安龙3200m³/h制氧机调试总结

张晨

一、安龙公司3200m³/h制氧机基本情况

2002年8月份，濒临倒闭的洛阳钢厂将优良资产作价2300万元，由安钢出资6700万元对其进行重组，重组后的公司称为安龙钢铁公司。

原洛钢年产钢20多万吨，重组后第一年的2002年，年产钢27万吨，达到历史最高水平。2003年计划完成40万吨，并计划在今后2～3年间，通过新上380m³高炉和转炉等设备使年产钢达到100万吨水平。

原洛钢动力部有1000m³/h变压吸附制氧机一套，1500m³/h切换式流程制氧机一套，93年定货、但因各种原因未安装完毕的3200m³/h分子筛流程制氧机的部分设备。现安龙公司运行设备为1000m³/h和1500m³/h两套，其中1000m³/h纯度80﹪O₂，1500m³/h纯度99.6﹪O₂，为此，氧气管网压力低，纯度低。

2002年8月份安龙公司成立伊始，就开始考虑将3200m³/h制氧机配齐后投入运行。最终，由安钢制氧厂副厂长张永康组织本厂的各专业人员会审设备、制定方案、组织招标。在开封“开氧公司”中标后，经过半年的安装，于2003年4月份进入试车调试阶段。

我和栗俊林受制氧厂委托，参与了本套制氧机的调试工作，下面我就本次调试工作做一简单总结。

二、3200m³/h制氧机调试情况

1、4月9日，空透试车完毕、塔内容器和管道试压结束、塔外管道基本吹扫结束。

2、4月10日，开始分子筛活化。

3、4月13日，空分系统开始裸冷，4月14日，塔内达到最低温度，膨胀机后温度为-83℃、空气进下塔温度为-35℃。裸冷期间发现膨胀空气的两组中抽口的温度相差17℃，而冷端两组抽口的结霜情况明显不同。当时怀疑两组主换热器存在偏流现象，于是我们建议增加空气、氧气和氮气通道的调节阀，以利于正式开车以后调整偏流现象，但是开氧公司因各种原因未于实施。同时裸冷结束后并未进行彻底大加温，只是靠其与空气对流进行自然温升。

4、处理部分遗留问题后（主换热器冷箱内未通入密封气，要求其通入密封气；氧活塞试车时，励磁柜电源线因选型偏小着火，更换大直径的电源线），于4月17日20:00开始装珠光砂（采用人工传递的方法）。因有雨，装填工作时断时续，50多个小时后装填结束，准备开车。

5、4月20日4:40启动空透，向空分系统送气、升压；6:50分预冷系统投运正常；8:00分子筛系统投运，吹扫塔内容器和管道；13:00启动第一台膨胀机，16:00启动第二台膨胀机。

6、启动初期各部分情况正常，但是随着温度的不断下降，主板式换热器热端温差逐渐增大，两组换热器偏流情况日渐严重，板式冷端温差也较大，冷损巨大，膨胀机前、机后温度降不下来，空气进下塔温度也降不下来。如4月21日11：00～16：00，五个小时内空气进下塔温度仅由-134.8℃降至-141.2℃,温降仅为6.4℃。在采取各种措施后，情况仍无明显好转（将膨胀空气中抽阀开大或全关；将膨胀空气旁通或全部送上塔；调整返流氧气、氮气、污氮气的比例等等）。最终到4月22日3:00左右，膨胀机出口温度达到最低-174℃，进下塔空气温度达到-158℃后就不再下降了，两台膨胀机启动36个小时后，仍未见液，甚至连液化温度都无法达到。

7、这时的主要参数如下：

⑴空气量11500m³/h，

⑵膨胀空气量5800m³/h，

⑶污氮气复热温差～15℃，

⑷氮气复热温差～9℃且偏流13℃（-3.8℃和9.6℃），

⑸氧气复热温差～6℃，

⑹膨胀空气中抽口温差最大～40℃(-30℃和-70℃)

