分子篩故障分析及優(yōu)化措施

王錦波

(中安聯(lián)合煤化有限責(zé)任公司 ， 安徽 淮南 232000)

0 前言

中安聯(lián)合煤化工分公司空分裝置采用林德深冷制氧技術(shù)，建有3套公稱能力為70 000 Nm3/h氧氣的制氧設(shè)備，采用汽輪機(jī)一拖二機(jī)組，分子篩凈化、空氣膨脹制冷流程，配套液體膨脹機(jī)回收液空能量。其中，分子篩吸附器為立式徑向流圓柱容器，內(nèi)裝填型號(hào)為L(zhǎng)MS930S分子篩吸附劑，由林德公司供貨?？辗盅b置自2019年投產(chǎn)至今，發(fā)生了多次分子篩系統(tǒng)故障。本文對(duì)分子篩運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的故障進(jìn)行了分析，并提出解決方案以及達(dá)到的效果，對(duì)分子篩切換過(guò)程中如何操作優(yōu)化進(jìn)行了總結(jié)，以期為同類(lèi)裝置提供參考。

1 工藝流程及其控制簡(jiǎn)介

分子篩吸附系統(tǒng)包括兩臺(tái)交替使用的吸附器2601.01A/B.BA1(工藝流程圖見(jiàn)圖1)，正常運(yùn)行時(shí)，一臺(tái)吸附器工作，另一臺(tái)吸附器再生，切換周期為4 h。切換步驟主要包括卸壓、加熱、冷吹、均壓四個(gè)過(guò)程。分子篩再生氣為來(lái)自冷箱的污氮?dú)?。加熱階段，再生氣經(jīng)再生蒸汽加熱器2602.17.BE1加熱到約188 ℃后進(jìn)入分子篩吸附器床層，以解吸床層里吸附的H2O 、CO2、N2O及碳?xì)浠衔锏?，吸附劑?duì)上述組分的吸附能力有一個(gè)上限，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間工作以后，必須進(jìn)行再生[1]。當(dāng)再生氣出口溫度達(dá)不到要求時(shí)，投用電加熱器2602.18.BE1。在冷吹階段，再生氣直接進(jìn)入分子篩吸附器，冷吹分子篩床層。分子篩的運(yùn)行過(guò)程由程序自動(dòng)控制。

圖1 純化系統(tǒng)部分控制工藝流程圖

2 分子篩運(yùn)行中的優(yōu)化操作

分子篩在切換步驟時(shí)，操作人員發(fā)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)工況會(huì)波動(dòng)，這主要是因?yàn)槌鋲弘A段，吸附桶的空氣量一部分會(huì)進(jìn)入再生桶，將再生桶4 kPa的壓力充至0.45 MPa，以便該再生桶切換為吸附桶。在此期間由于空氣量的變化導(dǎo)致后續(xù)工況的波動(dòng)，進(jìn)塔空氣量的控制原理，正常運(yùn)行時(shí)，空氣進(jìn)塔流量控制器作為主控手段投串級(jí)，壓力控制器做高限投自動(dòng)；氬餾分氧含量和上塔中部溫度對(duì)流量進(jìn)行微調(diào)控制，通過(guò)選擇開(kāi)關(guān)控制上塔中部溫度，此時(shí)流量設(shè)定值由手操控制器給定。由此可見(jiàn)，主精餾塔上塔中部溫度直接影響到空氣的吸入量，所有在充壓時(shí)要保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定就會(huì)提前干預(yù)，進(jìn)行增加空氣量的操作，通常會(huì)通過(guò)手操器給定500 Nm3/h或1 000 Nm3/h的空氣量，以減小充壓階段分子篩對(duì)精餾工況造成的波動(dòng)影響。

