空分装置的长期安全平稳运行

1、 空分装置长期稳定运行必须要首先了解空分装置是使用什么方法制取氧气

1.1 分离氧气的原理

深冷空分装置的核心是空气深冷条件下精馏分离，利用氧氩氮气体的沸点及挥发度的不同通过精馏实现氧氩氮组分的分离，而空气的深冷液化则是使空气处于气液共存状态从而使精馏过程得以实现的必要前提条件。( 在精馏塔内部增加填料和塔板从而强化高低沸点组分的气液相的热质交换，同时增加低沸点组分液体作为回流液（蒸馏段本来就有回流，又称为提馏气或回流气具体而言就是水蒸汽或者高沸点组分气体），把为了得到较高提取率及较高纯度高低沸点组分产品而需要多次重复进行的蒸馏一冷凝过程整合在一个精馏塔中完成（一块理论塔板数相当于一次蒸馏一冷凝过程），从而可以在精馏塔底部和顶部分别得到符合纯度要求的高低沸点组分产品（理论上在无限理论塔板数下高低沸点组分的纯度可以达到100%，但由于理论塔板数有限，产品纯度实际上有一个上限，这个产品纯度既决定于实际理论塔板数也决定于实际回流比，其中塔顶低沸点组分纯度决定于精馏段理论塔板数和实际回流液气比及低沸点组分产品回流比，塔底部高沸点组分纯度决定于提馏段理论塔板数及提馏段实际回流气液比及对应的高沸点组分产品回流比，同样理论上高低沸点组分的提取率也都可以达到100%，但受理论塔板数有限及实际回流比的限制，高低沸点组分产品提取率既决定于理论塔板数也决定于实际回流比。蒸馏一冷凝技术向精馏技术的升级实际上就是把需要重复进行的蒸馏一冷凝过程在一个精馏塔中实现，这当然大幅度降低了不同沸点组分的分离能耗，提高了高低沸点组分的产品纯度及提取率。精馏技术成熟后，从理论上说，实现高低沸点组分的完全分离不存在任何的困难，剩下的问题都是理论塔板数和回流比的问题，而回流比的大小则决定了高低沸点组分精馏分离的能耗即公用工程蒸汽冷却水的消耗。

通过上图可以看出在相同压力下因沸点的不同在冷凝过程中氧气率先冷却成为液体其次是氩气最后是氮气。这就是深冷空分装置制氧的原理。

1.2如何获得低温

为使空气液化，先要获得低温，工业上常用二种方法，即空气通过节流阀或膨胀机的膨胀制冷获得低温，甚至液化。这二种方法是以气体的膨胀为基础，已应用在气体的分离和液化技术以及气体制冷机中。

1.2.1气体的节流

通常把高压流体流经管道中的小孔后压力显著降低的过程称为节流，节流前的状态参数为p1、T1、υ1，节流后的状态参数为p2、T2、υ2。节流孔径越小，则局部阻力越大，节流前后的压力变化（p1-p2）也越大。反之，就越小。在实际工作中，为了便于调节，通常用节流阀代替固定的节流孔。

气体在节流时，既无能量输出，也无能量输入，所以气体节流前后的能量保持不变，即节流前后的焓值相等：h1=h2。这是节流过程的基本特点，因此节流过程可看作是近似的绝热过程。

1.2.2气体的等熵膨胀

高压气体等熵膨胀时向外输出机械功，这样消耗了大量的气体内能（焓值减小）。另外，还由于膨胀时气体体积增大，分子距离也要增大，但是分子间有吸引力，为了克服分子间的吸引力而又要消耗气体分子的一些动能（动能减小）。这样气体分子的内能和动能在等熵膨胀时大量消耗，从而降低了气体温度。所以等熵膨胀后，气体温度总是下降的。

1.2.3实用方面

节流过程用节流阀，结构比较简单，也便于调节。如空分装置中的V1 V2 V3等阀门。而等熵膨胀则用膨胀机，结构复杂（当然膨胀机还有效率问题），不可能实现等熵膨胀过程，因而能得到的温度效应及制冷量比理论值要小。这就使等熵膨胀过程的优点有所减色；节流阀可以在气液两相区工作，即节流阀出口可以允许有很大的带液量；但带液的两相膨胀机的带液量也不能很大。因此，节流和等熵膨胀的这两个过程，在空气分离设备中都在应用，它们的选择，将依具体条件而定。

