中国一拖集团有限公司能源分公司
摘要：中国一拖能源分公司现有一套KDON-1800/6000 空分设备，向周边工业用户供应管道氧气及氮气产品。空分设备投产运行后，由于用户端用气不均衡，在用气低谷期存在大量放散，为充分利用富余的气体产品，增加了氮、氧外液化循环生产低温液体产品。本文主要介绍了在启动过程及调试前期遇到的启动循环气源不足、循环氮压机导向环异常磨损、液体过冷度不足等系列问题，经过设备改造、工艺优化等措施，设备运行稳定性达到了设计要求。
1.液化装置流程简介
液化装置由循环氮气系统、高低温膨胀机制冷系统、换热系统三大部分构成。液化生产工艺简述如下：氮气经循环氮压机压缩到2.3MPa后分两路，一路进入冷箱中换热器与反流气体换热，待温度降到-15℃，进入暖机膨胀机膨胀端制冷，膨胀后的压力为0.3MPa，温度为-100℃，经换热器换热后返回循环氮压机入口继续循环；第二路进入（冷、暖）增压机，两级增压分别经冷却器冷却至常温，进入主换热器冷却至-105℃，从主换热器中部抽出大部分去膨胀机（冷机）膨胀制冷，膨胀后的氮气经换热器复热后返回循环氮压机入口继续循环；另有小部分增压氮气从主换热器冷端抽出，经节流阀节流至-190℃回换热器复热返回循环氮压机入口继续循环。氮气液化通道，制氧机产出的低压氮气经过中压氮压机压缩至2.4MPa，进入主换热器降温液化后成为0.15MPa、-188℃液氮产品，被输送至液氮储罐中。液化装置生产能力为：最大工况下，液氮量3000m³／h。
YPON-3000型液化装置是在YPON-6000型液化装置基础上改造而成，虽然生产工艺成熟，但部分设备沿用原工艺，组合配置未能达到最优，这给液化生产投运之初遇到一些难题。
2.液化装置启动气源问题
液化试生产前，面临液化循环氮压机额定吸气量过大（在吸入状态下为81m³/min，且进气压力不得低于0.21MPa），站区内所有中压氮压机同时运行集中供应，也无法保证循环氮压机启动阶段的额定瞬时吸气量，这是液化生产投运的第一道难题。
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解决方案：
（1）测得循环系统总储气量约为400m³，循环氮压机启动阶段的吸气总量将小于400m³。采取措施使循环氮压机启动升压过程变缓，瞬时补气量相对减少，氮压机启动气源问题就能得到了解决。
（2）要使启动阶段瞬时补气量减小，且进口不出现欠压，最直接有效的方式利用出口循环氮气来补充。在原生产工艺系统中循环氮压机进口与出口被膨胀机紧急切断阀隔绝，启动之初出口的氮气无法返回至进口处，只能通过在设备进口与出口管道间加装旁通管道及阀门来实现。
（3）在设备进出口间加装好旁通阀后，进行试生产，循环氮压机启动前，全开旁通阀，微开系统补气阀。启动后随着循环氮压机进口压力升高，慢慢关小旁通阀，使循环氮压机进口压力维持在0.27MPa左右，出口压力随着旁通阀关闭缓慢上升，最终旁通阀完全关闭，出口压力升至2.4MPa。
通过在循环氮压机进出口加装旁通阀，并实施启动阶段根据补气量缓慢关小旁通阀的调整方式，使大型循环压缩机启动时补气量不足的问题得到妥善解决。
3.膨胀机进口阻力异常升高
2018年6月25日，17：40 液化装置膨胀机（冷机）增压端出口压力PI-2452突然从由4.12MPa升至4.50MPa，膨胀机（冷机）透平端进口压力PI-2402由4.10MPa降至3.90MPa，循环氮压机进口压力由0.27MPa降至0.14MPa，17：42触发循环氮压机进口压力低压联锁，致使液化系统停车。拆开冷暖膨胀机、循环氮压机检查：膨胀机（冷机）增压端进口过滤网已被粉末堵死；（暖机）增压机进口过滤网有少量粉末；循环氮压机一级两列导向环、活塞环磨平，活塞头下缘磨损、气缸内部下缘拉缸，缸头内侧有撞痕；二级导向环、活塞环与气缸下间隙正常。
通过检查、测试，排除导向环、活塞环材质缺陷导致故障。查询资料、分析计算，得出循环氮压机一级活塞头设计制作过重，活塞杆刚度不够，活塞往复运动时，活塞杆、活塞头会上下搬动，导致活塞环、导向环下缘受力较大、磨损加剧。