通過(guò)數(shù)據(jù)分析對(duì)比，操作人員還發(fā)現(xiàn)對(duì)不同桶切換也存在工況上的差異，這種差異在分子篩切換初期表現(xiàn)尤其明顯。以其中一套空分舉例，B桶相較于A桶，上塔中部溫度波動(dòng)較大，且B桶運(yùn)行中，初期塔溫偏低，而上塔中部溫度是自動(dòng)控制空氣吸入量的，這一波動(dòng)直接造成了上塔中部溫度控制開(kāi)度過(guò)小，即空氣吸入量存在反應(yīng)不及時(shí)，對(duì)工況造成較大影響。因此，如果能在B桶運(yùn)行初期手動(dòng)添加一定量的原料氣，后期穩(wěn)定運(yùn)行之后再減少此部分原料氣可以很好地緩解上述問(wèn)題。經(jīng)長(zhǎng)期運(yùn)行跟蹤，發(fā)現(xiàn)上塔中部溫度控制開(kāi)度在2 h內(nèi)從63%增至100%，之后一直處于高位，證明其缺少的氣量一定大于63%的開(kāi)度。所以，在B桶運(yùn)行初期，直接給一個(gè)固定的80%左右開(kāi)度之后投自動(dòng)，根據(jù)運(yùn)行參數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)原料氣量，這樣可以有效避免控制器反應(yīng)不及時(shí)的現(xiàn)象，保證空分運(yùn)行參數(shù)的穩(wěn)定。3#空分分子篩A、B桶運(yùn)行差異對(duì)照見(jiàn)表1。

表1 3#空分分子篩A、B桶運(yùn)行差異對(duì)照表

由表1可知，分子篩A、B桶運(yùn)行差異的主要差距為平均原料氣4 033 Nm3/h，上下塔平均溫度差異不大。在切換過(guò)程到加熱初期，上塔中部溫度微調(diào)輸出開(kāi)度波動(dòng)很大，隨著加熱的進(jìn)行，逐漸穩(wěn)定在A桶65%，B桶95%。在切換過(guò)程中，其他的運(yùn)行參數(shù)也會(huì)隨著上塔中部溫度的變化而有著較大的差異，所以穩(wěn)定上塔中部溫度，在合理范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，控制其他運(yùn)行參數(shù)的穩(wěn)定，對(duì)空分裝置的穩(wěn)定生產(chǎn)大有裨益。

優(yōu)化措施：①在分子篩切換過(guò)程中，可通過(guò)手動(dòng)提前增加空氣的方法，減少充壓時(shí)的塔溫波動(dòng)。②進(jìn)一步優(yōu)化閥門(mén)控制器的PID參數(shù)，或者加入組態(tài)模塊爬坡器來(lái)控制升壓閥，爬坡器在不同時(shí)期緩慢開(kāi)啟，控制充壓時(shí)間、充壓氣量以及充壓速率，使其閥門(mén)開(kāi)度速率更加契合溫度的變化，并減小了分子篩床層的沖擊。③修改上塔中部溫度控制的設(shè)定值，在分子篩切換到B桶時(shí)，使它提前存在一個(gè)固有開(kāi)度80%，通過(guò)此優(yōu)化措施的自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程中，有效地避免了切換時(shí)空氣量波動(dòng)過(guò)大對(duì)分子篩出口空氣量的影響。

3 常見(jiàn)故障分析及其優(yōu)化操作

3.1 均壓閥卡澀

2021年3月初，1#空分分子篩均壓閥在B桶充壓階段間斷出現(xiàn)卡澀現(xiàn)象，造成充壓過(guò)慢的現(xiàn)象，因充壓閥卡澀，程序設(shè)定的18 min充壓時(shí)間延長(zhǎng)至30 min才完成。正常情況下，分子篩充壓階段：1 min時(shí)對(duì)應(yīng)壓力范圍0.015～0.02 MPa，6 min時(shí)對(duì)應(yīng)的壓力范圍0.05～0.1 MPa。分子篩卸壓階段：1 min時(shí)對(duì)應(yīng)壓力范圍0.43～0.45 MPa，6 min時(shí)對(duì)應(yīng)壓力范圍0.002～0.02 MPa。若對(duì)應(yīng)的壓力偏差較大，即可判斷分子篩切換異常。分子篩切換時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，有二氧化碳穿透風(fēng)險(xiǎn)，甚至造成整個(gè)系列被迫停車(chē)[2]。

