论文 | 43000m³/h 空分氩系统操作优化
陈合，李伟 陕西咸阳化学工业有限公司
摘要: 针对43 000 m3 /h 空分装置氩系统运行过程中发生氮塞的原因进行分析研究，提出发生氮塞后的 优化操作，并制定预防氮塞的方法，达到系统稳定运行的目的。
某煤化工公司配置2 套43 000 m3 /h 空分设 备，该设备由杭州杭氧股份有限公司生产，其中1 套装置设计全精馏无氢制氩系统，该系统能够正 常投入运行。在氩系统正常运行中，由于各设备 运行工况、气温、后系统用氧工况等因素的影响， 主系统工况发生变化，进而导致氩系统工况发生 变化，氩馏分出现波动，在氩系统正常运行过程中 多次发生氮塞现象，运行状态极不稳定，随时面临 停车风险，严重影响了系统的正常运行［1-2］。为 了保证氩系统正常运行，笔者对发生氮塞现象的 原因进行详细分析。
1 氮塞原因分析
造成氩系统运行过程中氮塞的直接原因是氩 馏分波动范围较大，氩馏分高位运行，在短时间内 难以恢复，最终导致氩馏分中氮组分含量增大，大 量氮组分随着氩馏分进入氩系统［3-4］。由于氮组 分进入粗氩冷凝器后无法冷凝，随着氮组分在粗 氩冷凝器中不断聚集，占据粗氩冷凝器的换热空 间，造成粗氩冷凝器换热效率大幅下降，严重影响 了氩组分的液化，导致氩系统发生氮塞。
找到造成氮塞的直接原因后，对氩系统氮组 分逐渐聚集的原因进行分析:
( 1) 粗氩塔负荷过大，粗氩加工气流量较高， 装置运行过程中为追求产量，粗氩加工气量一直 处于高限运行状态，致使粗氩二塔中氮组分不断 聚集，极易造成氩系统氮塞操作事故。
( 2) 氩馏分中氮组分含量较高。
2、氮组分含量较高原因分析
进入夏季后，随着环境温度的不断升高，空压 机组的运行效率下降，造成系统气量不足，特别是 在纯化系统充压过程中，进入精馏塔内空气压力 降低，造成精馏塔上升气量下降，回流比上涨，塔 阻力上涨，氮组分下移，氩馏分抽出口处氮组分含 量增加，造成氩馏分中氮组分含量大幅增加。纯 化系统充压时氩馏分大幅上涨，甚至可能造成氩 馏分失控，达到量程上限的情况发生。
下塔液化空气( 简称液空) 调节阀为自动控 制阀门，该阀门波动幅度较大时，会造成进入上塔 液空量波动，从而导致上塔回流比时大时小，进入 上塔精馏工况不稳，造成氧、氮分离不充分，氩馏 分取出口区域氮组分增加，氩馏分质量较差。
上塔低压氮气、污氮气取出量偏小，造成上塔 压力上涨，富氩区下移，造成氩馏分中氮组分含量 增加。
主冷液位较高。主冷液位较高时造成主冷换 热器效率下降，热负荷下降，液氧蒸发量降低，造成 回流比增大，上塔阻力下降，从而导致富氩区下移， 氩馏分取出口区域氮组分变化，氩馏分质量变差。
上塔底部氧气连通去污氮气管线阀门开度过 大，该阀门是为调节氩馏分而设计的: 当氩馏分较 高时，需关小该调节阀，增大上塔上升气量，达到 调整氩馏分的目的; 反之，则开大该调节阀。
3、氮塞处理方法
氩系统发生氮塞现象后，应尽早从3 个方面进行调整。
( 1) 立即打开粗氩冷凝器工艺氩气放空阀 ( 简称粗氩气放空阀) ，快速将聚集在粗氩塔粗氩 冷凝器内的氮组分进行放空。原则上，将粗氩气 流量调整至正常流量的1． 5 ～ 2． 0 倍进行放空，在 该流量下粗氩气放空阀一般保持放空约10 min， 但需根据氩系统粗氩冷凝器运行状态确定放空的 时间，以最终实现粗氩冷凝器恢复至正常工作状 态。粗氩冷凝器恢复至正常工作状态的判断依据 是工艺氩气中氩体积分数达到正常值( 98． 5%) 以上，此时可逐步关小粗氩气放空阀，切记不可快 速全关。
( 2) 及时对主塔精馏工况进行调整，通过加 大上塔低压氮气、污氮气取出量， 降低主精馏塔上 塔压力，能够快速降低氩馏分，改善精馏工况; 同 时迅速关小上塔底部去污氮气管线阀门，使主精 馏塔内富氩区上移，降低氩馏分。
( 3) 当发生严重氮塞时，氩系统加工气量会 快速下降，甚至会下降至0 m3 /h，主冷液位迅速 上涨，同时伴随着氧纯度快速下降、氩纯度破标等 现象。出现严重氮塞时保证主系统运行工况稳定 是首要任务，操作人员必须保持冷静，应快速完成 以下操作:
① 将液氩储槽进行隔离，立即关闭液氩产品 去液氩储槽阀门和储槽前手阀，避免造成不合格 液氩产品进入储罐，造成液氩产品污染而发生质 量事故。
② 开大粗氩气放空阀，保证粗氩塔聚集氮组 分能够迅速排出。
③ 关闭富氧液空进入粗氩冷凝器阀门，主冷 液位会出现快速上涨，此时可以通过控制下塔富 氧液空液位对主冷液位进行缓存，适当提高下塔 液位。
