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摘要：冷水机组是大型空分装置不可或缺的关键设备，具有降低空冷塔出口空气温度、保证纯化器吸附效果的作用。当冷水机组突发故障，会导致空气温度升高，纯化器吸附负荷增大，处理时间过长，造成纯化器分子筛床层击穿、不合格空气进入冷箱、板式换热器冻堵被迫停车回温等严重后果。通过一次冷水机组事故分析及理论计算，计算出事故工况下纯化器水分及二氧化碳吸附饱和的时间，最终得出冷水机组对空分装置长周期运行的重要性及增加备机的必要性。
关键词：空分装置；冷水机组；故障处理；理论计算；长周期运行
0引言
空分装置运转周期是二氧化碳带入空分主塔后逐步积累，直至造成堵塞而无法继续运转的时间间隔[1]。因此，冷水机组的运行情况将直接影响分子筛纯化器的吸附效果，对空分装置长周期运行起关键性作用。
1装置简介
空分装置由三套KDONAr-65000/40000/2020型空分装置组成，由杭氧集团股份有限公司提供成套技术，工艺生产单元包括空气压缩、预冷系统、分子筛纯化、空气增压、中压气体膨胀、高压液体膨胀、高低压板式换热系统、精馏系统、全精馏无氢制氩系统、氧气内压缩、氮气外压缩以及后备储存系统组成。设计氧气最大总产量(标准态)为201 000 m3/h，氮气最大总产量(标准态)为150 000 m3/h，液体产品最大产量750 t/d。
其中，预冷系统的主要作用是降低进入纯化系统的空气温度，同时空气和冷却水在塔内直接接触可利用低温除湿的特性来降低空气中的水分含量，去除空气中SO2、NH3等微量水溶性气体及杂质，起到初步净化作用[2]。其由空冷塔、水冷塔、冷水机组、水泵、阀门、自动调节阀等组成，如图1所示。
冷水机组是预冷系统的核心设备，通过将水冷塔来的循环水与制冷剂换热，在蒸发器出口得到7℃左右的冷冻水并送入空冷塔上部，再与空气换热后将空气温度降至8～10℃,以满足分子筛纯化器的吸附要求。
其原理为：离心压缩机把来自蒸发器的低温低压氟利昂气体2级压缩为高温高压气体，排向冷凝器；冷凝器内高温高压的气体与循环水换热液化为高压液体流出冷凝器，在经济器内完成2级节流成为低压液体。其中，1级节流后的氟利昂气体进入压缩机中间补气口，1级节流后的氟利昂饱和液体经过2级节流后进入满液式蒸发器内蒸发，吸收冷冻水热量的同时相变为低压氟利昂气体，流向压缩机的吸气口，如此不断循环，如图2所示。
2冷水机组故障及处理实例
2023年6月2日4:43，1#空分冷水机组进油过滤器压力表PI12115变送器引压管断裂，造成油过滤器压差PDI12113A/B二取二低低联锁停机，如图3所示。
冷水机组停机后，关闭变送器前阀，切断油路流程，联系仪表进行检查，发现仪表引压管在进变送器前弯头处折断，无法在线修复，需要重新配管，如图3(b)所示。
增加冷冻水流量后，暂时维持生产。由于润滑油从断口处泄漏，导致机组油位较低，需要加油后开机，因此于14:30加油完成，油位至上视镜上沿。
14:40仪表重新配管完成，14:48中控启动1#冷水机组成功，油压615 kPa，油液位在中视镜1/2位置，现场运行正常。
3处理过程中对工况的影响分析
1#冷水机组停机后冷冻水出冷水机组温度从7.7℃最高涨至14.2℃,工艺指标11℃高报；空气出空冷塔温度从9.3℃最高涨至15.6℃,工艺指标13℃高报；空气出分子筛温度从14.1℃涨至36.7℃,工艺指标30℃高报，以上参数均已超过工艺高限。
冷水机组停机期间，分子筛经过一个周期的运行，分子筛A筒再生冷吹峰值降低5℃左右，分子筛B筒再生冷吹峰值降低9℃左右。冷吹峰值是整个床层再生是否彻底的标志[1]，一般再生温度在160～180℃、冷吹峰值在130℃以上为较好工况。冷水机组故障时有两轮冷吹峰值已经开始下降至130℃以下。
