６０００ ｍ３／ｈ空分设备改造设计与调试 沈梦荣 （中国空分设备有限公司，浙江省杭州市滨江区江陵路２０３１号钱江大厦５楼３１００５１） 摘要：由于６０００ ｍ ／ｈ空分设备已服役２０多年，运行能耗高，而且已不能满足后续生产装 置的氮气需求，所以对空分设备进行了降耗和增产氮气的改造。介绍６０００ ｍ ／ｈ空分设备改造前 后产品设计参数，分析空分设备改造的流程设计要点、工程设计要点和利旧设备的检测情况，总 结改造后空分设备安装和调试过程中出现的问题及解决方法，最后阐述了改造效果。 关键词：空分设备；改造设计；安装调试 中图分类号：ＴＢ６５７．７ 文献标识码：Ｂ ． Ｒｅｆｏｒｍ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎｉｎｇ ｏｆ ６０００ ｍ３／ｈ ａｉｒ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｐｌａｎｔ Ｓｈｅｎ Ｍｅｎｇｒｏｎｇ （Ｃｈｉｎａ Ａｉｒ Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ Ｐｌａｎｔ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，ｆｌｏｏｒ ５，Ｑｉａｎｊｉａｎｇ Ｂｕｉｌｄｉｎｇ，２０３１ Ｊｉａｎｇｌｉｎｇ Ｒｏａｄ，Ｂｉｎｉｆａｎｇ Ｄｉｓｔｒｉｃｔ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３１００５１，Ｚｈｅｊｉａｎｇ，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｅｃａｕｓｅ ｔｈｅ ６０００ ｍ ／ｈ ａｉｒ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｐｌａｎｔ ｗｈｉｃｈ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｐｕｔ ｉｎｔｏ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｆｏｒ ２０ ｙｅａｒｓ ｃｏｎｓｕｍｅｓ ｈｉｇｈ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ ｆａｉｌｓ ｔｏ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｄｅｍａｎｄ ｏｎ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｏｆ ｔｈｅ ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｕｎｉｔｓ，ｔｈｅ ｓａｉｄ ａｉｒ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｐｌａｎｔ ｉｓ ｒｅｆｏｒｍｅｄ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｌｏｗｅｒ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ａｎｄ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｕｔｐｕｔ ｏｆ ｎｉｔｒｏｇｅｎ．Ｈｅｒｅ，ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓａｉｄ ｐｌａｎｔ ｂｅｆｏｒｅ ａｎｄ ａｆｔｅｒ ｔｈｅ ｒｅｆｏｒｍ ａｒｅ ｂｒｉｅｆｅｄ，ｔｈｅ ｋｅｙ ｄｅｓｉｇｎ ｐｏｉｎｔｓ ｏｆ ｂｏｔｈ ｔｈｅ ｒｅｆｏｒｍｅｄ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｏｊｅｃｔ，ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅ－ｕｔｉｌｉｚｅｄ ｄｅｖｉｃｅｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｒｅｆｏｒｍ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ，ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｏｃｃｕｒｒｉｎｇ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｓａｉｄ ｒｅｆｏｒｍｅｄ ｐｌａｎｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ ａｒｅ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ，ａｎｄ ｆｉｎａｌｌｙ ｔｈｅ ｒｅｆｏｒｍ ｅｆｆｅｃｔｓ ａｒｅ ｏｕｔｌｉｎｅｄ． ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ａｉｒ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｐｌａｎｔ；Ｒｅｆｏｒｍ ｄｅｓｉｇｎ；Ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎｉｎｇ 前言 中国石油大庆石化分公司一套６０００ ｍ ／ｈ空分 由中国空分设备有限公司（以下简称：空分公司） 负责工程设计（包括工艺设计）、设备材料采购和 设备安装调试人员培训等。改造后的６０００ ｍ ／ｈ空 设备建于上世纪８０年代初期，采用分子筛吸附净 化流程、膨胀机采用电机制动、上／下塔为筛板塔。 因为已服役２０多年，空分设备运行能耗高；而且 分设备采用立式分子筛吸附器吸附净化、增压透平 膨胀机制冷、规整填料上塔分离氧与氮的工艺 流程。 后续生产装置对氮气的需求量不断增大。因此对空 分设备进行技术改造，以增加氮气产量和降低运行 能耗。 ２００９年１０月初开始工程设计，２０１０年４月初 开始施工，２０１１年２月２５００ ｍ 液氮贮槽开始投 ６０００ ｍ ／ｈ空分设备改造工程（包含新增一台 ２５００ ｍ 液氮贮槽及汽化系统），采用ＥＰＣ模式， 收稿日期：２０１２－０４－２４；修回日期：２０１２－０６－１４ 用，２０１１年１２月５日生产出合格氧、氮气。 作者简介：沈梦荣，男，１９６３年生，高级工程师，１９８６年毕业于华东石油学院化工机械专业，现在中国空分设备有限 公司从事空分设备项目管理与设计工作。 ・１０・ １空分设备改造后流程与主要产品参数 改造后空分设备工艺流程如图１所示。 改造前加工空气量３８０００ ｌ＂ｌｆｌ ／ｈ，空压机排气压 力０．５９ ＭＰａ；改造后加工空气量３４０００ ｍ ／ｈ，空 压机排气压力０．５ ＭＰａ。６０００ ｍ ／ｈ空分设备改造 前后产品设计参数比较见表１。 氮气１ 氧气１ 图１ ６０００ ｍ。／ｈ空分设备改造后工艺流程示意图 １－自洁式空气过滤器２一空压机３一空冷塔（利旧） ４一冷冻机７一增压透平膨胀机８一增压空气换热器９一主换热器（利旧） １Ｏ一过冷器５一蒸汽加热器６一分子筛吸附器 １１一上塔（含主冷利旧） １２一下塔１３一主冷 表１ ６０００ ｍ。／ｈ空分设备改造前后产品设计参数比较 参产量 数 改造前 氧气 ６Ｏｏｏ ６Ｏｏ０ ２流程设计要点 本次改造目的是将氮气产量从１３０００ ｍ。／ｈ提 高到２００００ ｒｎ ／ｈ，氧产量６０００ ｍ ／ｈ不变。为了达 液氧 ２０ｏ １００ 氮气 １３００ｏ ∞００ ／（ｍ］／ｈ） 改造后 纯度 出冷箱压力 改造前 ９９．６％０． ９９．６％０， ≤１０×１０Ｉ“０２ ０．０１７ ０．１６ Ｏ．０ｏ７ 到２００００ ｍ ／ｈ的氮产量，提高了上塔精馏段高度； 在满足分子筛纯化系统再生与吹冷污氮量要求的情 ／ＭＰａ 改造后 ０．０２５ ｌ１ Ｏ．１７ 一Ｏ．Ｏ１ ｌ８ 出冷箱温度 ／℃ 况下，尽可能少抽污氮。 （１）原干带式空气过滤器改为自洁式空气过 滤器，取消原电机制动膨胀机，采用增压透平膨胀 机，增加增压空气换热器，改变原污氮通道布置。 由于氮气产量从１３０００ ｍ ／ｈ增加到２００００ ｍ ／ｈ， 按原板式通道布置，气流冷量分布不均，为此将原 三个板式污氮通道中的一个通道改为氮气通道，以 ｌ８ｌ 改造前 去用户 去液氧贮槽 备注 去用户 改造后 氧压机 安全排放 氮压机 注：液体产量已折合为标准状态Ｆ的气态产量。 