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摘要：空分装置在运行过程中出现前端压缩机段间换热器泄漏，或未彻底被分子筛纯化器吸附的水和CO2会进入冷箱内低温设备，尤其在膨胀机进口过滤器或喷嘴部位会形成冰和干冰而冻结在通道表面，降低流通面积，造成膨胀机制冷量下降，甚至引起装置能耗增加、氧气产量减少。增压膨胀机是空气分离设备获取冷量所必需的关键部位，是保证整套设备稳定运行的心脏。而对于配置单台膨胀机的空分装置来说，膨胀机的制冷量下降必然会引起装置产氧能力的下降。本文介绍了膨胀机在线停机单体加温解冻的方法，总结了停机加温过程及加温取得的效果。
关键词：膨胀机；制冷量；在线停机；加温
1某大型空分装置简介
某大型48200m3／h空分装置采用常温分子筛吸附净化，氮气循环增压，氧气产品内压缩，中压氮气膨胀机，氮膨胀循环进下塔，规整填料上塔和全精馏制氩工艺流程。于2004年9月开工建设，2006年5月试车成功，是当时首批国产大型空分装置。该空分装置工艺流程见图1。
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图1空分装置工艺流程
2膨胀机问题现象
2018年12月29日13：30，空分装置按照既定时间节点启动膨胀机（加温吹扫时间为5.5h，启动前多次分析其露点均在-65℃以下）。膨胀机启动后各项运行参数正常，膨胀量为49200m3／h。2019年1月2日膨胀量由48700m3／h下降至46700m3／h，并持续缓慢下降（速率为17m3／h）。经过多次调整，在1月9日膨胀量开始逐渐恢复至46700m3／h，随后又呈缓慢下降趋势（速率13m3／h）。1月16日将膨胀机旁通阀开15%以增大制冷量，膨胀量由44000m3／h增大至45400m3／h。1月18日膨胀量呈快速下降趋势（速率110m3／h），膨胀量急速下降至42000m3／h（到停机加温时下降为38000m3／h）。
3停机前、后的冷量平衡
由于此前未进行过在线停机加温，为此停机前从冷量平衡的角度进行了分析。从宏观上看，膨胀机停机后，要维持冷量平衡需从外界补充液氮以弥补其停机的冷量。
3.1膨胀机制冷量
膨胀机当前膨胀量为41000m3／h，机前温度为102℃、压力为4.34MPa，查膨胀机前氮气焓值为492.8kJ／m3。
膨胀机后压力为0.46MPa，因膨胀机后气液分离罐液体介于有无之间，按膨胀机后氮气正好饱和计算，膨胀机后氮气焓值为419.4kJ／m3。算得膨胀机制冷量为3000940kJ／h。
3.2液氮补充冷量
常温下（20℃）氮气焓值为690.8kJ／m3，而0.1MPa饱和液氮焓值为175.2kJ／m3，液氮冷量损失按20%计，则需要外注液氮量为7295m3／h，即9.2t／h。
加上当前膨胀机运行时补充量1.7t／h，停膨胀机后，需要外注的液氮量为10.9t／h。故此，约11t／h的液氮补充量可维持冷量平衡。现有液氮泵可持续补充15t／h液氮量，可以满足在膨胀机停机后的冷量平衡。
4停机加温前的准备工作
4.1空分装置的准备
启动液氮补充泵A（泵B冷好备用），沟通液氮返灌主精馏塔上塔流程，向精馏塔内补充液氮至主冷高液位（65%~70%）；降低精氩的采出量以减少低温液体采出的冷量损失、提高2#粗氩塔液位在70%以上，以备紧急情况补充主冷液位使用；低压液氮罐注满液氮增压至0.65MPa备用。
4.2下游装置的准备
空分装置保持现有的产氧量，即48200m3／h，下游装置将氧气使用总量降至43000m3／h，剩余的5200m3／h氧气在放空阀放空以备空分紧急快速放空，维持氧气压力稳定。
4.3仪表的准备
