空分装置主冷液位不涨的原因分析与解决措施

李宏阳,张伟华

(中海石油华鹤煤化有限公司， 黑龙江鹤岗 154100)

中海石油华鹤煤化有限公司(简称华鹤公司)配有1套KDON-45000/53500型空分装置，采用分子筛吸附净化、增压膨胀机空气进下塔、双塔精馏、氧氮产品气内压缩的工艺流程。2020年7月全厂停车大修结束后，空分装置开车运行，运行稳定后出现主冷凝蒸发器(E01301)氧液位(简称主冷液位)不足。提高膨胀机负荷，加大制冷量后，主冷液位仍不能满足后系统满负荷氧气用量。经数据对比分析，确认高压板式换热器(E01302A/B)空气管线出现堵塞，通过负荷调整维持运行，直到2021年7月检修期间，空分装置加温吹扫完成，工况恢复正常。

2020年7月，空分装置检修后开车，按照操作规程正常启动后，空分装置运行正常，未出现异常数据。随着空分装置运行时间的延长，在维持氧气体积流量为35 000 m3/h、未进行特殊操作的情况下，主冷液位出现下降；
将膨胀机负荷加满，装置冷量依旧不足，后系统多次出现被迫减负荷、减少用氧量的情况。膨胀机负荷调整前后数据见表1。

分析主冷液位下降的原因可能为：

(1) 主冷液位计(LI01302)失真。该液位计在使用期间出现间歇性故障，有可能是信号传输导致的液位下降。联系仪表专业人员对该液位计联锁切除后进行检查，确认液位计变送器信号正常，因此排除液位计失真导致主冷液位下降的情况。

表1 膨胀机负荷调整前后数据

(2) 氧氮产品气取出量过大。空分装置氧氮产品气取出量增大，而进塔加工空气量没有增加，出现入不敷出的现象，导致空分装置冷量不足，体现为主冷液位下降。检查运行工况发现后系统生产负荷无变化，氧氮产品气取出量没有增加。因此，排除氧氮产品气取出量过大导致主冷液位下降的情况。

(3) 冷箱内设备发生泄漏。冷箱内设备管线发生大量气体泄漏，冷箱保护气压力升高，从冷箱呼吸帽处会冒出大量冷气，如果发生的是液体泄漏，则冷箱的基础温度会出现大幅度下降。从集散控制系统(DCS)画面趋势观察，冷箱保护气压力点稳定，无上涨情况，基础温度也未发生大幅度下降。对冷箱内气体进行取样分析，冷箱上部气体含氧体积分数为7.1%，中部气体含氧体积分数为13.1%，下部气体含氧体积分数为17.1%。气体含量与每周常规样品检测数值基本一致，从冷箱外观观察，主冷箱外表面未见结霜位置，因此排除冷箱内设备发生泄漏导致主冷液位下降的情况。

(4) 膨胀机制冷效率下降。膨胀机的总制冷量与单位制冷量和膨胀量有关，单位制冷量与膨胀机膨胀端的进出口压力及进口温度有关，所以通过调整膨胀机的进气量、转速、进出口压力及进口温度，能够发挥膨胀机的制冷效率。主冷液位下降后，膨胀机工况已进行调整且达到了超高负荷运行状态，冷量不足的异常状态有所改善，但是在膨胀机超高的负荷下，才能维持35 000 m3/h的氧气体积流量，而且出现白天降、晚上微涨的情况，与装置满负荷45 000 m3/h的氧气体积流量差距很大，怀疑增压端出口进入高压板式换热器的热态空气管线发生堵塞，导致换热器效率下降。

(5) 热端温差大，冷量损失增加。通过查找检修前高压板式换热器运行的热端气体数据，与现在的运行数据对比分析，发现热端温差增加了5 K左右，板式换热器的冷量损失增加了，损失的冷量已经大于膨胀机的制冷量，导致在膨胀机超高负荷下运行仍不能满足现有的产品量输出。高压板式换热器数据对比见表2。

