空分裝置氧氣產品流量波動原因分析與處理

楊 超，施金素

(寧波鎮(zhèn)海煉化林德氣體有限公司，浙江 寧波 315200)

1 前 言

寧波鎮(zhèn)海煉化林德氣體有限公司2#空分裝置于2010年建成投產，為100 萬t乙烯項目中的EO/EG項目配套，設計氧氣產能35 000 Nm3/h，氧氣產品壓力3.0 MPa，4.8 MPa高壓氮氣產能22 000 Nm3/h，0.8 MPa低壓氮氣產能30 000 Nm3/h，液氧產能2000 Nm3/h，液氮產能1000 Nm3/h，液氬產能1200 Nm3/h。采用杭氧成套設備，工藝流程采用空分裝置與后備系統(tǒng)組合方式：空分液氧的內壓縮泵與后備系統(tǒng)液氧輸送泵共用，液氧從空分主冷取出后進入液氧儲罐，經過設置在后備系統(tǒng)的液氧泵壓縮后分兩路流程，正常生產時一路返回空分板式換熱器復熱后作為空分氧氣產品送出；另一路進入后備系統(tǒng)氣化器氣化后，并入氧氣管網，此流程僅在空分主裝置異常時投用，如圖1所示。

圖1 氧氣后備系統(tǒng)流程示意圖

2 氧氣產品流量波動情況

2.1 氧氣小幅度波動情況

2010年裝置投產后，在第一個運行周期內，未發(fā)生明顯的氧氣流量波動現(xiàn)象，在2014年對裝置進行一次大修后，供應給客戶的氧氣產品流量經常會出現(xiàn)波動，表現(xiàn)為氧氣流量快速下降10%左右，期間伴隨壓力波動，每天1～2次，持續(xù)2～3個月，通常不用操作人員進行干預，工況會在3 min內恢復正常。若工況未快速恢復，氧氣流量波動下降低至流量設定值，放空閥自動打開，使波動加劇，需立即手動關閉放空閥，觀察壓力恢復情況，如壓力快速恢復，則不需要繼續(xù)調整，否則，打開泵回流閥排氣并提高轉速。長期波動情況如圖2所示。

圖2 2015年2月12日至2015年5月26日氧氣波動情況

以2019年11月26日7：20氧氣流量波動為例，在操作人員沒有相關操作的情況下，板式通道氧氣流量FIC50102從28 000 Nm3/h降至24 565 Nm3/h，液氧泵P-501A電流II50601A從89.4 A上升至91.1 A，氧泵出口壓力PIC50603A及管網壓力PI50106、PI50102下降約15 kPa，隨后工況自動恢復正常，整個過程持續(xù)2 min，如圖3所示。

圖3 氧氣流量小幅度波動情況

2.2 氧氣大幅度波動情況

2019年12月9日、11日、12日，相繼出現(xiàn)3次較大的波動，氧氣流量下跌幅度達30%，壓力波動也比較大，下降30 kPa，嚴重影響下游裝置平穩(wěn)運行，期間于17日將氧泵切換運行后，波動頻次和波動幅度無明顯改善，23日大幅度波動再次發(fā)生，24日上午波動的頻次和幅度明顯加強，按照前期制定的排查方案對后備系統(tǒng)管路進行排查，排查過程中關閉后備系統(tǒng)手動閥V50617，之后48 h內未發(fā)生波動，如圖4。其中23日波動的參數(shù)變化情況如圖5。2019年12月23日8:36氧氣流量大幅度波動，氧氣流量快速下降10 000 Nm3/h，跌幅達35%，與前期小幅度波動有區(qū)別的現(xiàn)象是后備系統(tǒng)氧氣壓力、溫度明顯上升。

圖4 后備系統(tǒng)手動閥關閉前后氧氣波動情況

圖5 2019年12月23日氧氣流量大幅度波動

3 可能原因分析

氧氣流量頻繁波動的共性表現(xiàn)為外供氧氣流量下降、泵出口壓力及外供壓力下降，泵電流上升，基本上不用人工干預，很快會恢復正常。本裝置設置有兩臺液氧泵，位號為P-501A/B，一開一惰轉備用，液氧泵切換運行后均出現(xiàn)相同現(xiàn)象。根據以上現(xiàn)象分析可能的原因有：

1. 電網電壓欠壓；

2. 液氧排放等原因導致實際進入管網的氣量減少造成波動；

3. 液氧泵氣蝕；

4. 后備系統(tǒng)氣化管路影響，因某種原因引起流程發(fā)生變化導致間歇性打通兩路供氧通道。

4 排查及處理過程

根據每次波動的參數(shù)趨勢分析，排查時先確認各參數(shù)測量準確，泵出口壓力、氧氣管網壓力、客戶氧氣壓力同時下降表明壓力下降是真實發(fā)生；氧氣外送流量及客戶流量指示同時發(fā)生波動，表明氧氣流量確實發(fā)生波動；電流的變化情況無其他參數(shù)直接進行驗證。根據可能的原因對現(xiàn)場逐一排查，按照先驗證電流變化情況，其次分析液氧排放及泵運行狀態(tài)，最后分析后備系統(tǒng)氣化管線影響的次序進行。