三、开空第一批分子筛流程制氧机的基本情况

1、开封空分厂1992、93年开始设计分子筛流程的制氧机,其中原洛钢3200m³/h制氧机93年10月出厂,为开封空分厂第一套分子筛吸附、增压透平膨胀机、有氢制氩流程。南昌钢厂3200m³/h制氧机为第二套，流程基本相同。南钢3200m³/h制氧机在94年开车调试时，出现主板式换热器环境温度低时,热端温差大；环境温度高时,热端温差小的现象，即:空气质量大时,换热效果差。主要问题在于主板式换热器设计不成功,换热面积换热通道的分配均不合理。西宁钢厂3200m³/h制氧机投产略晚一些，经开空改造后虽也存在些小问题,但仍然能够开出氧气来。

4、南钢3200m³/h制氧机开车到后期，热端温差很大、冷损巨大，两台膨胀机全量运行，仍无法见液。不得已改为一台膨胀机全量运行，以缩小热端温差，但20天后才积液到正常值并调出氧气。经之后分析，认为膨胀空气通道未考虑两台膨胀机同时运行的状态，每组换热器仅有四个膨胀空气通道。后开封空分厂免费对南钢3200m³/h制氧机更换分馏塔、增加两组体积小一些的换热器后，均无法解决该问题，最终在更换了两组经过重新设计的主板式换热器后才真正解决。另外还暴露出：增压机增压比太小，仅为1.1～1.2；增压机效率低，仅为70％；膨胀机效率低，仅为75％等问题。

四、原因分析

1、4月22日下午，开封空分厂第一套分子筛流程制氧机的主任设计师、现已退休的夏雪飞工程师到现场。他认为，膨胀空气换热通道在设计时未考虑开车时两台膨胀机同时运行的状态，造成其复热不足，同时因是开封空分厂第一次设计分子筛流程，其在主板式换热器上的氧气、氮气、污氮气通道在设计上也不合理。

总之，该主板式换热器在设计上先天不足，无法使用。这在南钢94年调试时已经得到印证，更换板式势在必行（通过了解和咨询得知，当时有一制造主板式换热器的私人企业有现货，价格约为134万元，开封空分厂和四川空分厂也可以接受定货、而且可以根据工况免费重新设计，但交货周期上要长一些、价格上要贵一些）。同时，夏工还提供了一条相关信息，原洛钢3200m³/h的主板式换热器曾经被调用到其他地方，现有的一台板式为后来补发的，设计上可能与图纸不符、制造上可能存在一些问题。

2、4月22日23:00，张永康厂长和陈守亚主任连夜赶到现场。在了解了基本情况后，初步认为该主板式换热器的确问题很大，热、冷端温差均大、两组换热器偏流严重。后通过对部分参数的分析，认为可以尝试着将板式冷箱扒砂后检修，根据情况进行一定的改造，再次开车试一试，看情况是否有好转。

具体分析如下：膨胀空气中抽阀全关时，两组中抽口温度相同（-34℃），中抽阀开度越大，两组温差越大（最大为△t=40℃），但在这一过程中，其中一组的中抽口温度却仍然无大的变化（-30℃，另一组为-70℃），同时在裸冷时发现两组冷端管结霜程度差别很大，且与中抽口温度差别程度相吻合，即两种现象均反映出一组板式过冷，一组板式过热。为此，怀疑过热的这一组板式的膨胀空气通道被全部堵死，从而造成气流分配的严重不平衡，以致于出现热端复热不足和严重偏流。而对于堵塞物的判断：一为冻堵，开车时水被带入该通道，如增压机冷却器内泄漏（后经两次试漏，不漏）；二为安装时杂物堵；三为板式在“盐浴纤接”时盐堵（夏工认为，“盐浴纤接”时造成盐堵可能性最大）。

3、在决定检修之后，为考验分馏塔的运行情况是否良好，决定向主冷反充液氧。在主冷达到正常的操作液位后进行调纯，以检验分馏塔的精馏效率和运行情况。同时观察一台膨胀机全量运行时，是否可以维持正常冷损。

