1、主换热器通道阻塞事故的分析与处理技术部 肖治湘 张冰摘要：介绍了主换热器阻塞的经过及大加温后的运作情况，分析了事故的原因，提出了有效的解决方案。关键词： 大加温 ；主换热器 ；负压 ；阻塞Abstract：Introducing clogging course of main heat exchanger and operation after deriming, analyzing accident cause and put forward effective solution.Keywords： Deriming; Main heat exchanger; Negative pressu
2、re ; Clogging山东某化工有限公司（下文简称：甲方）年产 10 万吨甲醇大型煤化工项目以焦炉煤气为原料，按照煤化工工艺技术的要求，河南开元空分集团有限公司（下文简称：开元）为其配置了一套制氧能力为6000m3/h 的空分设备。此空分设备为分子筛吸附、增压制动膨胀机、填料上塔的全低压流程，于 2006 年 7 月份出氧，设备投产以来一直运行正常稳定。事故经过2007 年 9 月 13 日上午 8：30 空分设备因后续工艺停车，甲方趁这段时间检修空分，并于 9 月 14 日上午 8：00 再次启动空分系统。甲方所在地污染严重，为空分设备提供的循环水水质太差，致使水冷塔上布水器和填料有明显
3、的堵塞现象，水冷塔换热效果越来越差。9月 13 日上午 8：30 停车后，其操作人员忙于处理清洗水冷塔，而忽视了氮气出口管道上所连接的一台 1500m3/h 的活塞式氮压机在整个空分设备停车后仍保持运行状态，到晚上 20：30 才得以发现并停氮压机。再次启动空分系统后就出现了氮气送出通道阻力大，出冷箱压力低，氮气流量小，热端温差大（最大值达到 8）等问题，进而主冷液面始终无法维持。于是，9 月 14 日晚上 18：30 停膨胀机对整个空分系统进行大加温。待整个系统恢复常温后，9 月 17 日早上 6：30 ，再次启动膨胀机，但工况并无明显好转，于是立请开元技术人员过去。开元技术人员于 9 月
4、17 日下午 17：00 抵达现场。原因分析由空分设备 DCS 操作系统上的趋势图显示：停车当日9： 0020：30，上塔压力一直不显示，为负压。但下塔一直都保持着正压的状态。在此期间，其操作人员正在清洗水冷塔。而此套空分设备现场中配管显示，氮气出管道经氮压机吸入阀与氮压机直接相连，经 V107 气动调节阀与水冷塔直接相连。氮压机吸入阀处于开启状态，V107 阀处于关闭状态。污氮出管道经 V109 气动调节阀与水冷塔也直接相连。V109 阀处于关闭状态。事故原因分析由于氮压机在整个空分设备停车后仍在运行，上塔及各送出管道上被抽成负压，负压会使大气中水分吸入管内使管道堵塞。由系统的流程图可以看出
5、，能吸入水分的管道只能是直接从上塔引出的送出气管道，包括氧气送出管道、氮气送出管道、污氮气送出管道等，被上塔负压反吸入管内的水分在冷态下被冻结冰，缚在板式换热器或管道内，致使再冷态开车后送出气管道阻力大。大加温后氮气送出通道阻力仍然过大，是氮压机吸入口法兰连接不严致使本身大量吸入大气中的湿空气返流至上塔途中被冻结及氮气送出管道加温吹除不彻底直接所致。上塔及氮气送出管道上被抽成负压，被负压反吸入管内的大气中水分在冷态下被冻结冰，缚在板式换热器或管道内，致使管道阻力大。当出现如此问题时，一般经过大加温后就可解决。可是，在加温 60 个小时后，系统已恢复常温态，再开启后为什么氮气管道阻力依旧大呢？据
6、了解，上塔在抽成负压时，正在清洗水冷塔，而且水冷塔的液位始终保持着高的位置，好几次超量程。在此情况下，不能排除清洗水冷塔时所带出的湿空气经 V107 阀进入氮气通道。再者由于氮压机吸入口法兰连接不严，氮压机的长时间不间断的负压运行，本身会大量吸入大气中的湿空气，而吸入的湿空气一部分往氮压机后压入管网，另一部分在上塔负压的反吸下会沿着氮气送出管道返流至塔内，湿空气中富含的水分在返流途中被低温所冻结，增大了阻力。常规的大加温过程中，上塔只能通过 V1、V2 阀导入加温空气，而 V1、V2 为节流阀，口径较小，故系统只能通过很小的加温气量，在没有刻意吹除氮气送出管道的情况下氮气送出管道只能分配更小的