優(yōu)化措施：①分子篩充壓時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)人員應(yīng)查看閥門(mén)實(shí)際開(kāi)度是否和中控輸出一致，若不一致，中控立即將分子篩程序設(shè)手動(dòng)，再將閥門(mén)強(qiáng)制輸出，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際閥位開(kāi)度一致后，再緩慢一次給1%來(lái)開(kāi)大閥門(mén)，防止閥門(mén)開(kāi)度過(guò)大發(fā)生床層沖擊，且維持空氣流量穩(wěn)定，直至閥位開(kāi)至100%后，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際開(kāi)度一致且均壓完成，即可釋放；將分子篩程序切為自動(dòng)，繼續(xù)運(yùn)行。②如若閥門(mén)卡澀處理時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，密切監(jiān)控分子篩出口二氧化碳指標(biāo)，適當(dāng)延長(zhǎng)A桶熱吹時(shí)間或投用電加熱器，以提高再生質(zhì)量。③均壓閥一旦發(fā)生卡澀，為防止空氣波動(dòng)影響精餾工況，操作人員應(yīng)防止“氮塞”發(fā)生，以及精餾塔中氧含量過(guò)低或氮含量過(guò)高，從而影響產(chǎn)品合格率[3]。必要時(shí)增加空氣吸入量，減少氧氣產(chǎn)出量，并適當(dāng)增加氮產(chǎn)品的產(chǎn)出量。密切監(jiān)視精餾塔上下塔液位，防止觸發(fā)聯(lián)鎖，造成跳車(chē)。

3.2 分子篩A桶空氣入口閥故障

2021年7月22日10:55，3#空分分子篩B切A運(yùn)行時(shí)，A桶空氣入口閥應(yīng)按程序全開(kāi)，但因閥門(mén)自身故障出現(xiàn)卡堵；B桶空氣入口閥門(mén)按程序正常關(guān)閉，導(dǎo)致空壓機(jī)出口憋壓；10:55:21至10:55:24，3#空分空壓機(jī)出口壓力由正常的0.455 MPa上升至最高0.494 MPa，空壓機(jī)出口憋壓，最終導(dǎo)致汽輪機(jī)超速聯(lián)鎖跳車(chē)。

優(yōu)化措施：①3#空分分子篩8個(gè)切換閥(2個(gè)空氣入口閥、2個(gè)空氣出口閥、2個(gè)再生氣入口閥、2個(gè)再生氣出口閥)設(shè)置“開(kāi)”“關(guān)”反饋?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際閥門(mén)反饋正常則步進(jìn)條件滿足，若現(xiàn)場(chǎng)閥門(mén)故障，則步進(jìn)條件不滿足。8個(gè)切換閥在動(dòng)作過(guò)程中“開(kāi)到位”在DCS畫(huà)面上閥體顯示綠色，“關(guān)到位”閥體顯示紅色，若50 s內(nèi)系統(tǒng)接受不到現(xiàn)場(chǎng)閥門(mén)“開(kāi)/關(guān)到位”信號(hào)，則為閥門(mén)故障，此時(shí)DCS畫(huà)面上閥體呈黃色，分子篩步進(jìn)條件不滿足，分子篩停止步進(jìn)。分子篩B桶即為故障，操作人員將分子篩程序?qū)ⅰ白詣?dòng)”切為“手動(dòng)”，現(xiàn)場(chǎng)處理閥門(mén)故障，待故障消除再將分子篩切回“自動(dòng)”控制程序，分子篩正常進(jìn)入下一步。這樣直接有效地避免了因分子篩程控閥故障而導(dǎo)致系統(tǒng)停車(chē)的風(fēng)險(xiǎn)。②加強(qiáng)對(duì)分子篩的預(yù)知性檢維修，加強(qiáng)對(duì)分子篩程控閥巡檢，檢查電磁閥氣柜內(nèi)氣源壓力是否正常，閥門(mén)及其附件有無(wú)損壞、漏氣的情況發(fā)生，操作人員根據(jù)程控閥開(kāi)關(guān)時(shí)間進(jìn)行記錄以及相應(yīng)的維修記錄，了解其運(yùn)行規(guī)律，做到有針對(duì)性的日常維護(hù)以提高維護(hù)質(zhì)量。③加強(qiáng)程控閥的保養(yǎng)，分子篩程控閥使用潤(rùn)滑油杯注潤(rùn)滑油的方法，通過(guò)氣缸用風(fēng)帶入潤(rùn)滑油霧氣進(jìn)行潤(rùn)滑，這樣可有效減小分子篩程控閥因閥門(mén)卡堵造成分子篩出口空氣憋壓，或者空氣量放空造成的跳車(chē)事故。