④ 当完成开大粗氩气放空阀的操作后，关闭 工艺氩气进精氩塔阀门，全开液氩泵回流阀，保持 液氩泵处于全回流状态运行。该步骤在操作过程 中应根据实际情况控制开关速率，主要目的是尽 可能地减少粗液氩进入主塔，导致主塔精馏工况 破坏，主冷液位出现波动，防止操作速度过快导致 主冷液位迅速下降，造成氧纯度破标事件，避免因 操作不当导致主系统停车事故。
⑤ 主系统稳定后，根据氩系统的操作流程重新组织氩系统开车，恢复生产。
4 氮塞防范措施
在空分运行过程中，发生氮塞现象时不仅造 成氩系统精馏工况破坏，大幅降低了液氩产品产 量，同时对主塔精馏工况造成影响，使得主塔精馏 平衡破坏，严重时造成氧气产品不合格。
氩系统正常生产过程中，应根据运行工况各 指标的微妙变化，发现生产运行的隐患，通过及时 有效的操作避免氩系统氮塞的发生，保证系统的 稳定运行。通过上述对造成氮塞原因的分析可 知，造成氮塞的根本原因就是氩精馏过程中氮组 分聚集造成粗氩塔精馏工况破坏，归根结底也就 是氩系统生产负荷过大导致的不正常生产现象。因此，根据具体原因制定出防止氮塞发生的针对 性措施。
( 1) 控制氩馏分在合理的范围内。正常运行 过程中，由于各单位设备及工艺的差异，对工艺指 标制定和控制有不同的规定要求，并且要求操作 人员进行严格的控制。在发生氮塞后操作人员也 会通过降低氩馏分的方法处理氮塞，这就说明在 运行过程中，控制该指标在合理的运行范围内能 够有效避免氮塞的发生。正常生产过程中既要保 证液氩产量的最大化，又要避免氮塞的发生，这就 要求生产过程中必须严格控制该指标在合理范围 内，避免因该指标控制的不合理性造成氮塞的发 生，各单位应根据系统本身的工艺特点和运行工 况摸索出最佳指标。
( 2) 密切监控氩馏分进入粗氩塔的温度，当 温度低于－ 182 ℃时，粗氩系统的氮组分聚集量 升高，应及时采取措施予以调整:
① 降低主冷液 位;
② 关小上塔底部氧气旁通去污氮气管线阀 门;
③ 加大上塔顶部氮气和污氮气采出量;
④ 短 时间对工艺压力进行放空; ⑤ 提高空压机出口压 力等。
( 3) 稳定控制氩系统循环加工气量，即控制 粗氩塔负荷。在正常生产过程中，操作人员为了 提高液氩产量，增加经济效益，通过提高粗氩冷凝 器的负荷，增加粗氩加工气量，打破了主塔原有精 馏工况，使主精馏塔平衡被改变，导致更多的氮组 分进入氩系统，粗氩塔塔板效率下降，导致氮塞的 发生。故应控制氩系统运行负荷不宜过大。
( 4) 保持粗氩二塔底部液位稳定。粗氩塔底 部液位的稳定反映了氩系统整体运行工况的好 坏。在该液位出现波动时，会导致进入粗氩一塔 粗液氩流量波动，进而影响主塔回流量，这样容易 出现恶性循环，导致氩馏分出现波动，氩系统加工 气量出现波动，严重时会破坏精馏工况，导致氩系 统无法运行而停车，所以粗氩二塔底部可以间接 表现氩系统运行情况。
( 5) 密切关注粗氩塔工艺氩气分析指标的变 化情况。该指标正常运行情况下应在氩体积分数 为98． 5%以上运行，如果该指标开始下降，说明 氩系统工况精馏已经开始发生变化，这时应该通 过加大粗氩气取出量将粗氩二塔内聚集的氮组分 抽出，避免氮塞的发生。
( 6) 避免主冷液位频繁波动。目前大型空分 设备为了保证装置的安全性，主冷多采用全浸模 式。而主冷液位的高低对主冷的换热效果有较大 的影响，直接影响到精馏塔的运行工况，改变精馏 的回流比，导致氩馏分出现波动，主冷液位波动， 不利于氩馏分的稳定控制，增加了氩系统的氮塞 概率。
( 7) 避免进塔空气量的变化对空分装置精馏 工况的影响。主要是在纯化系统均压时，进塔空 气量最多减少10% ( 43 000 m3 /h 空分的低压空 气体积流量由10 万m3 /h 减少到9 万m3 /h 左 右) 。该煤化公司2 套43 000 m3 /h 空分设备在 夏季运行较为困难，如果再加上2 套装置纯化系 统，充压时间重叠，将会加重系统正常运行的难 度。所以在运行过程中首先应通过人为干预的方式，对2 套装置纯化系统的充压时间进行调整，避 免2 套系统纯化系统充压周期重叠; 其次，充压开 始时空压机导叶会自动打开2% 的开度后不再动 作，而空分装置纯化系统充压阀设计操作时间分 级控制，这就需要在纯化系统充压过程中操作人 员根据纯化系统不同充压阶段对空气量的要求对 空压机气量进行调整。
( 8) 降低上塔压力，维持在40 kPa 左右，确 保机组加工气量满足精馏工况的用气量，有利于 装置的稳定运行，避免氩馏分的波动，降低氩系统 氮塞的风险。5 结语
通过对43 000 m3 /h 空分装置氩系统氮塞原 因的分析研究，总结出造成氮塞的主要原因，并给 出针对性的处理方法; 同时对预防氮塞的方法做 了进一步的总结，为装置后期的稳定运行奠定了 基础，减少了氮塞的发生的频率，提升了氩系统运 行的稳定性，增加了液氩产量，提高了经济效益。