低压氧泵的出口流量控制在4 500 m3·h-1，低压氧气管网压力控制在0.5 MPa，即可满足公司的乙二醇装置满负荷运行。但因二期空分为国产设备，在实际的试车运行时，故障产生率较高，二期空分装置检修频繁，无法保证低压氧的正常产出和外送，导致乙二醇装置无法正常生产，损失较大。为避免此类事件的发生，公司对氧气系统进行了改造，在二期空分增加了高减低装置，将高压氧气减压成低压氧气进行外送，同时对一二期的高压氧气进行了连通，实现了一二期空分装置的氧气系统的互连互通，保证了低压氧系统的正常外送。

2 两套乙二醇装置的低压氧系统及缺点

因公司一二期正常运行时的富余合成气较多，每年约富余20万t合成气，多年以来对公司造成了极大的经济损失和浪费，为此2019年公司新增一套20万t乙二醇装置，并于2020年10月份开始试车运行。自此，二期空分低压氧系统更改为供往两个乙二醇装置4台酯化塔，两套乙二醇系统共用一条低压氧外送管线，低压氧泵仍为一开一备，但低压氧泵出口流量变为8 200 m3·h-1，管网压力仍为 0.5 MPa，此时两套乙二醇装置都可达到90%以上的高负荷运行，有效地吸收和消耗了公司多余的合成气。但在实际运行过程中发现，在原有一套乙二醇装置时，不需要考虑乙二醇酯化塔跳车切氧的问题，但在两套乙二醇系统共用一条低压氧外送管线时，发现在新建乙二醇（以下称乙二醇二厂）装置试车跳车或原有乙二醇装置（以下称乙二醇一厂）生产系统发生故障跳车时，会因为跳车所在装置的酯化塔切氧而造成低压氧管网压力迅速上升，瞬间到达乙二醇酯化塔氧压高报跳车联锁，造成两套乙二醇装置同时跳车，产生较大的经济损失，影响整个装置的正常运行。

3 实际案例

2020年12月23日10:14乙二醇一厂因仪表气压力波动而跳车，乙二醇一厂两台酯化塔进行切氧，将近4 000 m3·h-1的低压氧气瞬间退至低压氧管网内，造成管网压力急剧上升，二期空分低压氧外送外管网压力报警，二期空分分离主操发现后迅速将低压氧放空阀（FV01337B）打成手动状态，并将其由10%开大至96%，但因放空阀（FV01337B）在空分低压氧外送止回阀前，且低压氧流量（FIC-01337A）未上涨未调节外送调节阀（FV01337A），低压氧管网外送调节阀后管网无法进行泄压，造成管网压力（PI-37030）由0.50 MPa升至0.73 MPa，造成乙二醇二厂两台酯化塔触发氧压高联锁，导致乙二醇二厂联锁跳车。

2021年4月19日14:54乙二醇二厂酯化塔低压氧紧急切断阀因仪表气管断开而关闭[2]，造成乙二醇二厂跳车，酯化塔切氧，同样低压氧退回管网，管网压力急剧上升，空分分离主操迅速将放空阀（FV01337B）打手动由17.7%开至95.7%，且低压氧流量（FIC-01337A）未上涨未调节外送调节阀（FV01337A），管网压力（PI-37030）由0.501 MPa升至0.711 MPa，造成乙二醇一厂两台酯化塔触发氧压高联锁跳车。

4 原因分析

目前公司低压氧外送工艺路线如下图1所示。一路为空分二期低压氧泵出口的低压氧，经过流量调节阀FV01337A、外送止回阀V01349和外送手阀V01348，供往乙二醇一厂和乙二醇二厂，同时在流量调节阀FV01337A前设计有流量调节阀FV01337B用于低压氧放空；另一路为自一二期空分高压氧气管网来的高压氧气，经过压力调节阀PIC-37019和前后手阀，减压成低压氧气，与低压氧气外送手阀V01348后的管网进行合并，供往乙二醇一、二厂，PIC-37019高压氧减低压氧调节阀采用压力控制，以后续管网压力进行调节。空分外送调节阀（FV01337A）后到乙二醇之间管网上无放空，乙二醇二厂装置区内氧气总管上设计有放空阀，放空阀管径DN40。在正常运行时，两路低压氧路线不同时使用，在空分二期正常运行时，低压氧泵运行正常采用低压氧泵进行外供，当二期空分停车检修时，采用高压氧气管网的高压氧进行节流减压外供低压氧。