若继续发展，当冷吹峰值下降到100℃,被吸附的水分和二氧化碳只能做到基本解吸，当冷吹峰值下降到80℃,水分将有1%～2%残留[3]。由于分子筛对水分的亲和力最大，当残留水分的分子筛继续吸附空气，将使分子筛吸附容量下降，极易使少量二氧化碳带入冷箱精馏塔内，造成板式换热管逐渐冻堵。
8:56分子筛A筒工作末期出口氧化亚氮含量缓慢从0.39 mL/m3上涨至0.53 mL/m3；13:05分子筛B筒工作末期出口氧化亚氮含量缓慢从0.37 mL/m3上涨至0.55 mL/m3，1#空分正常运行分子筛出口氧化亚氮含量大概在0.4 mL/m3，趋势图可以看到平时氧化亚氮基本呈一条直线，如图4所示。
由于纯化器内分子筛对于氧化亚氮不能完全吸附(吸附约为85%左右)[3]，因此出纯化器空气中始终含有微量氧化亚氮。但是，由于空气入口温度升高、水分含量增加、纯化器吸附负荷增大，分子筛层较之前正常工况提前进入二氧化碳吸附饱和阶段。这时，已吸附的氧化亚氮会脱附，进一步解吸随空气进入冷箱，则会出现图4中的趋势，在纯化器吸附末期氧化亚氮开始升高，说明此时二氧化碳已经吸附饱和，需要尽快切换，这也是纯化器工况变差的重要依据。
氧化亚氮的沸点为184.69 K(-88.46℃)，其会冻结在板式换热器和主冷凝蒸发器中。其存在的危险是能沉淀或冻结、堵塞设备的各个部件，形成“干蒸发”，从而导致碳氢化合物浓缩[3]，增加空分爆炸的风险。
污氮出低板温度(热端温度)在冷水机组停运前后，1#空分相同工作情况下上涨8℃左右。板式换热器热端温度上涨短期内不会造成太大危害，但是会直接影响塔内精馏工况，造成塔内温差增大，装置冷损增大。
4理论计算
4.1计算冷水机组故障时纯化器需要多吸附的水分
在冷水机组停机后，空冷塔出口温度升高，直接影响纯化器吸附效果。
空气在8℃时，其饱和水分含量为8.28 g/m3，温度升至14℃,其饱和水分含量提高至12.05 g/m3。以1#空分加工空气量334 000 m3/h计算，空气温度从8℃涨至14℃,1 h纯化器需要多处理的水分计算式[4]如式（1）所示：
G水=V×φ×γ饱和×τ(1)式中：G水为需要处理的水含量(t)；V为加工空气量(m3/h)；φ为空气相对湿度(%)；γ饱和为对应温度的饱和水含量(g/m3)；τ为纯化器运行时间(h)。
将参数代入式(1)，得到：(12.05-8.28)×334 000×1×4=5.036 8 t。
因此，纯化器一般4 h切换一次，工作一轮需要多吸附水分5.036 8 t。
按照空分分子筛设计工况，空气量334 000 m3/h，空气温度10℃,相对湿度100%，饱和水含量9.35 g/m3，分子筛工作4 h，将参数代入式(1)，得到：9.35×334 000×100%×4=12 491 600 g=12 491.6 kg=12.491 6 t。
空分设计工况单台分子筛1个工作周期吸附4 h需要处理12.491 6 t水。
冷水机组故障时，温度升至14℃,其饱和水分含量提高至12.05 g/m3，分子筛工作4 h，将参数代入式(1)，得到：12.02×334 000×100%×4=16 058 720 g=16 058.72 kg=16.028 7 t。
计算故障工况与设计工况的水分吸附负荷之比为：16.0287/12.4916=1.28。
可见，冷水机组故障期间，纯化器水分吸附负荷增加了1.28倍。纯化器使用过程中，随着空气温度上升，氧化铝对水分的吸附容量呈下降趋势，而分子筛即便在较高温度下，仍能吸附相当数量的水分[5]，这样给二氧化碳的吸附增加了困难。
4.2计算纯化器二氧化碳吸附饱和时间
假设由于温度升高，超出纯化器设计吸附负荷的水分需要分子筛吸附，除去这部分分子筛后，床层继续吸附二氧化碳到吸附饱和的时间为H，做出如下计算。
4.2.1吸附超出的水分所需分子筛量
运行4 h纯化器需要多吸附水分：16.028 7-12.491 6=3.537 1 t。
分子筛一般静态吸水率为10%～23%，动态吸水率小于静态吸水率，此处计算取较大值20%。
所需分子筛重量计算式[6]如式（2）所示：