表2 高压板式换热器数据

通过以上原因分析，判断高压板式换热器空气管线发生堵塞。由于各装置刚刚检修完成启动运行，空分装置通过操作调整可以维持基本生产能力，因此决定特护运行，观察各指标变化趋势。若运行指标恶化，则申请装置停车。

为了维持装置生产，通过不断调整参数，总结出一套操作方法维持稳定生产直到2021年7月装置停车检修加温。具体操作方法为：

(1) 操作原则为维持35 000 m3/h氧气体积流量，工况不做大幅度调整，维持预冷系统冷水机运行，调整空冷塔出口空气温度≤16 ℃。

(2) 分子筛均压期间，及时开大空压机导叶补充气量，均压结束后，及时关回导叶，避免空压机排气压力过高和进低压板式换热器气量过大。分子筛切换运行初期，如果低压板式换热器(E01303A/B/C/D/E)冷端空气温度≥-162 ℃，及时将高压板式换热器污氮气调整到低压板式换热器，将温度控制在-164～-168 ℃。

(3) 运行期间空冷塔出口压力控制在0.491～0.496 MPa。

(4) 膨胀机膨胀端进口温度控制在-102～-110 ℃，转速控制在19 800～20 300 r/min。

4.1 系统复热

系统排液，空分装置停车后，投用蒸汽喷射器，排净上、下层主冷，下塔液空，小液氮罐，氧、氮泵内液体，开大喷射蒸汽量，缓慢全开排液阀门，现场拉警戒线。液体排空后静置2 h，总排液时间可控制在6 h内。

按照正常精馏塔引气步骤，向精馏塔内引热空气，空分装置复热前期必须严格控制进塔气量，反流污氮气阀门不能过早开启，否则会造成低压板式换热器跑冷。以上塔压力≤50 kPa为界限，适当开反流污氮气阀门。此次复热初期，反流污氮气阀门开得稍早，造成低压板式换热器温度最低约为-10 ℃。

空分装置复热时不需要开下塔去上塔启动管线阀门，根据主冷升温速率，打开上、下层主冷排液阀，保持下塔和主冷之间端面温差≤30 K，均匀缓慢上升，复温后期2个阀门保持全开至复温结束。下塔和液氮管线排液导淋前期根据温度调整开度，后期始终保持1/3开度。

当精馏系统各温度点升至-140 ℃时，温度上涨缓慢，主要因为精馏系统塔内冷量通过高低压板式换热器反复回收，冷箱积聚系统内不能及时排冷。该阶段应尽量开大现场精馏系统外排导淋，将系统内冷量尽量排放至外界，同时做好警戒隔离措施。

进口膨胀机膨胀端复热时，需要严格控制进口膨胀机进口气体积流量≤2 000 m3/h，否则进口膨胀机会出现转速。加温流路为：增压端进口阀旁路→增压端出口阀→膨胀端进口阀→加温吹除导淋，用旁路阀控制，其余阀门全开。如果膨胀机出现转速，可适当关小增压端出口阀和膨胀端进口阀。

高压板式换热器可与系统一起复热，三段空气高压节流阀门(HV01308)在测温点温度(TI01322)≤-20 ℃前可以打开向精馏系统导气，用来复热污氮、低压氮、氧氮气管线，TI01322>-20 ℃时需要关闭三段空气高压节流阀门，因为高压空气节流会产生冷量导致精馏系统温度上涨缓慢。

复温后期，精馏塔下塔液位调节阀(LV01301)、液氮进上塔调节阀(HV01302)、污液氮进上塔调节阀(FV01303)、贫液空进上塔调节阀(HV01304)、粗氩塔液位调节阀(LV01309)、低压板式换热器污氮气调节阀(PV01332)、低压板式换热器粗氩气调节阀(FV01333)、低压板式换热器氧气调节阀(FV01334)、高压板式换热器污氮气调节阀(PV01331)全开。