4.1 電壓欠壓

4.1.1電網波動

2018年10月曾發(fā)生過一次因電網波動導致氧氣流量波動的情況，平常同線路上其它高壓電機啟動時也有小幅度波動，經排查液氧泵的變頻器負載率較高，容易因為電壓波動造成打量波動。近期氧氣流量波動時電氣后臺監(jiān)控未記錄到電壓波動，且液氮泵、液氬泵等低溫泵未出現(xiàn)波動，且長期以來每次波動都只發(fā)生在氧泵，可排除電網波動影響。

4.1.2液氧泵變頻器輸出模塊故障

液氧泵變頻器輸出模塊無故障報警，可排除。

4.1.3電流顯示誤差存在干擾

經排查變頻器輸出信號與DCS顯示值誤差在正常范圍內，電流與壓力、流量同步波動，可排除干擾。

4.2 液氧排放或返罐

根據分析，如果流程出現(xiàn)液體排放或者泵出口返回液體罐閥門開度出現(xiàn)波動的情況，會發(fā)生氧氣流量波動現(xiàn)象，針對此分析進行了如下的排查。

4.2.1液氧排放

核對工藝流程，現(xiàn)場逐一檢查液氧泵進、出口安全閥；液氧泵入口、出口排放閥；液氧管線安全閥、排放閥；氧氣管線安全閥等。皆未見結霜現(xiàn)象，可排除液氧排放導致波動的可能。

4.2.2液氧返罐

正常生產時液氧泵返罐回流閥處于自動控制全關狀態(tài)，閥門回訊有1.5%波動，在-3.5%～-5%，現(xiàn)場回流閥檢查未見明顯抖動，且每次氧氣產品流量波動時，液氧儲罐壓力未見波動?？梢耘懦貉鯊谋贸隹诨亓鏖y返罐的可能。

4.3 液氧泵氣蝕

4.3.1液氧過冷度不足

液氧泵入口、出口管線及回流管線未見嚴重的大面積結霜現(xiàn)象，與公司其它空分裝置液氧泵相比管線彎頭未見明顯增加，液氧儲罐溫度長期維持在-180℃左右的穩(wěn)定狀態(tài)。為了進一步驗證影響情況，2019年11月27日至12月16日液氧進儲罐溫度從-180.86℃逐漸降至-182.6℃，調節(jié)過冷度，氧氣波動情況未見好轉。排除因管線跑冷，入口管線彎頭過多，液氧過冷度不足造成閃蒸量大，泵入口帶氣導致泵氣蝕，最終影響氧氣產品流量波動的可能性。

4.3.2泵入口濾網堵塞

2018年大修安排拆清氧泵P-501B入口過濾器，未見明顯雜質，此影響因素排除。

4.3.3加溫解凍氣進入泵內

液氧泵P-501A/B加溫解凍氣進泵箱前流程設置為兩切一排方式，現(xiàn)場確認切斷閥關閉，閥間排放閥處于打開狀態(tài)，且無氣排出，排除加溫解凍氣跑入泵內的可能性。

4.3.4迷宮密封磨損

分析密封氣進入泵的可能性：兩臺液氧泵P-501A/B密封氣壓差保持穩(wěn)定，分析排查過程中將密封氣壓力從0.82 MPa降至0.67 MPa。調整P-501B密封氣壓差從29 kPa降至21 kPa，監(jiān)測密封氣排放口氧含量從0%升至6%，氧氣波動情況未見好轉。2018年大修更換過液氧泵P-501B的迷宮密封組件，可排除迷宮密封磨損，密封氣的氮氣跑入泵中導致泵氣蝕的可能性。

4.3.5泵帶氣

液氧泵其他未識別出的原因導致泵內帶氣，泵P-501A/B回流閥從全關開至3.3%進行排氣，無效果。2019年12月17日切換至P-501B運行，仍有波動，P-501B回流閥開至3%排氣，無改善。在液氧泵回流閥小開度排氣工況下，12月23日、24日氧氣流量再次出現(xiàn)大幅度波動，可排除泵內帶氣的可能性。

4.4 后備系統(tǒng)氣化管線影響

4.4.1后備系統(tǒng)管線存在氣氧

參考其它專利商類似的工藝流程在設計上的差別，在同樣采用空分裝置與后備系統(tǒng)組合共用液氧泵的工藝流程情況下，有的專利商在后備系統(tǒng)管線進氣化器前設置有液氧返罐排氣線，如圖6所示，其作用是：