图1 低压氧外送工艺路线简图

其中，调节阀（FV01337A）是以流量（FIC-01337A）为参照进行调节，FT01337流量点设计在SV01397安全阀前，属于空分界内低压氧气外送管网；低压氧管网压力点PT01337设计在流量点FT01337前，放空阀（FV01337B）在外送调节阀FV01337A阀前，以外送调节阀（FV01337A）前压力（PT01337）为参照进行自调。低压氧外送和放空均在低压氧外送止回阀前，只能调节内部管网压力，而低压氧外送止回阀后的外管网，因止回阀的存在而无法调节。在一套乙二醇装置生产时，若乙二醇装置跳车而酯化塔切氧，只需切断低压氧的外送，将低压氧气进行放空，低压氧泵降低出口流量，打回流即可；当后续带动两套乙二醇装置时，一套乙二醇酯化塔故障，低压氧外送无法进行切断，为保证另一套乙二醇装置的正常运行，必须保持低压氧的持续外送，关小外送阀，同时打开放空阀，降低外送流量，但因操作范围小，时间短，间隔时间只有7～8 s，单纯的调节放空阀（FV01337B）无法及时对止回阀后管网压力进行调节，只要乙二醇一厂或乙二醇二厂的一台酯化塔切氧都会造成两套乙二醇装置另外3台酯化塔因氧压升高而触发氧压高联锁跳车。

5 优化处理方法与实际应用

鉴于以上的情况分析，如需保证后续两套乙二醇装置的长周期运行，解决两套乙二醇同时跳车的现象，则必须对此问题进行解决优化。此问题的根源在于低压氧外送后管网的压力无法及时进行泄 压[3]。对于此问题，公司曾提出如下解决方法。

5.1 增加放空阀及放空消音器

在两套乙二醇装置前，即空分装置低压氧外送外管网上，低压氧外送止回阀V01349后的管线上增加放空阀、放空消音器和压力点，放空阀选用压力调节阀，使用低压氧外管网管线的压力点进行自行调节[4]。当一套乙二醇装置出现跳车，低压氧管网压力增高时可通过压力点调节管网放空阀进行放空，从而降低至管网正常压力[5]，保证另一套乙二醇的正常运行。但此法从设计、采购、到现场安装等，时间较长，同时费用较为高昂，在装置正常运行时安装施工难度大，无法保证氧气管线工艺交出和隔离；若等待停车检修时，因一二期高压氧气的互连互通，必须将公司所有装置进行停车检修，才可施工。

5.2 取消止回阀

因无法及时对低压氧后管网进行加装放空阀，公司曾考虑取消止回阀V01349，使用放空阀（FV01337B）进行调节管网压力。但当外送止回阀取消时，若一套乙二醇装置出现跳车，整个低压氧气管网压力增高，容易造成低压氧泵汽蚀、不打量，甚至出现低压氧跳泵等风险，从而影响整个低压氧气系统，不仅无法保障另一台乙二醇的运行，更是影响整个二期空分装置的正常运行[6]，为此此法无法采用。

5.3 更换止回阀位置或现有放空位置

因取消V01349止回阀此法不可取，公司提出更换止回阀位置或现有放空位置，将止回阀更换至FV01337A外送调节阀前，或将放空阀FV01337B安装至止回阀后[7]，但因影响空分装置界区内的低压氧系统，无法保证低压氧系统的正常运行，同时施工条件困难，施工条件苛刻，亦未采取。

