仪表用空气造成空分装置主换热器堵塞事故的分析与处理

在空分装置中, 主换热器是冷箱内的重要换热设备, 其运行状况决定整套空分装置的性能和状态。目前, 绝大部分的主换热器均采用铝制板翅式换热器, 该类型换热器具有间隙非常小、体积小、重量轻、换热效率高、工作最低温度可达-178℃等特点, 广泛应用于空分、化工等领域。

当空分装置主换热器出现阻力增大、换热不充分等异常时, 一般认为主换热器出现了堵塞。主换热器堵塞物质主要分为两类:一是机械颗粒, 主要有沙尘、焊渣、珠光砂、分子筛粉末等;二是低温冻结介质, 主要有水、二氧化碳。主换热器发生堵塞时, 空分装置产量下降、能耗增加, 严重时空分装置无法继续运行, 必须停车检修。

某新建空分装置采用常规外压缩流程, 在分子筛系统后设计有一条仪表用空气外送管路, 提供全厂仪表用气。同时配备一套包括活塞压缩机、吸附式干燥剂的仪表用空气系统, 作为空分装置停车时的仪表用气供应。该装置经过调试顺利出氧, 但连续运行一周后, 现场工程师发现正流空气通道和膨胀空气通道的阻力近似以一定速率缓慢增加, 已对空分工况产生影响。此时, 后续工段已开展试车工作, 要求保持氧气的连续供应。因此, 尽快查找问题原因成了当务之急。

1 通过下列物质的堵塞特点进行初步判断

1.1 沙尘、焊渣:

这两种物质一般表现为短期变化, 之后会达到某一状态并趋于稳定。

1.2 珠光砂、分子筛粉末:

一般冷箱内管道发生断裂时, 珠光砂会泄漏到管路内部, 随气流堵塞下游管道或设备。分子筛粉末主要是因分子筛粉化造成, 多见于运行几年以上的空分装置。

1.3 二氧化碳:

二氧化碳在低温下会直接固化成干冰, 固化温度为-78.6℃。一般空分装置均在纯化系统后配备有二氧化碳分析仪进行实时监控, 进入冷箱的二氧化碳是一个关键的工艺控制点。

1.4 水:

水在0℃时即凝固为冰。这里所说的水一般指气态的水, 也就是湿空气中含的水蒸气。水蒸气一旦进入冷箱, 将会冻结在主换热器内, 造成堵塞。堵塞的快慢受水蒸气的含量而定。空分装置中, 水的来源有两个:一是分子筛系统净化不彻底;二是膨胀机或增压机级间冷却器泄露。不同的来源影响的后续管路也不相同。

根据以上物质堵塞的不同现象, 并对现场相关吹除阀、仪表管等就地吹扫检查后, 可以锁定水和二氧化碳两种物质, 排除其他物质的可能。然后针对这两种物质作进一步的检测和分析。

2 通过分析仪分析数据判断

首先检查二氧化碳分析:二氧化碳分析点位于分子筛纯化系统后, 使用2ppm的标准气对分析仪进行校准, 分析分子筛后的二氧化碳含量为0.5ppm, 略有波动。在分子筛吸附末期和切换时, 二氧化碳含量也基本稳定。

其次检查水分析:水分析点在膨胀机增压机后冷却器后。校准分析仪并检查分析管路后, 测量膨胀空气进冷箱管路的露点为-72℃。

然后将两台分析仪的分析点进行交换, 测量结果为分子筛后正流空气管路的露点为-78℃;增压机后冷却器后的二氧化碳含量为0.5ppm, 两个测点的露点有差。

3 排查系统水的来源

首先对膨胀机增压机级间两台冷却器均进行气密性试验, 但未发现异常。

其次对分子筛系统进行重点排查。来自分子筛系统的正流空气有仪表空气和膨胀空气两个分支。二氧化碳分析点位于分支之前。随后对仪表空气管路进行检查, 仪表空气处于外送状态。相连的外来仪表气源管路阀门是关闭的, 并且仪表气系统处于停机状态。根据以上的检测判断, 微量水泄漏的可能性非常大, 但水的来源却无法确定。

在继续查找水的来源过程中, 在向现场操作人员详细了解调试情况时发现一个细节:空分装置装填珠光砂期间, 客户要求仪表用空气进行其他工段的调试工作, 操作人员启动了备用仪表气系统。随后针对备用仪表空气系统以及与空分装置连接部分的仪表管、吹除阀进行逐个检查。在检查仪表气缓冲罐时, 发现吹除阀打开后有液体水排出, 对仪表气缓冲罐进行吹除后, 增压机后冷却器后的露点分析开始上升, 最后达到了-78℃。又经过两三个小时的观测, 主换热器的阻力没有进一步增加, 但空分装置需择机进行停车加温, 将冻结在主换热器内部的水分加温吹除干净。

一般情况下, 即使仪表用空气带水, 也只会随气流带到下游管路中。仪表气缓冲罐中的水是如何反流到正流空气管路呢?这里, 注意到一个现象, 当打开仪表气缓冲罐的吹除阀时, 露点分析仪即有变化, 说明正流空气管路的进水量与仪表空气管的流速成比例关系。由此让笔者想到气体的扩散效应, 室温下空气中分子的平均热运动速度高达400m/s。由于极为频繁的碰撞, 分子运动速度的大小和方向时刻都在改变, 沿一定方向迁移的速度相当慢, 所以气体扩散的速度比气体分子运动的速度要慢得多, 且分子呈现扩散效果。本套空分装置因为仪表用空气外送的要求, 管路口径设计较大。而在试车阶段, 仪表用空气实际送出的流量比较少, 当仪表用空气送出低于水分子的扩散速度时, 水分就扩散到正流空气管路, 随气流进入主换热器, 从而冻结在换热器内。当然这种扩散的量非常小, 所以才有阻力缓慢增加的现象。

在这次事故中, 空分装置的操作虽然都是正确的, 但由于忽视了附属系统的状态, 因此造成了事故。这就要求现场调试人员要全面掌控空分装置的状态和运转情况;另外, 在操作中, 还要考虑前后操作的关联性。希望此文能为空分装置调试工作提供参考。

摘要：简述仪表用空气造成空分装置主换热器堵塞事故原因的判断和处理过程, 为类似空分装置事故提供借鉴和参考。

关键词：空分装置,主换热器堵塞,仪表用空气