淺談空分裝置膨脹機(jī)切換實(shí)踐與問題處理

李宏陽

（中海石油華鶴煤化有限公司，黑龍江 鶴崗 154100）

1 概述

中海石油華鶴煤化有限公司（簡稱華鶴公司）配有1 套KDON-45000/53500 型空氣分離裝置，采用分子篩系統(tǒng)吸附凈化，增壓透平膨脹機(jī)空氣進(jìn)下塔，氧氮產(chǎn)品氣內(nèi)壓縮的工藝流程。膨脹機(jī)制冷系統(tǒng)配有兩臺膨脹機(jī)組，一臺為國產(chǎn)機(jī)組，一臺為進(jìn)口機(jī)組，在全系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)為進(jìn)口膨脹機(jī)組運(yùn)行制冷，國產(chǎn)膨脹機(jī)組停機(jī)備用狀態(tài)。2017 年7 月進(jìn)口膨脹機(jī)因通訊故障跳車，啟動國產(chǎn)膨脹機(jī)運(yùn)行維持生產(chǎn)，檢修結(jié)束后，為了進(jìn)行檢修后運(yùn)行試驗(yàn)，需要在線切換膨脹機(jī)運(yùn)行。

2 膨脹機(jī)制冷系統(tǒng)介紹

增壓機(jī)二段出口的工藝空氣，壓力為2.7MPa，溫度為40℃。其中有63000Nm3/h 的工藝空氣進(jìn)入增壓透平膨脹機(jī)，經(jīng)膨脹機(jī)增壓端加壓至4.0MPa 后，進(jìn)入冷箱的高壓板式換熱器與反流的氧氮產(chǎn)品氣和污氮?dú)鈸Q熱，溫度被降至-110℃，再經(jīng)膨脹機(jī)膨脹端膨脹至壓力0.485MPa，溫度-173℃后，進(jìn)入到精餾塔的下部。增壓透平膨脹機(jī)通過等熵膨脹產(chǎn)生大量冷量，占空分裝置總制冷量的70%左右。

3 切換過程風(fēng)險(xiǎn)分析及應(yīng)對措施

在2 臺膨脹機(jī)組進(jìn)行切換的過程中，由于增壓機(jī)來的總氣量一定，切換過程會導(dǎo)致高壓板式換熱器正向流動熱氣源發(fā)生改變，導(dǎo)致板式換熱器冷熱平衡穩(wěn)定狀態(tài)被破壞，出現(xiàn)跑冷現(xiàn)象。所以我們在切換的時(shí)候重點(diǎn)關(guān)注高壓板式換熱器的跑冷情況，盡量縮短平衡被破壞的時(shí)間。避免出現(xiàn)以下風(fēng)險(xiǎn)：一是正流熱氣源減少，冷熱平衡破壞跑冷損失嚴(yán)重，氧氮產(chǎn)品氣體送出溫度快速下降，導(dǎo)致氧泵氮泵聯(lián)鎖停車，裝置生產(chǎn)中斷；二是在切換過程操作過快，在國產(chǎn)膨脹機(jī)組退氣的時(shí)候，導(dǎo)致增壓機(jī)組憋壓發(fā)生喘振，切換失敗。

根據(jù)我們分析的切換風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)對的總體思路就是控制切換過程氣量的變化，穩(wěn)定高壓板式換熱器冷熱平衡，制定預(yù)防措施主要有以下幾點(diǎn)：一是提前減少一部分產(chǎn)品氣體送出，減少冷量采出，縮短在切換過程中正流氣體減少，跑冷現(xiàn)象發(fā)生時(shí)間；二是在進(jìn)口膨脹機(jī)組啟動時(shí)，會出現(xiàn)增壓機(jī)二段流量發(fā)生改變，注意運(yùn)行機(jī)組的轉(zhuǎn)速及壓力變化，在進(jìn)口機(jī)組提壓過程中，國產(chǎn)機(jī)組要先降負(fù)荷，退回部分工藝氣，避免出現(xiàn)壓縮器入口氣量不足的異常狀態(tài)發(fā)生；三是控制兩臺機(jī)組的回流閥開度，在進(jìn)口機(jī)組啟動后，增壓端初期排氣壓力低于國產(chǎn)機(jī)組，氣體處于一個全回流狀態(tài)，隨著切換的進(jìn)行，轉(zhuǎn)速的提高，增壓端排氣壓力會逐漸高于國產(chǎn)機(jī)組，這時(shí)國產(chǎn)機(jī)組的氣量處于全回流狀態(tài)，要及時(shí)開大國產(chǎn)機(jī)組回流閥，這個過程要注意氣體溫度和氣量以及機(jī)組振動的變化；四是國產(chǎn)膨脹機(jī)組停機(jī)前應(yīng)將負(fù)荷降至最低，防止停機(jī)時(shí)退回的氣量造成增壓機(jī)喘振動作，導(dǎo)致運(yùn)行進(jìn)口機(jī)組轉(zhuǎn)速升高。