3.3 分子篩出口CO2含量超標(biāo)

空分裝置CO2含量如果長(zhǎng)時(shí)間超標(biāo)，可能會(huì)導(dǎo)致分子篩吸附器床層穿透，二氧化碳會(huì)隨空氣進(jìn)入冷箱，低溫條件下凍結(jié)堵塞冷箱內(nèi)換熱器、膨脹機(jī)入口過(guò)濾器、精餾塔、液氧泵入口過(guò)濾器，造成換熱器換熱端溫差擴(kuò)大，精餾塔塔板效率下降，設(shè)備通道阻力增大，裝置能耗增加[4]。輕則減負(fù)荷運(yùn)行，重則非計(jì)劃停車(chē)并冷箱加溫，甚至引發(fā)安全事故風(fēng)險(xiǎn)。正常情況下，分子篩出口分析儀大致范圍為0.26×10-6～0.50×10-6，按一個(gè)切換周期，再生后開(kāi)始使用最好的情況，分子篩出口二氧化碳含量在0.4×10-6以下，使用末期≤0.5×10-6。使用吸附期間均值≤0.5×10-6。當(dāng)分子篩出口分析儀>0.55×10-6，為分子篩使用異常狀態(tài)。

優(yōu)化措施：①首先要求校表判斷分析數(shù)據(jù)是否正確，若正確，增加手動(dòng)分析，頻次為12 h/次，做工藝波動(dòng)分析，環(huán)境分析判斷。當(dāng)二氧化碳濃度確認(rèn)超標(biāo)超過(guò)一個(gè)吸附周期，申請(qǐng)降負(fù)荷，當(dāng)前負(fù)荷90%以上時(shí)，一次性降10%，當(dāng)負(fù)荷90%以下時(shí)降5%。②檢查上一周期本桶加溫再生參數(shù)，在保證氣溫氣量相當(dāng)?shù)那疤嵯拢岣呒訜釟鉁囟燃刺岣哒羝麥囟?，或啟?dòng)電加熱器，分子篩冷吹期間增加冷吹氣量，約為現(xiàn)有的5%；或者保持與上次加熱氣溫參數(shù)相當(dāng)，適當(dāng)增加加熱氣量5%，冷吹時(shí)，增加冷吹氣量5%。③增加加熱時(shí)長(zhǎng)2～5 min，冷吹時(shí)再增加冷吹氣量5%來(lái)強(qiáng)化再生效果。

通過(guò)上述優(yōu)化措施改善了分子篩出口二氧化碳超標(biāo)的現(xiàn)象。若分子篩出口二氧化碳分析儀達(dá)到1×10-6或主冷中二氧化碳含量達(dá)到4×10-6，應(yīng)立即停車(chē)，防止次生事故的發(fā)生。

4 結(jié)語(yǔ)

分子篩吸附器是空分系統(tǒng)關(guān)鍵組成部分，一旦出現(xiàn)故障，極易導(dǎo)致整個(gè)空分系統(tǒng)停車(chē)。在實(shí)際操作中，對(duì)分子篩吸附后空氣中的碳?xì)浠衔铩⑺忠约岸趸家髽O高，所以分子篩系統(tǒng)必須保證穩(wěn)定運(yùn)行。分子篩吸附器一旦出現(xiàn)故障，需及時(shí)精確分析出原因，并作出相應(yīng)調(diào)整，以確?？辗终麄€(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定。