从以上理论知识看来，空分设备运行是一个动态平衡的结果，要想得很安全平稳运行就需要各个设备和参与操作的人员稳定操作做好预防工作。在设备设计之初就有许多设备有备份，加强设备点检巡检维护确保稳定运行。

2深冷技术使用的一般设备和安全平稳运行

2.1空气过滤设备

空气中含有大量尘埃，空压机在长时间的高速运行中，粉尘是天敌。它会造成机器内部的叶轮、叶片等部件的磨损、腐蚀和结垢，缩短机器使用寿命，因此须设置原料空气过滤器。

过滤设备一般有布袋式和自清洁式等几种。目前常使用的过滤设备是自清洁式过滤器。

自清洁式过滤器的工作按照以下流程进行：

过滤过程：在压缩机吸气负压作用下，吸入周围的环境空气。当空气穿过高效过滤筒时，粉尘由于重力、静电、接触被阻留在滤筒外表面，净化空气进入净气室然后由出风管送出。

自洁过程：当电脑发出指令，电磁阀启动并驱动隔膜阀，瞬间释放一股压力为0.4~0.6MPa的脉冲气流，经专用喷头整流喷出，文氏管卷吸、密封、膨胀从滤筒内部均匀的向外冲击，将积聚在滤筒外表面的粉尘吹落，自洁过程完成。

清灰控制有三种方式：(1) 定时定位，可任意设定间隔时间和自洁时间。(2)差压自洁，当压差超指标时，进入自动连续自洁。(3) 手动自洁，当电控箱不工作或粉尘较多时，可采用手动自洁。

使用国标一体化滤筒。外带金属滤网防止柳絮、树叶等杂物破坏滤芯，内部是高效滤纸过滤细小杂质粉尘保护后面的压缩设备和冷箱内设备安全工作。

该设备正常运行时间日常维护少，个别滤筒损坏不需大面积停机既可更换。正常维护工作量小，一般两年以上考虑更换滤筒。根据笔者经验，目前笔者所在的北方地区除春夏有较多柳絮和雨季是否过长需要特别关注外，可适当延长滤筒使用。

2.2空气压缩设备

一般空压机在大型空分装置中是由单台供气或是多台联合供气。多使用单轴多级或双轴H型压缩机。空压机是整个空气分离设备中能耗最高的设备。所以空压机的安全正常运行是全系统运行的基础。

在空分系统中空压机正常工况下喘振是最大影响平稳运行的危险因素。压缩机喘振具有以下危害：

（l) 被压缩气体的流量、排出压力发生高速的周期性变化, 气体的温度升高。

( 2 ) 由于流量和压力的高速振荡, 会伴随发生反向的轴向推力, 使压缩机机体和部件产生强烈振动,甚至会打坏叶轮、烧毁轴瓦, 破坏密封和轴承, 造成主轴和压缩机的损坏。

( 3) 喘振时, 压缩机进出口管道上的止逆阀会忽开忽关, 阀芯反复撞击阀体, 发生异常声响。

(4) 喘振时, 压缩机会发生周期性的类似牛叫的吼叫声。

(5) 喘振带来的流量和压力的高速振荡, 会造成工艺操作的不稳定。

(6 )如果喘振损坏了压缩机的密封, 会使润滑油窜人流道而进人设备, 影响换热器和冷凝器的效率。

(7 )多次发生喘振轻者会缩短压缩机的使用寿命, 重者会损坏压缩机以及连接压缩机的管道和设备, 造成被迫停车。

空压机日常运行点巡检参数：电流、温度、压力、流量、振幅、活塞杆的下沉度、过滤网的压差、换热器的阻力、水温、水压、水质、润滑油的机械杂质、油温、油压、运转部件的震动值、轴瓦温度的变化值等。

2.3空气预冷系统

空气预冷系统是空气分离设备的一个重要的组成部分，空气冷却塔串接于空气压缩机系统和分子筛吸附系统之间，用来降低进分子筛吸附器的空气的温度与含水量。

空气冷却塔中采用散堆填料冷却塔，其低温段装有增强型聚丙烯环，冷水通过布水器均匀地喷淋在填料上,顺填料空隙流下。空气则逆水流而上经不锈钢丝网捕雾器出塔，进入分子筛吸附系统。高温段填料采用不锈钢鲍尔环，常温段填料采用增强型聚丙烯环。填料中水的洗涤作用，使得进塔上段空气的杂质含量大大减少，也可以吸收大部分易溶于水的杂质。空冷塔主要塔内构件采用不锈钢材料，不会对水和空气产生污染。

