高压板翅式换热器液空通道堵塞原因分析及处理效果

田 伟，顾培军，段志栋

（山西中煤平朔能源化工有限公司，山西 朔州 036000）

引言

空分装置冷箱系统换热器换热能力和通过能力好坏，对于空分设备能否长期保持高效低耗、安全稳定的运行至关重要。而侵入冷箱系统的各种杂质，如水分、CO2、分子筛粉末、珠光砂、机械杂质等，在气流的夹带作用下，往往最终堵塞在换热器通道中造成换热器阻力上升、换热效果降低，对空分装置的产品产量、产品纯度及安全稳定性造成很大的影响，严重时甚至引发事故[1-2]。

1 装置介绍

中煤平朔能源化工有限公司空分装置（KDON-32000/60000）由四川空分集团公司设计制造。该装置采用单泵内压缩流程，由一托二空压机组、原动机为汽轮机、分子筛吸附净化、增压透平膨胀机制冷、液氧内压缩、精馏系统配置粗氩塔和粗氩冷凝器、DCS 控制系统等组成。装置于2016 年5 月调试完成，产出合格的氧氮产品。

2 空分装置工艺流程及调试存在问题

2.1 工艺流程

装置采用第六代空气分离设备，内压缩流程，原料空气自空气过滤器过滤掉其中的机械杂质、粉尘后进入原料空压机组压缩至0.5 MPa 后进入预冷系统。在预冷系统中被冷却水洗涤和降温至8 ℃送入分子筛纯化系统，经分子筛吸附剂去除空气中的水、乙炔、CO2及一些碳氢化合物等。纯化后的精馏加工空气，一部分直接进入冷箱系统低压换热器，被返流气体冷却至接近液化温度后进入下塔参与精馏，另一部分进入空气增压机系统。在空气增压机中，一段抽气0.8 MPa作为仪表气送至管网；二段抽气2.7 MPa 进入膨胀机的增压端增压，经冷却后进入冷箱系统的高压主换热器，被返流气体及液氧冷却到一定温度后，进入增压透平膨胀机的膨胀端膨胀，膨胀后的空气进入下塔，末级7.0 MPa 高压空气去冷箱系统的高压板翅式换热器被返流气体及液氧冷却、液化、节流后进入下塔。

参与精馏的加工空气全部进入冷箱系统，在下塔上部得到0.45 MPa 产品氮气，复热后送至用户；在上塔顶部得到低压25 kPa 产品氮气，复热后送至氮气压缩机加压至3.0 MPa 送至用户；上塔底部（主冷）得到液氧，去工艺液氧泵加压后进入高压板翅式换热器，高压液氧汽化复热后成为高压产品氧气送至用户。

本装置虽没有纯氩产品的生产要求，但是为了提高氧产品的收率以及提高氧产品的纯度，配置了氩塔精馏系统，在粗氩塔顶部得到粗氩气，在低压主换热器复热后送入水冷塔[1]。见图1。

图1 空分装置工艺流程图

2.2 存在问题

2017 年4 月，空分装置计划性短停车，停车后现场打开增压机末级冷却器（气走管程、水走壳程）气侧导淋，发现大量循环水排出，初步判断由冷却器管束内漏造成，随后立即将冷却器进行隔离检修，经打压检查发现75 根管束内漏，并进行堵漏处理。2017 年10 月，生产系统停车抢修，空分装置停运后再次发现增压机末冷却器器泄漏，本次排查内漏管束115根，并进行堵漏（换热器总管束740 根，两次堵漏共计190 根）。

本次正常开车后，装置负荷受到严重影响，产品氮气取出量明显减少，严重偏离设计值，冷箱系统高压换热器热端温差变大，氧气通道跑冷严重。在之后的运行期间，增压机末级冷却器第三次出现内漏，增压空气大量漏入循环水侧，增压机末级排气压力由设计值7.0 MPa 降至6.2 MPa，只能维持装置低负荷运行。2018 年1 月，增压机末级排气压力断崖式下降，由6.2 MPa 下降至5.4 MPa，末级冷却器内漏加重，已无法满足装置运行要求，2 月被迫停车，更换末级冷却器管束。空分装置增压机末级冷却器见图2。

图2 空分装置增压机末级冷却器

2.3 故障原因分析

针对本次装置出现的故障异常现象，对空分设备的运行工况进行了认真的分析，排查情况如下：

1）由于增压机末级冷却器管束因循环水水质原因腐蚀穿孔造成撕裂，或是管口腐蚀减薄引起的内泄漏等因素。

2）由于气侧管线排出大量的水，装置再次开车时管线内残存的水分或杂质会随正流空气带入冷箱系统进入高压换热器液空通道。

3）此前增压机末级冷却器多次出现内漏的情况，循环水带入冷箱高压板翅式换热器后一直未进行彻底加温和极速反吹，残留在系统中的污堵物导致换热效果逐渐恶化。

4）冷却器内漏进入高压空气中的循环水成分较为复杂，可能有腐蚀性杂质被带入高压板翅式换热器在液空通道形成的冰堵和污堵。

5）检查高压板翅式换热器膨胀空气通道压差及含水量均在正常指标，液氧通道阻力比对试车时指标正常。

6）分子筛后纯化空气含水量和CO2含量均在正常值，低压板式换热器阻力及热端温差均在正常指标，排除了低板异常的可能性。

3 处理方案及措施

3.1 处理方案

内压缩流程空分是该行业应用最普遍的煤化工生产技术之一，空分采用内压缩流程，液氧、液氮经液体泵压缩后在高压板翅式换热器内与高压空气换热汽化后送往下游装置，所以高压板翅式换热效果直接影响到整个系统生产负荷及能耗。传统解决高压板翅式换热器内异物的方法是对整个系统进行加温吹扫，但高压板翅式换热器高压空气通道和膨胀空气通道没有设置专门的吹扫口，对换热器内存在的异物无法通过普通加温吹扫的方法进行彻底清除，不能从根本上解决高压板翅式换热器堵塞问题。表1 为高板故障状态和正常状态重要参数对照。