圖6 帶排氣管線的氧氣后備系統(tǒng)流程示意圖

1. 保證后備系統(tǒng)進氣化器前管線為液相，后備系統(tǒng)啟動過程穩(wěn)定，對管網沖擊??；

2. 保證后備系統(tǒng)進氣化器前這段管線內液氧一直處于流動狀態(tài)，防止因液氧蒸發(fā)導致烴積聚。

本裝置后備系統(tǒng)管線無排氣線，后備系統(tǒng)長期不投用，后備流程從氧泵出口至HV71701，長度大于20 m且管線經兩個彎頭一直是朝上走的趨勢，最高點和最低點的落差有4 m左右，隨著時間推移，外界熱量和氣化器內熱量通過管線傳熱導致V50617至HV71701之間的管線內部分液氧逐漸氣化，氣相聚集在管線高處，在既無法倒流，后路也不暢通的情況下最后會達到一個相對平衡點，兩相平衡點對壓力、溫度反應敏感，稍有變化就會引起部分氧在液相和氣相間轉換，當氣氧液化為液氧時，體積減少700倍，少量的液氧進入后備系統(tǒng)管線，正路板式通道流體被分流引起板式氧氣通道流量降低，壓力下降，而總的液氧量略有增加，泵電流上升，與氧氣小幅度波動時各參數(shù)變化一致，很快會達到一個新的平衡狀態(tài)，即小幅度波動后在3 min內即可恢復正常。

因此可以確定：由于后備系統(tǒng)存在一段超過20 m的不流動管線，因熱量平衡，部分氧介質處于不穩(wěn)定的兩相狀態(tài)，當氣相向液相轉化時，會引起氧氣產品流量小幅度下跌的波動。

4.4.2后備系統(tǒng)自動閥故障

2019年12月24日按照排查方案準備稍開后備系統(tǒng)自動閥進行排氣，操作時發(fā)現(xiàn)自動閥定位器故障，閥門開關不受控制，閥門有抖動現(xiàn)象，為了驗證閥門實際情況，之后在現(xiàn)場臨時安裝了監(jiān)控進行錄像，也捕捉到了閥門有波動的現(xiàn)象。結合流程特點進行分析：從液氧泵出來的液氧，通過后備系統(tǒng)，相比于正常生產時氧氣走換熱器復熱流程距離近、管線阻力減小，當自動閥HV71701波動打開時，部分液氧不穩(wěn)定地通過汽化器復熱后送入管網，此時引起管網流量和壓力波動，閥門的波動狀態(tài)無規(guī)律會引起波動幅度加劇，當氧氣流量波動低至放空閥設定值時，放空閥自動打開，進一步加劇波動，影響下游用戶。

因此，當后備系統(tǒng)自動閥HV71701故障后，閥門開度不受控，裝置原來就存在的氧氣產品小幅度波動工況變得不可控，波動幅度明顯增加。在確認原因后，及時交出更換HV71701定位器，之后氧氣產品流量恢復穩(wěn)定供應。

4.4.3氣化器水溫高

液氧后備系統(tǒng)氣化器加熱蒸汽閥內漏，氣化器水溫長期偏高，處于沸騰狀態(tài)。對自HV71701前的液氧傳熱較多。雖然不是直接導致氧氣流量波動的原因，但傳熱多加劇波動的幅度和波動發(fā)生的頻次。

綜合以上分析，2019年12月9日至12月24日，先后連續(xù)出現(xiàn)的5次氧氣產品流量大幅度波動，原因為后備系統(tǒng)自動閥HV71701故障打開，后備管線中的液氧及氣氧擾動，后備管線阻力小，較多的液氧進入氣化器，正路板式通道流體被分流引起板式氧氣通道流量降低。

5 后續(xù)措施

5.1 改善HV71701使用環(huán)境并加強維護

HV71701位于氣化器頂部，由于氣化器蒸汽閥門內漏，氣化器內溫度常年處于100℃的沸騰狀態(tài)，熱蒸氣不斷蒸發(fā)，周圍環(huán)境較差，閥門振動大，影響儀表元件使用壽命，擇機安排更換蒸氣閥門改善氣化器工況并定期檢查HV71701運行情況。

5.2 定期運行后備系統(tǒng)

由于原始流程設計關系，后期在后備管線增加回流管線的施工風險較高，除每次停工開車時后備系統(tǒng)需流程打通運行一次外，可以定期適當打開HV71701，打通后備流程，將聚集的氣相排走，盡量使管線內保持液體充滿狀態(tài)。

6 結 論

通過分析，裝置氧氣產品小流量的波動是因為后備系統(tǒng)存在介質不流動區(qū)域所致，當后備系統(tǒng)自動閥HV71701故障時，存在裝置主流程和后備系統(tǒng)同時運行的情況，引起氧氣產品流量大幅度波動，在分析清楚原因并落實措施后，至今裝置已運行了一年多時間，未出現(xiàn)明顯波動現(xiàn)象，說明對波動的原因分析以及采取的處理措施是正確有效的。