空分装置冷箱运行安全浅析

空分装置冷箱运行安全浅析

刘欢

身份证号：640321198602100038 宁夏 石嘴山 753000

摘要：近年来，我国的工业化进程有了很大进展，对空分装置冷箱的应用也越来越广泛。冷箱作为空分设备的核心组成部分，承担着气体分离的重要功能。其运行温度低、内部设备多、扒装砂难度大。本文首先对工艺流程简述，其次探讨空分装置冷箱运行安全，从而增强了空分装置冷箱运行的安全性。

关键词：冷箱基础；冻胀；压力控制；安全运行

引言

空分冷箱是指空气分离设备的冷箱钢结构外壳，它的作用或功能是保证空分低温设备和管道的绝热保冷。空分冷箱一般由换热器冷箱、精馏冷箱以及氩冷箱组成，每个冷箱都有不同的设计要点，本文从换热器冷箱内设备布置、管道布置的特点并结合管道应力分析的影响展开论述，把换热器冷箱设计成安全高效、结构紧凑且施工方便作为最终目标。以达到有效提升管道布置实用性的目的，使得换热器冷箱空间紧凑，占地面积小。冷箱的安全稳定运行关乎着空分装置乃至整个系统的安全稳定运行。

1工艺流程简述

该空分装置采用全低压分子筛吸附净化空气，空气透平增压膨胀机制冷，产品氧氮内压缩，空气增压循环的工艺流程方案。工艺流程分为空气压缩系统、空气预冷系统、分子筛纯化系统、膨胀机系统、精馏系统、液体贮存后备系统和公用系统。原料空气经自洁式过滤器除去灰尘和其他机械杂质，过滤后的空气进入离心式压缩机，然后进入空冷塔，经空冷塔后的空气进入分子筛纯化器，净化后的空气分为三股，一股作为空分装置自用仪表空气，一股进入低压板式换热器冷却后进入下塔，另一股空气去增压空压机，这股空气又分为三部分：①空气经增压空压机第一级叶轮增压后，抽出作为仪表空气和工厂空气。②增压机末级空气进入膨胀机的增压风机中增压，然后被冷却器冷却至常温后，进入高压板式换热器，用来与液氧换热，高压空气经液体膨胀机和节流后进入下塔。③增压机中抽空气进入高压板式换热器，从高压板式换热器抽出进入膨胀机，膨胀后的空气送入下塔。空气经下塔初步精馏后，获得液空、液氮和污液氮，并经过冷器过冷后节流进入上塔。经上塔进一步精馏后，在上塔底部获得液氧，并经液氧泵压缩后进入高压板式换热器，复热后出冷箱，进入氧气管网。从上塔顶部抽常压氮气，经低压主换热器复热后送入用户管网，抽出部分液氧经过冷器过冷后作为产品进入贮槽。在上塔中部抽取定量的氩馏分送入增效氩塔，氩馏分经增效氩塔精馏得到粗氩气，粗氩气经板式换热器复热后出冷箱进入污氮气管道。从下塔顶部引出液氮送入贮槽后再由贮槽引出经液氮加压后进入高压板式换热器，复热后出冷箱。又抽出部分液氮经过冷器过冷后作为产品进入贮槽。

2空分装置冷箱运行安全

2.1冷箱密封气的管控

正常运行期间冷箱内要保持微正压，压力过高或过低都会影响冷箱的安全稳定运行。过高时会使冷箱鼓包；过低时外界湿空气会进入冷箱，造成冷箱内珠光砂结冰，甚至会把冷箱吸瘪，不利于冷箱的安全运行。如果冷箱内管道、容器发生气体和液体的泄漏，最明显的反应就是冷箱压力的上升。因此要严格控制好冷箱密封气的压力。在冷箱的底部、中部、上部设置了3个压力变送器，实时监控冷箱压力。3个压力点的指标范围为：上部0～300Ｐａ，中部0～600Ｐａ，下部0～800Ｐａ。原先采用的冷箱密封气气源为低低压氮气，正常压力在25ｋＰａ左右。通过对其他设备的扒砂，以及行业内其他空分的运行情况，发现冷箱的顶部经过长期运行，都存在严重的结冰现象，这是由于冷箱密封气在冷箱内分布不均造成的。密封气大，下部压力太高；密封气小，上部压力低，容易造成顶部长期负压，不利于冷箱的安全运行。因此在原有低低压氮气气源的基础上又增加了一路低压氮气作为冷箱的密封气气源；同时在冷箱顶部合适位置直接增加一路密封气管路，来保证冷箱顶部的密封气压力。此项措施使冷箱的密封气压力得到了有效的控制。除了对冷箱密封气压力的管控外，还有对冷箱内气体成分的分析。同样在冷箱的顶部、中部、下部设置3个密封气分析取样点，每周对冷箱内气体取样进行手动分析，要求氮气含量要＞95％，以此来保证冷箱的安全运行。