水冷却塔利用冷箱排出的污氮气不饱和性和多余纯氮气回收冷量降低水温，降低能耗合理地使用空气预冷系统，有利于空气分离设备长期安全地运转。水冷塔是填料塔，填料聚丙烯鲍尔环塔顶设有捕雾器和布水器，为了不使水满入氮气管内，除设有液面控制仪表外，还设有溢流管，当水满到一定高度时，水就从溢流管中溢出，不会泛入氮气管。为了防止氮气出塔时把雾状水滴带走，增加水耗，在塔的顶部，设置了不锈钢丝网捕雾器。上图是经典预冷系统流程图。

空气预冷系统影响全系统长期安全运行的因素空气出空气预冷系统大量带水。其主要原因有以下几点：

1、水位控制系统仪表失灵引起。如水位高时,水位自调阀失灵或打不开,翻板液 位失灵等原因,这是空冷塔带水最常见的原因。

2、操作失误。如空气量突然变化,造成流速过快,也会造成空冷塔带水

3、水中带有大量泡沫,使空冷塔气液分离产生困难,也会造成空冷塔空气出塔大量带水事故

根据上图空气预冷系统中机械运转设备不多，常温水泵一用一备，低温水泵一用一备，冷水机组一台。这些设备要严格按照设备维护规程进行点巡检、设备倒换和故障处理。注意关注水泵前过滤器正确使用。

空气预冷系统中各个阀门有安全阀、手动截止阀、止回阀和控制水位的气动薄膜调节阀。其中控制水位的调节阀日常应重点点巡检，检修时重点维护。

为方便检修，空气冷却塔和水冷却塔上、中、下均设有人孔，塔外设有平台梯子。塔上段外壁设有环板，供安装绝热材料用。检修过程中在有限空间外醒目处应设置警戒区、警戒线、警戒标志。对任何可能造成职业危害、人员伤亡的有限空间场所作业应做到先检测后监护再进入的原则先检测确认有限空间内有害物质浓度，作业前30min应再次对有限空间有害物质浓度采样，分析合格后方可进入有限空间。同时在主控室挂牌禁止操作阀门向塔内送气。在这需要注意的是正常工作中水冷却塔中污氮气和纯氮气是直接排空的，应设置禁止人员接近水冷却塔排空口。

2.4空气纯化系统

空气纯化系统中上图为经典流程：被压缩的空气经预冷系统冷却到10℃左右，自下而上通过分子筛吸附器MS1201或MS1202（以下简称吸附器）时，空气中所含有的水分、乙炔、二氧化碳等杂质相继被吸附清除，净化后的空气，进入冷箱中的主换热器。吸附器是成对交替使用的，一只工作时，另一只被再生。吸附器的再生一般分四步进行，第一步：降压；第二步：加热；第三步：吹冷；第四步：升压。降压：吸附器在工作周期即将结束时，须将容器内的带压空气排放出去。降压是将V1205阀（或V1206阀）打开而实现的。为了避免分子筛床层受到压力波动的冲击，降压的速度不能太快（此点不能忽视）。降压是按压力联锁实现的，当压力到0.01MPa时，降压结束，打开再生污氮气进、出口阀V1211、V1213（或V1212、V1214）。加热：打开V1218阀，相应地关闭V1217阀，使污氮气经加热器加热自上而下通过吸附器。冷吹：打开V1217阀，相应的关闭V1218阀，使污氮气不经加热器自上而下通过吸附器。升压：关闭再生污氮气进、出口阀V1211、V1213（或V1212、V1214）。打开V1207阀向被再生吸附器冲压，当两只吸附器压力相等后。关闭V1207打开V1201、V1203（或V1202、V1204）并联使用两只吸附器。关闭另一只V1202、V1204(或V1201、V1203）。开始下一个循环。