为此，于4月23日2:00停运一台膨胀机。7小时后，一台膨胀机运行时的空分系统工况如下：

⑴膨胀量3600m³/h，

⑵机后温度-182℃，

⑶进下塔空气温度-162℃，

⑷主冷及下塔均可排出液体，

⑸氮气、污氮气热端复热温差均小于3℃，

⑹氮气两组偏流温差小于2℃，

⑺但主冷液位上升很慢。

4、4月24日4:00，用郑州双阳11m³液氧槽车反充主冷液氧液位至2000mm。经调纯，液空纯度稳定在40％O₂、氧气产量稳定在2100m³/h、氧气纯度持续上涨（98％O₂以上）、空气量为16000m³/h。但一台膨胀机全量无法维持冷量平衡，主冷液位略有缓慢下降。后因开氧聘请的一名侯马制氧机厂的操作工，因认为下塔液氮温度偏高，而大幅关小液氮节流阀，从而丧失看到精馏最终效果的机会。当时其他的各个参数均显示出分馏塔的运行情况良好，后经确认是该温度点测量有误。由此看出，一名好的操作人员不应因某一参数的变化或有偏差而调整整个工况，而应以大局观、以多个参数、以整体运行工况来综合分析后，做出对现有工况的准确判断，进而做出正确的调整。（经张厂长建议，这一位外聘的操作人员再也未参与本套制氧机之后的调试工作。）而后立刻决定：停车、扒砂、检修、改造。

五、检修及改造情况

1、检修情况：

⑴主板式换热器冷箱扒开后，安龙及开氧人员将膨胀空气冷端抽口锯开，两组出气大小不同，后锯开中抽抽口，手感出气差不多。

⑵待我们于4月26日再次到现场后，决定对膨胀空气中抽和冷端抽口各封头全部开孔以检查其流道布置情况。经检查，确认每组换热器的膨胀空气通道都只有4层，中抽口都有2层，冷端抽口仍都有4层（这与夏工的判断一致，即膨胀空气通道少、换热不足）。

⑶同时发现两组换热器的增压空气通道的布置也大不相同，其中一只为平均布置，另一只全布置在一侧。由此印证该换热器的其中一组被调换过，两组换热器各换热通道布置本身就不同，可能使导致偏流的原因之一（这也与夏工的判断一致）。

⑷各开孔处均未发现杂物堵塞现象，每组通道也都有气吹出，证明无堵塞。但也有可能其充气检查时，将其堵塞的冰化开吹出，但据说并未发现游离水。

⑸因停车后未排液和大加温，为防止湿空气进入，决定正式开车前彻底大加温一次，并且在装砂前再次裸冷以检验设备。

2、改造情况：

加温前，决定进行几项改造。

⑴原设计每组换热器各有一层换热面分别复热粗氩气和压力氮气，开氧中标后将其改为膨胀空气旁通通道，并在保冷箱外与污氮气管道汇合，现决定将该通道截断、堵死。

⑵因膨胀空气通道少，决定将这两个通道用于膨胀空气通道，并在冷端出气后直接接至膨胀机冷端抽口。

⑶原膨胀空气管道直接接在冷箱内的污氮气进板式冷端前，并加手动阀。

但是，改造前开一台膨胀机时热端温差不大（3℃左右），改造后热端温差变大（6℃左右）。原因可能是原粗氩气和压力氮气均为冷流体，用作膨胀空气旁通时也是冷流体。但在本次改造后，却成为了热流体，即膨胀空气。由此，改变了冷、热流体换热通道的比例。但将新改造后的两段管道上的阀门全部关闭后，热端温差仍无好转，说明可能仍然另有原因。

六、开车情况及改造效果

1、4月28日10:10启动空透，对改造和开孔部分试漏并补焊，18:00开始加温。4月29日14:00加温结束，启动膨胀机开始再次裸冷，几个小时后，膨胀机冷端结霜，结霜程度相同，两组中抽温度相同，决定边冷却边装砂。

2、4月30日，膨胀机后温度达-170℃、进下塔温度达-148.5℃，但板式热端温差仍较大(污氮气18.6℃、氮气20℃、氧气6℃)，各点温度下降仍很缓慢，决定于9:45停运一台膨胀机。5:30反充11m³液氧，主冷液位达到2600mm，调纯后氧气达2400m³/h，纯度99％O₂。液氧纯度99％O₂以上，液空纯度39％O₂左右。