循环氮压机一级气缸仅靠下部缓冲罐支撑，未能起到有效固定的作用，在活塞往复运动会产生气流冲击，造成氮压机一级气缸上下震动，进一步加快了活塞环、导向环的磨损。
系统管道生产前吹扫不彻底，内部存有杂质，伴随循环气流进入气缸，缩短了活塞环、导向环的使用寿命。
上述原因综合导致循环氮压机一级活塞的活塞环、导向环磨损加快，仅运行300小时，就出现了撞缸事故。
解决方案
（1）与循环氮压机厂家共同研究改造方案，将一级活塞头进行车铣加工，保证活塞工作强度、有效尺寸的情况下，活塞头重量减轻，摆动降低。
（2）在循环氮压机一级气缸缸头处制作支架，对气缸进行加固，束缚住设备运行时一级气缸的震动。
（3）由于活塞头磨损后，金属及导向环碎屑随着气流进入系统管道、换热器各处，为彻底清除杂质，对整个液化系统管道、换热器进行全面吹扫：通过控制SV-2401阀、SV-2402阀对循环氮压机出口至冷暖膨胀机进口通道进行正向吹扫；把冷机暖机膨后管道与膨胀机脱开，在膨后管道口分别加装吹除阀，对循环氮压机进口至膨后端通道进行反向吹扫；最后通过控制V-2003阀对节流通道进行吹扫。
（4）在循环氮压机出口总管上加装精过滤器，液化设备运行期间，定期对精过滤器进行排污、观察并定期对过滤器进行清洗。
上述措施实施后，循环氮压机改造投运后，设备运行平稳、各项参数正常、且能耗下降10%，设备连续运行台时超3000小时。
4.液氮装置产品过冷度不足
液化生产运行初期，产品液氮温度TI-2006一直过高，通过关小V2005阀减少产量，调整过冷度调节阀V-2003（节流阀）等方式，工况没有明显改善，液氮温度只能下降至-180℃（压力0.2MPa），因过冷度小，气化率高，产品产量受到较大影响。通过计算系统冷量分布情况，V-2003阀前温度TI-2007过高仅有-173℃左右，严重影响了V-2003阀节流效果，无法起到产品液氮过冷度调节的作用。若要使过冷度调节发挥应有效果，必须想方设法降低阀前流体温度及气化率。
解决方案：
由于主换热器是配套YPON-6000型液化装置，在主换热器内V-2003阀前阀后要跟产品液氮、膨后氮气同时换热，冷量过于分散。要降低降低V-2003阀前温度，需要将节流阀后冷量集中传递给节流前流体、产品，避免向膨后流体进行无效冷量传递。
加装“节流前、节流后及产品冷量集中换热”的过冷器，使节流阀前后的流体间形成局部动态冷量循环，过冷器投运后，节流后冷量更多传递给节流前流体，使得调节阀前温度TI-2007降低至-190℃，V-2003阀节流效率得到大幅提升，阀后流体温度TI-2021降至-193℃，同时液氮产品温度TI-2006降至-192℃（压力0.2MPa），产品过冷度保持在3℃以上。经此改造彻底解决了产品过冷度不足的问题。
5.液氮量筒压力降低产品液氮难输送
过冷器安装投运后，因产品液氮温度较低，液氮量筒内液氮气化率下降，其内压力PI-2004从原来的0.35MPa降至0.2MPa，液位LIC-2001指示升至3000mm以上，液氮输送困难，即使将V-2001阀全不开启也无济于事，通过开大V-2005阀，则导致液氮产品温度出现波动，影响液化生产工况稳定。
解决方案：
从温度压力接近程度考虑，选择从膨胀机冷机膨后到液氮量筒顶部连通导压管，使0.26MPa、-180℃的膨后氮气通过导压管少量引入液氮量筒中，形成推动液氮输送的动力。改造投运后液氮量筒内压力PI-2004升从0.2MPa到膨后氮气压力一致，液氮量筒内液位也恢复正常工况，仅调整V-2001阀即可保证产品液氮输送如常。
6.液体泵后真空管道破损跑冷
液化装置液体泵后连接真空管道，运行半年后管段连接处出现结霜跑冷现象。经与厂家沟通研究后，确定低温液体柱塞泵脉冲导致真空管道内层波纹管破裂，真空层失效，保温效果降低。
解决方案：
（1）消除液体柱塞泵脉冲振动，设计制作上部分气相、下部分液相分体缓冲装置安装在液体泵后，设备投运泵后管道振动明显减小。
（2）检查整条管道振动情况，在振动大的位置加装支架进一步加固液体管道。
经改造后管道运行状况良好，液体脉冲大大降低，管道内压力保持稳定。
7 结束语
通过上述对液化装置的技术攻关，度过了液化装置改造投运后的磨合期，提升液化装置生产运行稳定性，增加液体装置生产能力，积累了宝贵外挂液化装置检修改造经验。