复热流程见图1。

4.2 系统吹扫

在冷箱内各测温点温度达到0 ℃以上时，由加温阶段转为吹扫阶段。先吹扫高压板式换热器。如果先吹扫低压板式换热器，其体积流量(100 000 m3/h)会导致低压板式换热器空气进下塔温度(TI01301)降低，影响整体复热效果。

吹扫时应集中气量分别对低压板式换热器污氮管线、高压板式换热器污氮管线、低压氮气管线、高压氧气管线、高压氮气管线分别进行吹扫。

吹扫流路为：

(1) 污氮气导至高压板式换热器，全开PV01331，关小PV01332，控制上塔压力≤50 kPa，高压板式换热器污氮气分2组吹扫。第1组：全开E01302A污氮气外送手阀(V01315A/B)→PV01331，全关E01302B污氮气外送手阀(V01316A/B)，吹扫12 h，关闭阀门时注意上塔压力。第2组：全开V01316A/B→PV01331，全关V01315A/B，吹扫12 h，关闭阀门时注意上塔压力。

(2) 污氮气导至低压板式换热器，全开PV01332，关小PV01331，控制上塔压力≤50 kPa，吹扫12 h。

(3) 高压空气旁通氧气管线，全开高压空气旁通总阀(V01374B)→高压空气旁通高压氧气管线阀门(V01375B)→高压氧气放空调节阀(FV01339B)放空，吹扫18 h，全开阀门的总气体积流量为5 500 m3/h左右。

(4) 高压空气旁通氮气管线，全开V01374B→高压空气旁通高压氮气管线阀门(V01376B)→高压氮气放空调节阀(FV01336B)放空，吹扫18 h，全开阀门的总气体积流量为5 500 m3/h左右。

(5) 低压氮气管线吹扫，低压氮气放空调节阀(FV01335B)阀门开大，体积流量取13 000 m3/h左右吹扫。

(6) 进口膨胀机冷端吹扫，增压端进口阀(V01451)→增压端出口阀(V01454)→膨胀端进口阀(V01461)→膨胀端吹除阀(V01483)，用旁路阀控制，其余阀门全开，以膨胀机无转速为原则，控制吹扫气体积流量≤2 000 m3/h。如果膨胀机出现转速，可以适当关小V01454、V01461保持小开度，通过旁路阀控制气量。

(7) 国产膨胀机冷端吹扫，增压端进口阀(V01452)→增压端出口阀(V01456)→膨胀端进口阀(V01462)→膨胀端吹除阀(V01484)，用旁路阀控制，其余阀门全开，以膨胀机无转速为原则，控制吹扫气体积流量≤2 000 m3/h，如果膨胀机出现转速，可以适当关小V01456、V01462，保持小开度，通过旁路阀控制气量。

吹扫污氮气管线与氧氮气管线同时进行，共计36 h；
三段压力提至6.0 MPa,吹扫氧气管线时，氮气管线放空阀关闭，吹扫氮气管线时，氧气管线放空阀关闭。

仪表点吹扫，在吹扫过程中，打开精馏塔下塔压差表(PDI01301)、精馏塔上塔压差表(PDI01302)、粗氩塔压差表(PDI01303)、精馏塔下塔液位计(LIC01301)、主冷下层液位计(LI01302)、主冷上层液位计(LI01303)、粗氩塔液位计(LIC01309)，现场变送器处就地吹除管，进行吹扫。

在各吹扫点进行露点分析，连续2次露点≤-60 ℃为吹扫合格。开车后运行数据对比见表3。

表3 空分冷箱复温前后主要数据对比

空分装置复热后，各工艺参数恢复到正常运行指标，膨胀机运行工况得到优化，板式换热器热端温差缩小，主冷液位在35 000 m3/h的氧气体积流量下，膨胀机正常负荷运行即可满足生产。膨胀机满负荷运行能够将氧气体积流量取到45 000 m3/h，满足气化炉在线切换的条件，彻底解决了由于板式换热器堵塞导致主冷液位不涨的问题，同时对系统加温吹扫的方法进行了总结优化，为以后的工艺操作提供了技术参考。