3、5月1日16:00，再次充入液氧5M³，主冷液位达到3300mm，调纯后,氧气产量2700m³/h，氧气纯度99％O₂。后因开氧人员大幅提高氧气产量到4100m³/h，并因为要降低主冷负荷而大幅关小液氮节流阀，氧气纯度随之大幅下降。因氧压机试运，调纯暂时推迟。至5月3日1:10，氧气纯度第一次达标：加工空气量20500m³/h，膨胀空气量5550m³/h，氧产量3050m³/h,氧纯度99.6％O₂。

4、开氧公司在安装活塞式氧压机时，脱脂严重不合格，通过我厂化验员黎改凤和张秀芳抽样化验，所有抽样化验部分的含氧最少超过国家标准3倍以上。在张厂长和陈主任的一再坚持下，决定将已安装好的两台氧压机全部解体脱脂并化验合格后才可压氧。陈主任亲自编写脱脂化验方案、监督开空人员进行脱脂工作、全面负责脱脂化验和验收工作，在其全方位主持下，两台氧压机全部解体、脱脂并经检验合格。于5月3日5:00，一次压氧成功，这也标志着安龙3200m³/h制氧机开车成功。

5、5月8日，加工空气量20200m³/h，膨胀量5700m³/h，膨胀空气旁通污氮管道约2000m³/h，氧气产量3200m³/h，氧纯度99.6％O₂(在刚开始调试时，氧气产量的零点为600m³/h，原以为设备运行正常后的氧气产量需减去零点，即氧气产量值偏高600m³/h，但是经过多次检验和炼钢用量的验证，确认氧气产量是准确无误的,这一点可谓是意外的惊喜。

6、现存问题:

⑴两台膨胀机全量运行且保持1％液氧排放时,主冷液位基本稳定,可维持生产。但是污氮气复热温差为9℃，氮气5℃，氧气3℃，氮气两组偏流温差3.5℃，中抽口温差34℃。

⑵一台膨胀机全量运行，则无法维持冷量平衡。

⑶若环境温度高，则有可能两台膨胀机全量也无法维持冷损，但因为是第一次启动，珠光砂尚未冷透以及冷箱外壁板未刷银粉，相信运行一段时间后情况会大有好转，另外就算主冷液位持续下降，也可定期反充液氧以维持生产（平稳运行一周后，一台膨胀机全量运行，已经可以维持冷量平衡并略有富裕）。

⑷过冷器和主板式换热器中污氮气通道及换热面积均设计偏小，故阻力大、复热不足，膨胀空气通道未考虑两台膨胀机同时运行状态（即开车状态），故每次开车时均需反充液氧，无法依靠自身进行积液。

⑸两组板式并非一张图纸，偏流严重，无法解决。

⑹现在空压机仍有一定富余量，若下决心更换主板式换热器，调整过冷器中污氮气和氮气通道，以及更换高效率的膨胀机。那么，氧气产量达到3800m³/h，一台膨胀机不需全量运行就可以维持主冷液位是完全可能的。

七、开车情况总结

1、在空分系统裸冷时，意识到主板式换热器有问题，但并未确认问题所在，也未采取相应的措施。

2、在正式开车过程中，因为无法见液，确认问题严重。

3、开空夏工从设计角度分析，认为唯有更换主板式换热器，才能从根本上解决问题，才能达到积液和出氧的目的。

4、张厂长和陈主任通过对部分参数和现象的分析，认为可以通过检修和部分改造，以及采取反充液氧的方法解决开车、出氧过程中的问题。

5、最终，通过扒砂检修、改造部分管道、彻底大加温、反充液氧、氧压机解体脱脂等工作，达到了氧气产量3200m³/h、氧纯度99.6％O₂、氧压机一次开车成功的结果，的确很难得。