5.4 修改FV01337A外送阀控制逻辑

因上述方法均无法实现，为优化此问题，保证两台乙二醇装置的正常运行，减少跳车事件，公司提出修改自控阀门的控制逻辑，经过分析，参照高压氧减低压氧外送调节方法进行尝试，将空分低压氧外送调节阀（FV01337A）以原来的流量（FIC-01337A）为参照改为以后续管网压力（PI-37030）为参照进行调节，低压氧放空阀（FV01337B）以外送调节阀（FV01337A）前压力（PT01337）为参照阀门投自动进行自调，修改后的阀门逻辑及外送工艺流程如图2所示。

图2 修改阀门逻辑后的工艺路线简图

同时，采用相应的操作方法：当乙二醇酯化塔故障切氧后空分中控分离主操发现管网压力（PI-37030）上升及时关外送调节阀（FV01337A），分离副操根据外送调节阀（FV01337A）前压力（PT01337）开放空阀（FV01337B）调节氧压，开关阀门时注意氧压和氧泵电流，防止氧泵汽蚀不打量。同时此优化改造方法实施简单，运行过程中即可更改[8]，中控画面在后期停车后进行更改即可，投资成本低，还省时省力，现场施工亦方便。

5.5 阀门控制逻辑修改后运行情况

2021年4月29日19:34，乙二醇一厂因晃电而跳车，两台酯化塔迅速切氧，将近4 000 m3·h-1氧退回至低压氧管网，低压氧管网压力（PI-37030）急剧上升，二期空分分离主操发现后根据管网压力[9]（PI-37030）迅速将外送调节阀（FV01337A）由51%关至37%，空分分离副操根据外送调节阀（FV01337A）前压力（PT01337）将放空阀（FV01337B）由45.7%开至96.3%，低压氧管网压力（PI-37030）由0.499 MPa最高升至0.539 MPa，未达到乙二醇酯化塔氧压高联锁值0.65 MPa，避免了乙二醇二厂因酯化塔触发氧压高联锁而跳车[10]，确保了乙二醇二厂的稳定运行，从而解决了因一套乙二醇跳车而导致另一套乙二醇跳车的现象。

6 结 论

空分装置的产品外送，是影响整条工艺产线平稳运行的关键，必须保障空分装置的每条产品外送管线的正常运行，才能保证整个公司的生产装置的平稳。随着企业的产业链的不断延长，发展不断的壮大，不仅原有的工艺设计及参数将不适用于现有的生产状态，阀门控制逻辑也必须对其进行不断的优化和改造，从而保证装置产品的正常外送和控制。通过简单地修改阀门控制逻辑，即解决了任何一台酯化塔切氧另外的酯化塔因氧压高而触发氧压高联锁跳车的问题，不仅保证了乙二醇装置的稳定运行，也优化了空分的工况，提高了操作人员的技术水平，为公司节约了开停车费用，创造了经济效益。

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Optimization and Control Transformation of Low Pressure Oxygen Delivery System in Air Separation Unit

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（Henan Longyu Coal Chemical Co., Ltd., Yongcheng Henan 476600, China）

In the large-scale chemical industry chain, the air separation unit is the source of the industry chain, and all kinds of gas products provided are distributed in the follow-up units. The slight failure of the product delivery system and control system will affect the operation of the follow-up units, and even the tripping of the whole industry chain. How to ensure the normal delivery of products is the top priority of the operation of the production units. In this paper, the optimization transformation of low-pressure oxygen delivery and control system of air separation unit were briefly analyzed and summarized.

Air separation; Low pressure oxygen; Delivery; Control system; Optimization

2021-08-18

刘志强（1991-），男，河南省舞钢市人，助理工程师，2015年毕业于永城职业学院应用化工专业，研究方向：大型空分装置工艺技术。

王利聪（1989-），男，工程师，研究方向：化工机械。

TQ022.11+3

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1004-0935（2022）03-0354-04