根据业主改造要求与改造前６０００ ｍ ／ｈ空分设 备的运行情况，保留了原有运行状况良好并可以利 用的设备与基础。利旧设备有空冷塔、主换热器、 下塔和主冷，利旧设备基础有空压机基础、空分冷 箱基础。 满足返流氮气量增大的工艺要求。由于采用增压空 气透平膨胀机，保留原来三台板翅式换热器，因此 必须增加一个增压空气换热器，以满足增压空气与 返流污氮气的换热要求。 （２）采用规整填料上塔。规整填料上塔高达 ２８５００ ｍｍ，重量大，下塔和主冷要承受沉重的上’ 塔；对上塔与下塔支架进行了应力计算，能够承受 头。打开空冷塔人孔，人工清理内壁水垢、锈蚀， 拆下喷淋头并人工清洗。在空冷塔投用前用清水循 环对整个塔体进行清洗。 ４．２主换热器 规整填料上塔的荷载。原冷箱高度３９４６０ ｍｍ，改 造后冷箱高度上升至４５９６０ ｍｍ。考虑了原冷箱的 地震载荷、风载、雪载，以及对冷箱地脚螺栓、底 板和冷箱钢结构件进行了应力计算，认为原冷箱结 构不需要进行加固。这说明利用原有冷箱和下塔， 将原设计参数与本次改造相结合，并根据标准 《铝制板翅式热交换器》（ＮＢ／Ｔ ４７００６－－２００９）要 求，专门制订主换热器试压方案。在主换热器试压 之前，首先切除主换热器各汇总管端口，清除汇总 从结构方面考虑是可行的。 （３）将原来卧式分子筛吸附器改为立式结构， 节省了空间。根据大庆地区特点，分子筛吸附器采 用单层结构，全部填充分子筛，以保证空气净化 效果。 （４）取消了原分散型仪表控制系统，选用横 河ＣＥＮＴＵＭ ＣＳ３０００ ＤＣＳ系统。该控制系统具有开 放网络结构、高速控制总线、高效工程化方法等特 点，安全、可靠、开放。 ３工程设计要点 （１）压缩机冷却器材料的选择：在设备采购 技术框架中，根据用户建议，增压透平膨胀机增压 空气换热器与氮压机冷却器换热管的材质选取了铜 或不锈钢。在与制造商正式签订技术协议时，仔细 对照了公用工程条件后发现循环水中不但含有３００× １０ 的氯离子还有３００×１０ 的氨，因此选择铜与 不锈钢材质均不可取。为此查阅大量文献资料并结 合制造商建议，选用了ＢＦＥ１０—１－１材料，俗称铁 白铜。 （２）工程设计人员由于对严寒高水位地区在 冬天土壤的膨胀性认识不足，一些应该设计基础的 小设备及管道支架被忽视。如分子筛纯化系统中蒸 汽加热器配套气液分离器和液氮贮槽配套用自增压 汽化器的基础在施工时才发现没有设备基础图，在 一定程度上影响了施工进展。 ４利旧设备与基础检测 根据标准《压力容器定期检验规则》 （ＴＳＧ Ｒ７００１－－２００４），利旧设备需报请当地特种设备检 测机构进行检测，以备合法使用。作为工程承包方 对这些利旧设备在投用前做了如下处理。 ４．１ 空冷塔 空冷塔为喷淋式冷却塔，在塔内上部有两个冷 冻水不锈钢喷淋头，下部有四个常温水不锈钢喷淋 ・１２・ 管内铝屑，并用塑料布包扎端口。在现场进行试压 检漏，没有发现换热器通道泄漏。 ４．３主冷 在投用之前对主冷进行了现场试压，下塔与主 冷一起试压。试压之前用宣纸封贴氧通道，保压时 间为１２小时。试压期间如果氧通道侧宣纸损坏或 保压失败，说明主冷有泄漏。试压结果证明主冷完 好，可以使用。 ４．４空压机基础 在制订改造设计方案时没有涉及空压机基础利 旧事宜。由于设备订货原因等，导致工程进度延后 较多，为了保证空分设备改造工程的总体进度，业 主提出了空压机基础利旧设想。经过计算认为空压 机基础利旧的两个条件满足：①整个空压机组重心 与基础底面形心应重合，不能重合时偏心率不能超 过３％；②机器基础顶面最大振动线速度必须小于 ５ ｍｍ／ｓ，新设计的机器基础根据设备的基础所需 开孔大小与数量，经过精心调整应满足要求。但还 要对原空压机基础检测，以检测旧桩的实际承载能 力、基础承台混凝土结构现状，确定混凝土强度， 为下一步施工提供正确、可行的依据。根据国家现 行的有关设计与施工规范《建筑基桩检测技术规 范》（ＪＧＪ １０６－－２００３）、《混凝土结构设计规范》 （ＧＢ ５００１０－－２０１０）等要求，确定了检测内容，由 有资质的工程质量检测公司检测并获得数据，再经 过结构设计人员核算，原基础可以利旧。空压机自 ２０１１年１０月１６日运转以来，运行平稳，证明原 空压机基础利旧可行。 ５ 设备安装与调试过程中出现的问题与 处理 ５．