八、一起分子筛进水事故的分析和处理

安龙3200m³/h制氧机正式投产后三周，因操作失误造成了一起分子筛及主板式换热器进水的事故。

1、事故经过：

5月26日11:40，2^﹟分子筛投入运行，11:49电加热器运行，1^﹟分子筛开始再生，2^﹟分子筛运行15分钟后的11:55，出分子筛的CO₂含量由正常的0.4ppm开始迅速上涨至15.4ppm，之后一直稳定在该值。当时，现场操作人员在未作认真分析的情况下，简单认为这一现象属于CO₂分析仪显示有误，因此也未采取相应措施。2^﹟分子筛在这种状况下运行两小时后，于14:00开始出现以下现象：进分馏塔空气流量下降（由17500m³/h降至15500m³/h），主板式换热器增压空气通道的阻力大幅增加（该阻力最终升至0.2MPa，即增压机出口压力0.6MPa，膨胀机进口压力0.4MPa），膨胀机转速和膨胀空气量也大幅下降（分别由33000rpm和3300m³/h降至10000rpm和1000m³/h以下，最终不得已只能手动停运膨胀机），主板式换热器热端复热温差明显增大（如返流污氮气的复热温差由原来的7℃升至20℃），主冷液氧液位大幅下降（由2700mm降至1600mm），最终，只能停运制氧机、排放主冷液氧、对主板式换热器空气通道和增压空气通道进行大加温。

2、原因分析：

第二天张厂长和我到达现场后，对各机组当时的运行工况、参数变化和相关操作进行了详尽的调查、了解、分析和研究，以期找出造成本次停车的根本原因。因为该控制系统没有趋势图，因此缺少了直接从趋势图上了解相关信息的这一重要手段，只能通过查看记录报表、操作记录、微机上的操作和报警信息以及对当班操作人员进行询问这些间接手段进行综合分析。

⑴确定事故发生的原因是游离水进入板式

我们对事故发生时，“进分馏塔空气流量下降、主板式换热器增压空气通道的阻力大幅增加，膨胀机转速和膨胀空气量迅速下降，主板式换热器热端复热温差明显增大以及最后主冷液氧液位大幅下降”这些基本现象来分析，认为只有大量的游离水进入主板式换热器的空气和增压空气通道并在其换热通道内冻结，才会导致以上各种现象同时并且迅速地发生。而且，对于分子筛流程的制氧机，能够使空气携带大量游离水进入主板式换热器的非常重要的途径就是分子筛纯化器。

⑵排除分子筛投用时空冷塔带水和再生不佳导致水析出的可能

通过对“2^﹟分子筛运行15分钟后就出现了出分子筛的CO₂含量超标”这一现象来分析，能在这样短的时间内使分子筛吸附饱和CO₂析出的原因有可能是上一个或上几个周期的再生情况不佳，甚至有可能在上一个周期该分子筛根本没有再生所造成的。于是我们通过查看操作记录和对当班操作人员进行询问得知：3200m³/h制氧机在正式投产后的的这三周时间内，为了监视分子筛再生完善程度，安排有专人记录两台分子筛每个周期的冷吹峰值，记录显示该值均在130℃以上，这表明这两台分子筛的再生情况一向都是很良好的。但是在事故发生的当天上午，因为操作人员忙于倒换和检修高压低温水泵没有记录下离停车前最近的一个再生过程的冷吹峰值，不过从当时的记录报表以及微机上记录的操作和报警记录来看，这一时间段内再生污氮气量和电加热器出口温度均在正常范围，冷吹时也有一定的峰值。这样一来就基本上排除了2^﹟分子筛运行再生情况不佳、分子筛吸附饱和导致CO₂和水大量析出的可能性。

3、确定是预冷系统将水带入分子筛

安龙操作人员反映，当天上午9:30因运行中的低温泵电机发热，进行了倒泵操作（本次为投产以来第一次进行倒泵操作）。倒泵时，操作人员先将备用泵启动，待该泵运行正常后停运主泵，但因水冷塔水位低、泵前过滤器有堵塞、泵前排气阀漏气等原因导致备用泵多次串气，半个小时后才恢复正常。查看空分记录报表时,发现运行中的1^﹟分子筛出口温度在10:00时为36℃，（而正常时仅为20℃）；在查询微机内报警信息时,发现在倒泵过程中水冷塔水位有多次高报警的记录。通过以上信息，我们分析：