4 切換過程

4.1 第一次切換

（1）由于國產(chǎn)機(jī)組油壓是手動通過回流閥調(diào)整，需要現(xiàn)場操作人員到國產(chǎn)膨脹機(jī)油壓回流閥處，做調(diào)整油壓準(zhǔn)備，國產(chǎn)膨脹機(jī)在調(diào)整負(fù)荷的時(shí)候，油壓會有波動，并且?guī)в杏蛪旱吐?lián)鎖0.14MPa 停機(jī)，需穩(wěn)定油壓在0.25MPa 左右。

（2）按著進(jìn)口膨脹機(jī)組啟動操作規(guī)程，現(xiàn)場依次打開進(jìn)口膨脹機(jī)增壓端入口閥V01451，出口閥V01454，膨脹端入口閥V01461，出口閥V01463，做啟動前準(zhǔn)備，通知空壓機(jī)組崗位穩(wěn)定增壓機(jī)二段出口壓力在2.6MPa 以上，告知在給國產(chǎn)膨脹機(jī)降負(fù)荷的過程中，二段出口壓力會有大的漲幅。

（3）通知到調(diào)度，得到允許切換指令后，開始緩慢降低國產(chǎn)膨脹機(jī)負(fù)荷，通過開大回流閥HV01458 和關(guān)小導(dǎo)葉HC01452，降低膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速（以每次閥位2%的速率進(jìn)行調(diào)整），使運(yùn)行轉(zhuǎn)速19800rpm 緩慢降到10000rpm，具備啟動進(jìn)口膨脹機(jī)條件，在降的國產(chǎn)機(jī)組負(fù)荷過程中，增壓機(jī)三段出口壓力緩慢提高至6.8MPa 以上，維持高壓板式換熱器冷熱平衡，防止出現(xiàn)跑冷損失。

（4）進(jìn)口膨脹機(jī)聯(lián)鎖復(fù)位后啟動，15 秒內(nèi)通過最低轉(zhuǎn)速5000rpm，在將轉(zhuǎn)速緩慢提高至13000rpm 時(shí)，運(yùn)行十分鐘觀察機(jī)組運(yùn)行參數(shù)，準(zhǔn)備過臨界轉(zhuǎn)速區(qū)，在膨脹空氣總量不變的情況下，繼續(xù)緩慢降低國產(chǎn)膨脹機(jī)的負(fù)荷，在國產(chǎn)膨脹機(jī)降到5000rpm 后停運(yùn)國產(chǎn)膨脹機(jī)。

（5）機(jī)組二段壓力保持2.6MPa 以上，告知機(jī)組崗位準(zhǔn)備過臨界轉(zhuǎn)速區(qū)，開進(jìn)口膨脹機(jī)導(dǎo)葉HC01409，關(guān)回流閥FV01457，進(jìn)行快速過臨界轉(zhuǎn)速13500 ～16500rpm，轉(zhuǎn)數(shù)在達(dá)到16500rpm 時(shí)，由于密封氣壓差波動到低聯(lián)鎖值50kPa，導(dǎo)致進(jìn)口膨脹機(jī)聯(lián)鎖跳停。

（6）兩臺膨脹機(jī)組停車后，高壓氮?dú)馔馑蜏囟妊杆俳档?，失去制冷來源，因冷量不足，精餾塔氧液位也逐漸降低，立即通知?dú)饣癄t減煤漿量退產(chǎn)品負(fù)荷進(jìn)行緩解，為了防止主冷液位過低觸發(fā)氧泵聯(lián)鎖，又迅速啟動國產(chǎn)膨脹機(jī)組，維持生產(chǎn)運(yùn)行。

4.2 第二次切換

（1）為防止再次出現(xiàn)跳停事件，安排現(xiàn)場工藝操作人員到進(jìn)口膨脹機(jī)組密封氣調(diào)節(jié)手閥處，準(zhǔn)備進(jìn)行人為跟蹤密封氣壓差。

（2）按第一次切換操作步驟（1）～（5），進(jìn)行第二次切換操作，重新啟動進(jìn)口膨脹機(jī)組進(jìn)行切換，在過臨界轉(zhuǎn)速區(qū)時(shí)，放慢沖轉(zhuǎn)速度（180 秒內(nèi)通過就不會出現(xiàn)聯(lián)鎖跳停），通過對講機(jī)溝通，人為穩(wěn)定密封氣壓力，最終進(jìn)口機(jī)組成功度過臨界轉(zhuǎn)速區(qū)，進(jìn)入運(yùn)行轉(zhuǎn)速階段。