2.2换热器冷箱内设备支撑方式

第一种支撑方式组合由于都是吊架且生根到顶部结构，在竖直方向都是往上收缩，在水平方向也可以跟着管道的收缩而移动。由于这种位移的同向性和可跟随性，使得对管道柔性要求不是很苛刻，但也存在两个方面的缺点：其一是对地震会比较敏感，需要从结构上考虑增加构件，以加强对换热器的水平约束，从而保证换热器的稳定性；其二是设备的重量会全部作用到换热器冷箱顶部结构，再加上热端管道重量，使得顶部钢结构受力很大，从而导致要选用较大的截面型钢，同时由于受力点比较高，钢结构的不稳定性也会增加。第二种支撑方式组合的过冷器是吊到顶部结构，换热器是中间固定到通梁上，这样势必会导致在竖直方向由于支撑点的高度差产生位移差，且换热器是固定的，尽管过冷器可以转动，但考虑其他管道的约束和珠光砂的阻尼作用，连接过冷器和换热器的管道支管需要有很好的柔性，特别是与远端换热器相连的支管。可以看出这种支撑组合方式位移的同向性和可跟随性不是很好，使得配管时需要考虑更多的柔性，对空间要求也比较高。但也有其优点，相比于第一种组合方式，由于换热器有支耳固定在冷箱中部的通梁上，其抗震性和结构受力均比较好。

2.3真空绝热管

真空绝热管用在液氧和液氮自精馏系统去贮槽，常压液氧贮槽去后备高压液氧泵，常压液氮贮槽去液氮泵，后备中压液氮泵去真空液氮贮槽的管路。真空绝热管由内外两根同心管组成，内外管间用支撑隔离，内管外表面缠绕多层绝热材料，夹层为高真空状态。内管、外管均采用不锈钢（06Cr19Ni10）无缝管道。真空绝热管段间接头形式有法兰连接和焊接连接，焊接连接的真空管接头为非真空保冷，接头采用连接桶内填充珠光砂保冷。工艺设计人员提供的真空绝热管的公称直径一般为真空管的内管直径，配管人员在选择管道支吊架时要注意考虑外管尺寸，布管时留有足够的空间。真空绝热管在工厂进行预制，施工现场无法进行加工，一旦出现偏差，施工现场无法处理，极易造成浪费。因此，真空绝热管道必须精准预制。为保证现场顺利施工，在真空绝热管进行订货时，需将管道轴测图提供给供货商，并要求供货商实地测量后确定最终管道轴测图。待施工现场设备就位后，供货商技术人员和配管设计人员进行现场实地测量，确认最终的真空绝热管走向、支架位置等问题，在管道轴测图中将每一段管线各个部位（直管段、管件等）进行编号，供货商将管道轴测图中编号标记在各个部件上，以此确保真空绝热管道顺利安装。但是目前大部分制造能力较好的真空绝热管供货商提供的特种制造许可证和型式试验证书已过期，且不再取证。

结语

综上所述，冷箱是空分装置的核心装备，近年来出现过多起因冷箱漏液导致运行中或扒砂时发生事故，损失严重、影响巨大。空分冷箱内设备多，管路复杂，安全管理难度大，需要不断通过技术改进和管理提升来提高空分冷箱的运行安全性。这几年空分行业事故多，影响大，需要行业人员共同努力，更好地促进空分行业的未来发展。

参考文献

[1]衣爽.空气分离技术及发展研究[J].天津化工,2018,32(5):1-3.

[2]应道宴,尤子涵,徐锋,等.压力管道规范工业管道第2部分：材料：GB/T20801.2—2020[S].北京:中国标准出版社,2020.

[3]王炎,申世勇.空分装置低温管道研究[J].河南科技,2020,39(26):50-52.