表1 高板故障状态和正常状态重要参数对照

本装置高压板翅式换热器采用单台进口（FIVES）产品，为多层板翅式换热器，各通道中的冷、热流体通过翅片和隔板进行换热，液氧从主冷氧侧引出，经液氧泵加压后，在高压板翅式换热器分别与空气增压机二段出口2.7 MPa 和三段段出口7.0 MPa 的加压空气换热，液氧气化至3.6 MPa 后送入氧气管网。从上塔上部引出的污氮气经过冷器和高压板翅式换热器复热后出冷箱去水冷塔[2]。具体流程见图3。

图3 高压板翅式换热器各通道流程简图

经过全方面分析判断，计划利用系统大修期间采取反吹的方法对高板液空通道进行彻底吹扫，同时对高板其他通道也进行吹扫，尽可能消除各个通道存在的污堵，从而让空分装置的运行效果得到充分的改善。

3.2 处理措施

2021 年4 月，公司利用大修机会，对空分装置进行常规复热36 h，同时对高板进行反吹（在此期间低压换热器正常吹扫），具体反吹方案如下：

3.2.1 反吹前的准备

1）缓慢关闭高压液空节流阀HV-171501、增压机末级送气阀HIC-171066，现场打开高压液空吹除阀V171402，将高压液空通道降压至无压力。

2）在高压空气进冷箱尽量靠近冷箱合适位置对管道进行开孔，开孔完成后必须清理干净开孔产生的铁屑等机械杂质，开孔处增加DN150 管道与主管道承压相同增加并增加DN150 常温蝶阀（用于快速开关,不断改变通道流速），吹扫工作完成后拆除该新增换线及阀门，管道口加堵板并焊接牢靠。

3）临时管道施工，现场将增压机二段送气阀FIC-171063 关闭，增压机二段至膨胀机增压端管线压力排尽，膨胀机增压端进口管线处增加盲板，防止吹扫气体进入膨胀机增压端。

4）将两台膨胀机增压端回流阀拆除，阀前管道法兰处分别连接DN50 临时管与氧气通道吹除阀V-171401 和高压液空吹除阀V-171402 对接，对接完成后关闭该阀。

5）临时管道可提前预置，严格脱脂、吹扫干净后通过法兰连接。

3.2.2 反吹工艺处置（见图4）

图4 反吹工艺处置示意图

第一流路，现场将新增DN150 常温碟阀全开，高压空气导淋阀V-171402 打开，膨胀机增压端入口阀缓慢打开；确认关闭高压液空节流阀HV-171501，关闭增压机末级送气阀HIC-171066，缓慢打开增压机二段送气阀FIC-171063 控制流量约20 000 m3/h，压力约2.0 MPa 进行反吹扫。

第二流路，中控确认氧气管线放空阀PCV-171405 开至50%，现场关闭氧泵出口阀截止阀，打开液氧管线导淋阀V-171401，缓慢打开增压机二段送气阀FIC-171063 控制流量约20 000 m3/h，压力约2.0 MPa。通过氧气放空阀PCV-171405 开度大小控制吹扫气量，要保持压降小于0.3 MPa。

第三流路，将增压端出口阀关闭，脱开阀后法兰并加挡板，增压端入口管线盲板已就位，缓慢打开增压机二段送气阀FIC-171063 控制流量约20 000 m3/h，压力约2.0 MPa。

反向吹扫的流速必须达到或者超过20 m/s，否则效果将大打折扣，第一流路（高压液空通道）在吹扫过程中为连续性吹扫120 h，第二流路检测露点合格后切换至第三流路进行吹扫。

辅助高压板式复温（污氮通道）吹扫流路，尽可能多的将污氮气通过高压板翅式换热器污氮通道经FCV-171405 去水冷塔。

4 处理后效果

经过本次冷箱系统较大幅度加温以及对高压板翅式换热器液空通道、液氧通道、膨胀空气通道的复温及吹扫，且严格按反吹方案及节点执行，圆满地完成了本次反吹任务。高压板翅式换热器各通道检测露点及多次打靶实验均合格。高压液空通道露点-76.7℃，膨胀空气通道露点-78.4 ℃，液氧通道露点-77.9 ℃。

2021 年5 月，生产系统大修完成，空分装置热态开车，产出合格产品氧气、氮气，彻底解决了高压板翅式换热器氧侧跑冷的异常现象，高板热端温差恢复至设计范围，冷量回收充分，各项工艺参数（见表2）均在正常范围。

表2 反吹后运行工况重要参数

5 结语

空分装置高压板翅式换热器换热效果是否良好,回收冷量是否充分，是正常的生产的主要制约因素。如果换热器内的污堵物不能被有效吹除,势必影响空分设备长周期安全、稳定运行和公司的长期经济效益。经过公司技术人员对故障的正确分析、判断以及大胆尝试,成功地解决了高压板翅式换热器液空通道污堵故障，增加了空分装置操作人员对空分设备的认知能力,增强了对异常情况的分析、判断以及处理的方法，从而使操作人员在空分设备管理和维护方面积累了宝贵的经验。