（3）通過調(diào)整高壓板式換熱器污氮?dú)夂脱醯獨(dú)馊〕隽?，使高壓板式換熱器達(dá)到冷熱平衡，恢復(fù)裝置生產(chǎn)運(yùn)行負(fù)荷。

5 切換過程分析

5.1 跳車原因分析

第一次切換失敗后，對密封氣壓差低造成的膨脹機(jī)跳車進(jìn)行原因分析，膨脹機(jī)啟動后，密封氣系統(tǒng)由外供轉(zhuǎn)為機(jī)體自供，在緩慢增加到臨界轉(zhuǎn)速區(qū)前時(shí)，密封氣壓差未發(fā)生變化，隨著轉(zhuǎn)速的升高，密封需求氣量增大，而從增壓段出來的密封氣經(jīng)過自力式調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，密封氣量沒有及時(shí)供應(yīng)，懷疑閥門組件出現(xiàn)問題，聯(lián)系儀表對閥門進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)自力式調(diào)節(jié)閥內(nèi)彈簧故障，失去調(diào)節(jié)能力，導(dǎo)致在快速通過臨界轉(zhuǎn)速區(qū)的時(shí)候密封氣量不足，膨脹機(jī)聯(lián)鎖跳停。由于此閥門沒有備件，不具備檢修條件，所以未對自力式調(diào)節(jié)閥進(jìn)行下線檢修，經(jīng)過商議決定在第二次切換的時(shí)候，工藝人員到現(xiàn)場進(jìn)行手動調(diào)節(jié)，保證密封氣壓差穩(wěn)定，繼而完成切換操作。

5.2 切換數(shù)據(jù)分析

表1 切換過程數(shù)據(jù)變化

在進(jìn)口機(jī)組啟動后，膨脹空氣量瞬間增加了10000Nm3/h左右，國產(chǎn)機(jī)組膨脹端入口壓力未出現(xiàn)大浮動，兩臺機(jī)組低負(fù)荷同時(shí)運(yùn)行，沒有出現(xiàn)膨脹空氣量不足的問題。由表1 在線切換數(shù)據(jù)得出，在低負(fù)荷運(yùn)行的情況下，膨脹空氣管線存在一定的富余量，因此瞬間增加10000Nm3/h 膨脹空氣，對膨脹空氣壓力影響不明顯，進(jìn)口膨脹機(jī)啟動后的分流效果也不明顯，判定在增壓機(jī)二段出口空氣總量一定的情況下，提前降低運(yùn)行機(jī)組負(fù)荷至50%以下，分出一定膨脹氣量啟動另一臺機(jī)組，是滿足啟動條件的，在切換過程中，控制好氣量變化，可以順利完成膨脹機(jī)組的在線切換。

5.3 存在不足

由于崗位工藝人員都沒有膨脹機(jī)在線切換經(jīng)驗(yàn)，此次切換前，聯(lián)系后系統(tǒng)退回氧氮產(chǎn)品氣量不足，在膨脹機(jī)意外跳停后由于缺少一股熱源，導(dǎo)致高壓板式換熱器冷熱失衡，熱端溫差下降過快，產(chǎn)品氣溫度接近聯(lián)鎖值（-5℃），雖然后期又緊急退回一部分氧氮量，穩(wěn)住系統(tǒng)運(yùn)行，仍對高壓板式換熱器及精餾塔指標(biāo)造成了大幅度波動。

6 結(jié)語

在空分裝置生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)，膨脹機(jī)組采用一開一備的狀態(tài)，備用的膨脹機(jī)應(yīng)處于密封氣、油系統(tǒng)正常投用，管線設(shè)備維持正壓狀態(tài)。當(dāng)運(yùn)行膨脹出現(xiàn)故障需要停車檢修的時(shí)候備機(jī)能及時(shí)的在線切換；防止運(yùn)行膨脹機(jī)跳車時(shí)，備機(jī)能夠正常啟動運(yùn)行，避免裝置停車風(fēng)險(xiǎn)。此次兩臺膨脹機(jī)的切換過程給我們積累了切換操作經(jīng)驗(yàn)，收集了切換數(shù)據(jù)，為將來可能進(jìn)行的切換操作建立參考點(diǎn)。從本次切換實(shí)踐數(shù)據(jù)來看，膨脹機(jī)的在線切換只要準(zhǔn)備充分、組織有序，可以實(shí)現(xiàn)不減氧或少減氧的方式完成切換，減少經(jīng)濟(jì)損失。