⑴调试时得知，开封空分厂生产的空冷塔上部筛板孔太小，低温水流量稍微大一些就会导致水下流不畅，从而被空气将这一部分水带入分子筛，而且其它类似设备曾经因此出现过这种事故。安龙操作人员倒泵时出现过两台泵同时运转的情况，也就会出现空气将一部分水带入分子筛，这一点可以通过1^﹟分子筛出口温度突然升高这一现象得到证实。

⑵倒泵操作时因为备用泵多次串气导致水冷塔水位长时间偏高，而当时主控室无人监控，也没有人注意到水冷塔水位偏高这一现象，也就没有人去调整该水位。那么，水冷塔水位偏高会不会造成分子筛进水呢﹖我们到就地对水冷塔结构和污氮气进水冷塔管道布置等情况进行了认真研究，发现水冷塔没有设计自动溢流管，水位超高时不会自动溢流；水冷塔正常水位为800mm，报警值为1000mm，氮气进水冷塔的管道只有1200mm，而污氮气进水冷塔的管道是从下面并在氮气管道上的，也就是说水冷塔水位一旦超过1200mm，水就会直接漫进污氮气管道；污氮气进水冷塔阀当时有一定的开度，该阀与污氮气进分子筛管道相距仅为2m。通过现场勘察和研究，我们认为当倒换低温泵时因串气导致水冷塔水位高，从而使水漫进污氮气进水冷塔的管道近而进入污氮气进分子筛管道，并顺着该管道经电加热器进入处于再生过程的2^﹟分子筛上部，于是当11:40，2^﹟分子筛投入运行时，空气中的水分在分子筛下部被吸附，但到了分子筛上部时，因为这一段含有水分的分子筛形成了一条短路通道，所以经过该通道的空气中的CO₂不仅不会被吸附，还会使该部分空气中的水分及分子筛吸附剂中的过量水被带入主板式换热器的空气和增压空气通道，并在其中冻结，而相应的出现一系列的板式进水的现象。可以这样想象，如果出分子筛的空气装有微量水分析仪，则此表指示会严重超标。同时这一论断也很好的解释了“为什么出分子筛的CO₂含量迅速上涨至15.4ppm以后就不再上涨了”这一现象。也就是说分子筛上部是主要吸附CO₂，但因为这一区域在再生时进入了大量的水分，故在吸附过程时对CO₂的吸附效果大幅下降。如果出分子筛的CO₂含量仅仅是因为吸附饱和而达到15.4ppm，15.4ppm的二氧化碳含量相对应的冻结温度低于－167℃。

切换式换热器冷端温度达－172℃左右。从理论上讲，已基本不含二氧化碳，但实际上气流通过切换式换热器是一流动过程，在流动中析出的二氧化碳不一定能全部冻结在翅片上，而是一部分被气流夹带而进入下塔，出蓄冷器的空气中二氧化碳的实际含量在5～8ppm以上，出板式换热器一般比通过蓄冷器的二氧化碳量会多一些。在这种情况下，板式换热器流程的制氧机运行周期，还可有一年。那么，出分子筛纯化系统15.4ppm的二氧化碳，运行周期，最少也该有三个月吧？2^﹟分子筛运行2个小时就出现板式阻力大幅上升的现象，只能说明有大量的水分进入板式。

4、处理结果

确定板式进水原因后，对主板式换热器的空气和增压空气通道进行了重点加温，为防止有CO₂进入分馏塔，又将上塔和下塔加温到了-60℃左右。3月27日22:00加温结束，启动两台膨胀机开始冷却，3月28日14:00见液空，17:30开始反充液氧（共17m³），19:30启动氧活塞（空气流量17500m³/h，氧气流量2950m³/h、纯度99.5％O₂）。

5、结论

通过本次事故的处理，我们认为在本套设备调试时出现的板式阻力大、不能积液的现象，也很有可能是因为安装人员在启动低温水泵时没有控制好水冷塔水位导致板式进水这一原因造成的。