仪表工程师站屏蔽膨胀机停机信号，防止停机信号引起膨胀机旁通阀全开、氮压机防喘振阀全开；切除膨胀机跳车和主冷液位低低液氧泵惰转联锁。
4.4人员准备
现场及中控人员就位并分工，提前对膨胀机冷端进出口阀加温解冻。接到停机命令后，中控无须对膨胀机采取停机操作，由现场关闭进、出口阀门来停机。期间，可调节导叶、回流阀以控制转速。
5停机加温的操作
5.1膨胀机的操作
1）缓慢打开膨胀机增压端防喘振阀，开膨胀机旁通阀到40%左右，缓慢开氮压机防喘振阀保持压缩机二段出口压力稳定。2）接到停机命令后由现场关闭进、出口阀门来停机，中控无须对膨胀机采取停机操作，保持膨胀机紧急切断阀打开状态。此时，根据主冷液位调节氧气流量，关小压力氮气出冷箱阀将冷量向高压板式换热器偏移；关小高压液氮节流阀保证高压液氮进冷箱温度低于-155℃。3）进冷箱空气流量减至220000m3／h左右（根据减氧的量来调整），关小上塔回流阀至28%左右，上塔产品氮流量减至35000m3／h。
5.2加温的操作
膨胀机冷端进、出口阀关闭后，立即打开出口排放阀、加温空气进口阀，导通加温气流程进入加温吹除阶段。加温以膨胀机冷端进口温度达到或接近加温空气温度并保持10min为结束标准。
5.3加温后的启动
加温结束后，立即关闭出口排放阀、加温空气进口阀、旁通阀。打开出口阀、进口阀，膨胀机进入开车阶段。此时，视氮压机二段压力情况关小直至关闭防喘振阀，开大入口导叶、回流阀，开大高压液氮节流阀增加高压氮气流量以快速通过临界转速区间。
5.4工况的恢复
膨胀机启动正常后，保持液氮的持续补充、维持当前氧气量直至主冷液位出现真实上涨，此时缓慢退出液氮的补充。
6加温后的效果
加温后重新启动膨胀机恢复负荷，膨胀量由原来的38000m3／h提高并稳定在48000m3／h左右。氧气产量由48200m3／h提高至49100m3／h、氩气产量由520m3／h提高到820m3／h、副产液氮约10t／d；即增加氧气产量900m3／h、增加氩气产量300m3／h、副产与补充液氮加和后约50t／d。氧气价格按0.3元／m3、氩气价格按1500元／t、液氮按800元／t计算，则产生效益约2191万元／年。
7注意事项
需要注意的是，膨胀机在线停机单体加温是利用分子筛纯化器净化后的常温空气作为热源，通入冷箱内低温设备并排出冷箱外的复热过程。在加温前后，设备将产生较大温升，由此会带来设备的应力变化。因此，操作不当易造成工艺大幅波动、设备损伤。须重点注意以下几点：
1）加温时应使膨胀机各部分温度缓慢而均匀回升，严格控制升温速率，以免由于温差过大形成应力，使设备或管道损坏。
2）所有的测量、分析及仪表信号管必须同时彻底加温和吹除。
3）停机信号的屏蔽，膨胀机停机关联内容多，含旁通阀、回流阀、液氧泵、一拖二机组。按正常停机步骤易引起各系统快速、大幅波动。
4）膨胀机停机后注意高压板式换热器的冷量平衡，防止氧气出换热器温度低而引发液氧泵联锁。
5）注意下塔氮气纯度的变化，及时调整下塔回流。
结论
此次膨胀机在线停机加温的实施，保证了加温的顺利进行，未出现因升温过快造成冷箱内低温设备的损坏。加温完成后，装置开车顺利，产氧量达到46000m3／h，经过工艺优化后最高可以达到49100m3／h，同时副产液氩1.2t／h，加温取得了预期的效果。同时，对于氮气膨胀循环的特点，需要在以后运行过程中严密监控中、高压氮气系统换热器的运行状况。严格执行在开停车过程中换热器气侧导淋查漏，并在开车时、运行中多次进行换热器露点分析，争取将泄漏消灭在萌芽中，为装置的长周期打下坚实的基础。
参考文献：
［1］李志斌.40000m3／h空分装置膨胀机在线切换操作小结［J］.中氮肥，2018（4）：55-58.