7、气量，故并不能排除氮气送出管道的水分没有全部被带出的可能，而且水在常温下成液态，仅能依靠干燥气体使其蒸发被带出，这样也加大水分被全部吹除出去的难度。可是，污氮送出管道和氮气送出管道同样与水冷塔相连，为什么污氮管道阻力值正常呢？原因有二：一是氮气管道最直接被氮压机带动，负压程度相对较高，可以产生较强的反吸力；二是氮压机本身吸入过多的大气中的湿空气，会沿着氮气送出管道返流至塔内。故加温后污氮送出管道阻力正常而氮气送出管道阻力过大。这也是大加温后其他管道阻力都正常而唯独氮气送出管道阻力大的最根本的原因。同时也说明了从水冷塔吸入的水分并不是事故的最主要的原因，关键是氮压机本身吸入的湿空气返流至分馏塔而
8、其中所含水分被冻结在氮气送出通道内所致。甲方操作人员的工艺操作分析停车第二日甲方的再次开车以及后来的大加温后的开车，都出现了氮气通道阻力大，出冷箱压力低，气量小，热端温差大等问题。在这些问题的伴随下，甲方操作人员有如下作为：一、由于主冷液面始终无法维持，两台膨胀机便都处于运行状态。然而，能降低的膨胀机的出口温度没有得到降低，在安全范围内能提高的转速没有得到提高，致使膨胀机的低效运行。虽然膨胀量大，但膨胀机的低效运行使单位膨胀制冷量极低，总体产冷量反而更小。二、由于气量无法正常从氮气通道取出，便直接导致了上塔压力的上升，于是，甲方操作人员为了使上塔压力维持在设计工况，不得不加大氧气通道的取出量，
9、DCS 上显示其氧气取出量一度超量程（8000m3/h）。如此大的氧气量的取出和如此大的膨胀量进上塔，便直接导致了其氧气纯度上不来。三、氧气量的大量取出，氮气量的极小量取出，使得各气量取出量严重不协调，致使氧气、氮气、污氮气出冷箱温度相差很大，甲方操作人员又没有调节分配进塔气量，致使复热严重不足，极大的增加了冷损。如此作为导致了系统的异常运行工况，且产冷量没有达到最大，冷损却达到了很高的水平，因而没能维持主冷液面，氧气纯度不合格，就不足为奇了。处理过程对于年产 10 万吨的甲醇项目，停车一天损失几十万元人民币，经济损失相当可观。若进一步去处理氮气管道阻力大的问题需要再次大加温，时间较长，不划算
10、。而且甲方因为甲醇工艺项目处需要新上设备，大概半个月后要停车，这样问题可以留到那时再处理不迟。根据上述现场情况和用户要求，决定先避开氮气管道阻力大的问题，尽量维持冷量，争取提供一定的氧气量维持甲醇正常生产，将总体损失减到最少。为了保证冷量和调纯，用了如下措施：一是尽量增加产冷量，保持膨胀机的高效运行。即：缓慢停止一台膨胀机，同时尽最大量开大另一台膨胀机的进口导叶，加大其膨胀气量，关增压机回流阀，在安全范围内尽量提高膨胀机的转速。逐渐开大膨胀机前增压空气经主换热器底抽阀门 V448，尽量降低膨胀机的进口温度，即尽量降低膨胀机出口温度，但要保证膨胀机后空气温度不低于操作状态下的液化温度。二是调整热
11、端温差，尽量减少冷损。即尽量调整进出冷箱所分配的气量，使出冷箱口气体温度趋于一致。由于氮气通道取出量少，即返流气体量少，故逐步关小相对应的进气阀门，再综合调节正返流气体量使氧气、氮气、污氮气出口温度达到一致。（从而热端温差得到了缩小，最终使热端温差控制在 2.5左右。）三是因情况减少氧气的产量，氮气量拉到最大，污氮量尽量拉大，使上塔达到最适宜的工作状态。上述步骤没有严格的先后次序，乃综合的调节过程。经调整，主冷液面开始回升，氧气纯度慢慢升高，最后，氧气、液氧的产量和纯度达到事故前水平，完全能够满足甲醇正常生产。注意事项气量的适当分配由于氮气通道阻塞严重，气量难于取出，故尽量开大氮气通道各阀门，