式中：(Ms)H2O为所需分子筛重量(kg)；W为水分重量(kg)；水分吸附量为20%。
代入式(2)得到：3.537 1/0.20=17.685 5 t。故吸收这些水分需要多消耗17.685 5 t分子筛。
4.2.2计算设计工况单台分子筛二氧化碳处理量
分子筛纯化器单台装填75.550 0 t分子筛，按空气中二氧化碳含量750 mL/m3、加工空气量334 000 m3/h设计，当日气温30℃,查表得到二氧化碳重度为1.78 kg/m3，计算处理加工空气4 h中含有二氧化碳量的计算式[7]如式（3）所示：
WCO2=V.γT.H(3)
式中：WCO2为需要处理的二氧化碳量(t)；V为加工空气量(m3/h)；γT为二氧化碳重度(kg/m3)；H为纯化器运行时间(h)。
代入式(3)得到：334 000×1.78×750×10-6×4=1.783 6 t。故按空分设计工况计算，纯化器运行4 h处理二氧化碳1.783 6 t。
4.2.3计算事故情况下能处理的二氧化碳量
由于水分增加，吸收水分消耗了部分分子筛吸附量，余下的分子筛量为：75.550 0-17.685 5=52.864 t。
二氧化碳吸附量一般为1%～3%，这里取最大值3%，计算得到：52.864×0.03=1.586 0 t。故目前可以吸附二氧化碳1.586 0 t。
4.2.4计算理论二氧化碳吸附饱和时间
用实际可以吸附的二氧化碳量/空气中的二氧化碳量=1.5860/1.7836=0.889=88.9%。分子筛单罐使用时间为240 min(4 h)，得到：240×(1.00-0.89)=27 min。故当单台纯化器使用到还剩27 min时，二氧化碳接近吸附饱和，时间对应为另一台罐的冷吹末期，距离升压切换10 min。
对照趋势，B罐氧化亚氮开始上涨时为6月2日8:11，此时，B罐已经使用210 min，A罐处在冷吹末期，距离升压步骤30 min；A罐氧化亚氮开始上涨时为6月2日12:15，此时，A罐已经使用215 min，B罐处在冷吹末期，距离均压12:40为25 min。
由于计算时均取最大值，因此实际情况较理论计算差一些，二氧化碳会更早的吸附饱和并将氧化亚氮解吸出来。可见，此时纯化器如果不进入切换程序、继续使用，二氧化碳将陆续击穿分子筛床层。
冷水机组停机时间越长，对分子筛层的吸附负担越重，相当于消耗分子筛的吸附冗余量，使每个周期纯化器的吸附效果都在下降。当超过纯化器的吸附负荷，分子筛床层会被击穿，造成二氧化碳超标带入板式换热器后冻堵，降低板式换热器换热效果，最终热端跑冷装置被迫停车。
对于空分装置而言，一次停工加热回温的时间需要3 d，加之开工吹扫积液等后续工作，产出合格产品至少需要7～10 d，若设备有问题，还需再加上设备检修时间，这会对下游用户和后续生产部署产生较大影响，因为1台冷水机组故障而产生以上损失。
5结论
冷水机组对空分装置生产至关重要，其稳定运行是大型空分装置长周期运行的关键。以往操作过的进口约克、无锡约克、大连冰山、美国开利等螺杆或离心式的多套冷水机组，会因为氟利昂的蒸发冷凝流程和油的分离回收特性，容易存在泄漏和故障等一系列问题，建议一定要增加备机，以便主机故障时及时切换，避免造成更大的损失。
参考文献：
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[7]杭州制氧机所.分子筛吸附器的设计计算[J].深冷简报,1970(2):20-26.后台-系统设置-扩展变量-手机广告位-内容正文底部 -
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冷水机组在空分装置运行中的重要性论文
人参与 2024-12-16 11:23:49 分类 : 管理学 点这评论 作者：团论文网 来源：https://www.tuanlunwen.com/
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