１ 贮槽负荷分配板（混凝土）养护处理 ２５００ ｍ 液氮贮槽于２０１０年实施安装。液氮贮 槽投用后，才可实施空分设备改造。液氮贮槽基础 于２０１０年７月初施工，８月１０日基础施工完毕。 在施工内容器负荷分配板（混凝土）时，已是１１ 月初，进入当地冰冻时节（当时气温一７～Ｉ ｃ【＝）。 在低温下混凝土强度发展迟缓，当温度降至冰点以 下，由于混凝土中水分大部分结冰，不但水泥停止 水化反应，强度停止发展；而且由于混凝土孔隙中 结冰，体积膨胀，对孔壁产生相当大的压力，从而 使硬化过程中混凝土结构遭到破坏。为此在内容器 （采用倒装法内容器已安装完毕，只剩余内容器底 板待安装）下部四周均匀地悬挂了３０盏太阳灯 （严禁无关人员进入，保证安全），内部空间放置 了两支温度计，将内容器温度控制在２～７℃之 间。经过五天保温，同条件下混凝土试块强度达到 了规定强度的７０％，为内容器底板施工创造了 条件。 ５．２内容器沉降试验 低温液氮贮槽组装完毕后，对贮槽进行沉降试 验是必经程序。由于已是２０１０年１１月底，施工现 场已进入严冬时节，贮槽沉降试验必须采取措施， 否则无法进行。方案讨论时，提出了两个方案：第 一个方案在贮槽上水期问，直接通人蒸汽对水加 温，这样比较简单省事。但是有压蒸汽通入水后蒸 汽与水接触时间很短，换热效果较差，而且上升蒸 汽遇到上部内壁冷却结冰，随着时间推移，内壁挂 满了冰霜，在后期干燥内容器将会变得非常困难。 这个方案被否决。第二个方案在内容器临时安装一 个换热器，经计算采用６支４）１０８ ｍｍ碳钢钢管 （平均长度为８ ｉｌ１）连接在一起，进、出口管由下 部人孔引至外壳，在壳外出水管上连接一个疏水阀 以增强换热效果。这个方案费工耗料，但切实可 行。因此，决定采用第二个方案对贮槽进行沉降试 验和气压试验。 ５．３调试过程中膨胀机工作轮损坏 ２０１１年１２月１日１７：００正式启动两台膨胀 机，改造后的６０００ １＇１１＇ ／ｈ空分设备进入降温、积 液、调纯阶段。２０１１年１２月２日０６：１２，一台膨 胀机由于膨胀端轴承温度突然升高至９０℃而联锁 停车。打开膨胀机增压端，对膨胀机进行盘车，已 有卡塞现象，可见膨胀机轴承温度高是真象，于是 决定检修膨胀机。返厂拆检后确认膨胀机工作轮流 道有被异物打伤的痕迹，流道内阳极氧化层受损， 导致转子动平衡破坏。 由于空分设备安装完毕后按照正常工作程序进 行试压、管道吹扫，每个管路系统吹扫完毕严格按 照标准进行打靶试验，打靶试验合格后才确认管路 系统吹扫合格。打开膨胀机增压端与膨胀端进口过 滤器，发现增压端完好无损，而膨胀端进口过滤器 上的过滤网有一个大约２００ ｍｌｎ×１５ ｍｍ的缺损口， 管道内异物从这进入膨胀机工作轮使其损坏。 ５．４ 空分设备调试过程中氖氦吹除阀放液 ２０１１年１２月４日子夜，检查冷箱时发现氖氦 吹除阀满管放液，立即关闭了氖氦吹除阀。氖氦吹 除阀放液不仅会严重影响主冷积液，而且冷箱板可 能被冻裂。在空分设备积液阶段关闭液氮回流阀 Ｖ１１、液氮去上塔节流阀Ｖ３，主冷处于停运状态， 以加快液体积累。这时主冷氮通道积满了液体。而 主冷氖氦吹除阀抽口设在主冷板式下部封头上，通 过管道引至冷箱外。因此，在主冷积液阶段一般不 能打开氖氦吹除阀。 ５．５ 氮压机电机振动速度过大 氮压机电机试车时，电机轴伸端的振动速度最 大达到４．４ ｍｍ／ｓ。根据标准《轴中心高为５６ ｍｍ 及以上电机的机械振动 振动的测量、评定及限 值》（ＧＢ １００６８－－２００８），电机空载最大振动速度 应≤２．８ ｍｍ／ｓ。氮压机采用整机撬装式，电机安装 在框架上。但电机底座与框架只有４点局部有效接 触，与电机使用说明书要求电机底座与基础有１２ 处有效接触，明显不够。使用２００ ｍｍ×３００ ｍｍ的 大斜垫铁调整电机底座与框架的有效接触面积后， 电机振动速度控制在２．８ ｍｍ／ｓ以下。 ６改造后运行效果 ６０００ Ｉｎ ／ｈ空分设备改造后，自２０１１年１２月 ５日一次开车出氧以来，一直稳定运行，各项指标 超过或达到了合同规定值。改造后上塔阻力为３．８ ｋＰａ，只是普通筛板塔的１／８，空压机排气压力为 ０．５１ ＭＰａ，氮气产量为２０１００ Ｉｎ。／ｈ，氮气中氧含量 为０．２５×１０一。满足了下游生产装置的用气量 需求。 此次改造根据原设备运行情况，可以利用的设 备继续保留使用，节省了投资，盘活了固定资 产。 ・１３・