空气纯化系统各主要设备：

1、阀门

空气纯化系统正常运行其逻辑程序要运行良好，阀门正确运行、封闭严密、定位器信号准确好的切换阀是分子筛安全稳定运行基础。上图是切换阀正做打压试验

   分子筛切换程序不执行的操作

1、1分子筛阀门不动作，检查仪表气压力是否过低或阀门有故障。及时调整压力或检修。

1、2如仪表信号故障，配合仪表工分析处理。

1、3如预计处理时间较长，则请示有关领导是否停车处理。

笔者所操作的设备中就有切换阀动作不到位，需要人工现场处理直到更换。

2、吸附器分子筛

吸附器内分子筛纯化流程作用：用吸附法清除原料空气中的水分、乙炔、二氧化碳及一些能吸附的碳氢化合物，保证空分设备的正常运行。吸附器内装填的吸附剂有：分子筛，活性氧化铝等。分子筛是人工合成泡沸石，硅铝酸盐的晶体，呈白色粉末，加入粘结剂后可挤压成条状、片状和球状。经空冷塔冷却后的空气一般在5～20℃左右进入吸附器内吸附纯化。水分乙炔、二氧化碳都是极性或不饱和分子。分子筛对它们都有很强的亲和力。正常情况分子筛的共吸附性能使它可以在吸水的同时还可以吸附其它物质，这种亲和力的顺序是：H2O > C2H2 > CO2。所以空气进冷箱CO2含量AIA1203≥1.5PPm报警，检测CO2含量就能保证水和总烃不超标。

吸附器内结构根据杭氧资料使用支撑栅架防漏技术和新型隔板装置，确保吸附器设备返修率和有效地解决了两种吸附剂混床问题。有了这些保证设备避免了操作压力不当，导致冲床。填装分子筛、氧化铝层时，由于空气穿过床层时，传质区平行移动。因此要求每层平整，高低不平会引起某些地方先穿透。笔者处理过开车过程中分子筛床层受冲击床层不平，加热后冷吹峰值扁平被迫停机处理。

3、加热器

 空气纯化系统加热使用的多为一个或多个电加热器。有些有蒸汽条件的设备使用蒸汽加热器。

注意蒸汽加热器泄漏

信号:AIA1204或AIA1205水分析点报警

后果:因污氮气带水，导致吸附剂受水吸附性能下降,甚至失效。

措施:检查原因，尽快进行检修

2.5冷箱内各设备

2.5.1主换热分系统

主换热器是整个空分装置主要的热量交换装置，加工空气几乎全部要通过。发生的主要故障就是堵塞。来自于纯化系统故障，如分子筛带水、分子筛吸附下降、分子筛床层受冲击粉末堵塞。

2.5.2膨胀机分系统

透平膨胀机是一种旋转式制冷机械，它由蜗壳、导流器、工作轮和扩压器等主要部分组成。当具有一定压力的气体进入膨胀机的蜗壳后，被均匀分配到导流器中，导流器上装有喷嘴叶片。气体在喷嘴中将气体的热力学能(内能)转换成流动的动能，气体的压力和焓降低，出喷嘴的流速可高达200m/s左右。当高速气流冲到叶轮的叶片上时，推动叶轮旋转并对外做功，将气体的动能转换为机械能。通过转子轴带动制动风机、发电机或增压机对外输出功。

从气体流经膨胀机的整个过程来看，气体压力降低是一膨胀过程，同时对外输出了功。输出外功是靠消耗了气体内部的能量，反映出温度的降低和焓值的减小，即是从气体内部取走了一部分能量，也就是通常所说的制冷量。上图就是膨胀机增压机叶轮转子部分。

膨胀机故障主要来自于润滑、密封、操作不当。

润滑：透平膨胀机的转速很高，轴承间隙小，对润滑系统要求非常严格。为了保证膨胀机在突然停电时轴瓦不至被烧坏，还应设置紧急供油箱(一般采用压力油箱或高位油箱)，在油泵突然停止运转的情况下，仍能靠紧急供油箱保证供应5min以上的润滑油量。因此，在压力油箱内必须随时贮备一定的油量和充有一定压力的气体。膨胀机的供油温度不宜太低，一般控制在35～40℃。否则由于油温低或油量不足致使润滑不良，造成轴承研磨或轴承温度升高。油温低于20℃时，膨胀机不应运转。