12、使氮气取出量达最大状态。氧气量在保证纯度的情况下尽量拉大。污氮量尽量拉大，保证上塔压力不至于过高。控制热端温差通过调整各主换热器的进塔气量，尽量使氧气、氮气、污氮气的出口温度趋于一致，以缩小热端温差，尽量减少复热不足损失，达到降低冷损的目的。保证适当的制冷量在热端温差较大冷量不够时，尽量提高膨胀机的转速，调节膨胀机的进口温度，使排气温度处于较低的温度状态，只要保证膨胀机后空气温度不低于操作状态下的液化温度即可。当冷量充足时，可有效调节中抽 V447、底抽 V448 阀门的开度，利用膨胀机高温高焓降的原理，提高进气温度，增加膨胀机的单位制冷量，使系统始终保持在最佳状态。结束语煤化工制甲醇工艺发展
13、很快，正慢慢趋于成熟，为其配套的空分设备在其带动下发展也异常迅速，特别对于年产十万吨甲醇的配套空分项目，工艺和制作都极其成熟了。此次事故纯粹为人为事故，是完全可以避免的。不过事故的意外发生也为大家提供了种种教训和学习的机会。此次事件对现场操作人员提出了一个最基本的要求：细心、负责。学如逆水行舟，不进则退。希望大家都在时刻不断的学习，从错误中学习，避免同样事故的二次发生。制氧工问答如果分子筛吸附器净化流程不采用冷冻机预冷系统，则需要采取什么措施，这些措施有什么优缺点？答：由于分子筛吸附器对吸附介质的温度要求比较严格，其分子筛的入口温度必须在以下才能正常工作，通常在15之间，而普通冷却水很难使空气
14、被冷却到分子筛需要的条件。如果分子筛吸附器净化流程不采用冷冻机预冷系统，势必造成分子筛的入口温度提高。通过理论计算可知，经过分子筛的气体介质温度每提高，分子筛的负荷量增加%左右。所以，在可能的条件下，要充分利用污氮的冷量和干燥度，将冷却水在水冷却塔内冷却到尽可能低的温度。此外，为了抵消由于温度的提高而增加的负荷量，从设计上就要将分子筛纯化器进行改进。例如：增大分子筛吸附器的容量，将罐的结构由卧式改为竖式；缩短纯化器的使用周期，减少分子筛的加热和冷吹时间等。这种措施的优缺点是： .减少了冷冻机冷却系统的一次性设计投资，但要加大纯化系统的投资；2.要减少纯氮气的产量，以便有足够多的污氮来冷却水；3
15、.立式罐的截面积较小，使气流分配较均匀；4.提高了分子筛床的高度，增加了分子筛的阻力，使氧气产品能耗增加；5.随季节的变化，通过分子筛床层的气体温度变化大，使空分生产不够稳定。为什么分子筛纯化空分流程氩的提取率高？答：氩气生产需要主塔工况稳定，这样才能保证从精馏塔上塔抽出来的氩馏分的组成不变。从实践得知，尽管精馏塔工况只有微小的变化，氩馏分的组成也会产生较大的变化。通常，氧气纯度变化 0.1%，氩馏分中的含氧量变化约为 1%，为其变化量的倍。氩馏分是提取氩的原料，氩馏分组成的变化会直接影响粗氩塔的精馏工况。氩馏分中含氮量高，粗氩中含氧高，氩的产量都会降低，造成氩的提取率下降。氩馏分中含氮量高，
16、还会使粗氩塔冷凝器温差减小，造成粗氩塔回流比下降，精馏工况变差。切换式换热器流程由于采取冻结法清除水分及二氧化碳，为保证杂质的自清除，必须在几分钟内就切换一次，短的min，切换时间较长的也只有min 。这势必使空分装置的压力、温度、流量以及粗馏塔的精馏工况等，在几分钟内就波动一次。主精馏塔的精馏工况周期性变化，氧、氮的产量及纯度都不够稳定，导致氩馏分的组成和量都不稳定。分子筛纯化流程的空分设备采用分子筛吸附空气中的水分、二氧化碳、乙炔等其他碳氢化合物。分子筛纯化器的切换是为了分子筛的解吸、再生，全低压分子筛纯化器的切换时间设计为 1.52.5h，长周期为 4 6h。中压分子筛纯化器的切换时间设计为h 。由此可见，分子筛纯化的全低压流程比切换式换热器流程运行波动小，精馏工况相对稳定，所以氩馏分的组成和量都可以稳定。粗氩塔和精氩塔的分离工况都得到了保证，分离比较完善，氩的提取率也就提高了。据统计，切换式换热器流程的全低压空分设备氩的提取率只有%35%，而分子筛纯化流程的全低压空分设备氩的提取率可高达 60%87%。