密封：当气体流经密封间隙时，压力逐渐降低。泄漏量的大小取决于密封间隙的大小和两个密封空间的压差大小。如果密封空间越多，或外侧的压力越高，对每个密封间隙两侧来说，压差越小，泄漏量也减少。因此，将密封装置分成两段，在中间通入比周围压力稍高的压力密封气，压力可为0.05～0.10MPa(表压)。这样，一方面可减少低温气体的泄漏量，减少冷损，同时也可防止轴承的润滑油渗入密封处，进入膨胀机内。目前空分装置用的透平膨胀机一般均需通带压力的密封气，密封气可以用氮气或氖氦吹除气。为了防止润滑油进入膨胀机内，在启动膨胀机油泵前，应先供压力密封气。在停机时，需在油泵停止运转后才能停压力密封气。

 操作不当：膨胀机机前超温、超压、超速飞车、膨胀机带液对机体都有巨大伤害。这些只要按规程操作都可以避免。为什么要按照规程经常性的倒换膨胀机呢？膨胀机在长期运转中如果有水及烃类化合物冻结在喷嘴叶片上，甚至冻结在叶轮叶片上时，会造成喷嘴堵塞，转子动力性能变坏，使膨胀机的振动增大,运行的声音增大,甚至造成严重事故，此时必须进行加温解冻及吹除。
喷嘴冻结征象：喷嘴出口压力下降，流量减少，转速下降，可调喷嘴调节困难，膨胀机前管道过滤器压差增大。
措施：停机加温解冻，将加热气从膨胀机出口到入口进行吹除，直到出口气体温度达到50℃时，注意加热气体进气温度不应高于80℃以免使膨胀机的零部件因变形而损坏。

2.5.3主塔分系统

主塔就是本文开篇理论实现的主要设备。从下图可以看出目前基本全精馏设备都是规整填料。

保持主塔内工况稳定、合理调整负荷和液体节流阀、减少主换热器热端温差、减少跑冷损失，关注压力、阻力、温度、液位这些都是空分装置长周期连续稳定运行的基础。主冷是联系上下塔关键环节，主冷液位是反映全设备冷量平衡的关键参数。一般采用全浸式操作和1%液氧排放。

对于连锁控制的阀门，要逐一进行实验。检查所定的参数是否正确，阀门动作是否正常。信号是否畅通。

2.5.4粗氩塔精氩塔分系统

上面图片展示粗氩Ⅱ下部和上部接口处规整填料。

下面图片展示精氩塔整体结构。

2.6产品气压缩储存设备

上图是外压缩流程透平氧压机简易流程图，压缩机系统由低压氧压机、高压氧压机、增速机、电动机、油站等设备组成。两台压缩机通过增速机联接，异步电动机拖动，压缩机、增速机、异步电动机布置成一列。本压缩机设有轴封装置，用来防止氧气外漏及空气润滑油通过间隙漏入机壳内。另外，本机组还设有温度、压力、轴振动、位移等自动监控装置，保证机组的稳定运行。本机设有较完善的安全保护措施，当压缩机出现故障时，自动报警联锁，免除机器受到更严重的损害。令笔者印象深刻的是当机壳及密封气温度异常上升时氧压机紧急喷氮。氧压机自动停车，喷氮量很大从空分系统上看氧气出塔在线分析瞬间爆表。

喘振所造成的后果常常是很严重的,它会使压缩机转子和静子经受交变应力作用而断裂，使级间压力失常而引起强烈振动,导致密封及推力轴承的损坏，增大叶轮与主轴的温差,破坏叶轮的过盈量使叶轮松动，使运动元件和静止元件相碰,造成严重事故。所以要保持安全平稳运行应尽力防止压缩机进入喘振工况。

2.7液体产品储存设备

液体产品储存设备，是制氧厂良好的产品应急生产装置、冷量储存贮存、液体产品增加效益。满足1%液氧排放，降低总烃含量确保主冷安全。低温液体的密闭容器，正常会有部分低温液体吸热而气化，压力升高。为防止超压，必须设置可靠的安全装置紧急泄压。

2.8其他相关设备

仪表气压缩机 仪表变送器  DCS控制系统  成品气在线分析线下色谱分析仪等设备。

3结束语

为了贯彻空分装置长期安全平稳运行，操作者要加强理论知识学习，结合自身生产实践的检演，通过长期的生产实践经验积累，认真按照规程执行各项点巡检和设备倒换加热保养。及时发现隐患问题处理降低意外停机确保长期安全稳定运行。本篇是以总纲形式开篇今后有时间具体分析设备设施、事故警示等。有错误不足之处可联系。