1、 空分裝置長期穩定運行必須要首先了解空分裝置是使用什么方法制取氧氣

1.1 分離氧氣的原理

深冷空分裝置的核心是空氣深冷條件下精餾分離，利用氧氬氮氣體的沸點及揮發度的不同通過精餾實現氧氬氮組分的分離，而空氣的深冷液化則是使空氣處于氣液共存狀態從而使精餾過程得以實現的必要前提條件。( 在精餾塔內部增加填料和塔板從而強化高低沸點組分的氣液相的熱質交換，同時增加低沸點組分液體作為回流液（蒸餾段本來就有回流，又稱為提餾氣或回流氣具體而言就是水蒸汽或者高沸點組分氣體），把為了得到較高提取率及較高純度高低沸點組分產品而需要多次重復進行的蒸餾一冷凝過程整合在一個精餾塔中完成（一塊理論塔板數相當于一次蒸餾一冷凝過程），從而可以在精餾塔底部和頂部分別得到符合純度要求的高低沸點組分產品（理論上在無限理論塔板數下高低沸點組分的純度可以達到100%，但由于理論塔板數有限，產品純度實際上有一個上限，這個產品純度既決定于實際理論塔板數也決定于實際回流比，其中塔頂低沸點組分純度決定于精餾段理論塔板數和實際回流液氣比及低沸點組分產品回流比，塔底部高沸點組分純度決定于提餾段理論塔板數及提餾段實際回流氣液比及對應的高沸點組分產品回流比，同樣理論上高低沸點組分的提取率也都可以達到100%，但受理論塔板數有限及實際回流比的限制，高低沸點組分產品提取率既決定于理論塔板數也決定于實際回流比。蒸餾一冷凝技術向精餾技術的升級實際上就是把需要重復進行的蒸餾一冷凝過程在一個精餾塔中實現，這當然大幅度降低了不同沸點組分的分離能耗，提高了高低沸點組分的產品純度及提取率。精餾技術成熟后，從理論上說，實現高低沸點組分的完全分離不存在任何的困難，剩下的問題都是理論塔板數和回流比的問題，而回流比的大小則決定了高低沸點組分精餾分離的能耗即公用工程蒸汽冷卻水的消耗。

通過上圖可以看出在相同壓力下因沸點的不同在冷凝過程中氧氣率先冷卻成為液體其次是氬氣最后是氮氣。這就是深冷空分裝置制氧的原理。

1.2如何獲得低溫

為使空氣液化，先要獲得低溫，工業上常用二種方法，即空氣通過節流閥或膨脹機的膨脹制冷獲得低溫，甚至液化。這二種方法是以氣體的膨脹為基礎，已應用在氣體的分離和液化技術以及氣體制冷機中。

1.2.1氣體的節流

通常把高壓流體流經管道中的小孔后壓力顯著降低的過程稱為節流，節流前的狀態參數為p1、T1、υ1，節流后的狀態參數為p2、T2、υ2。節流孔徑越小，則局部阻力越大，節流前后的壓力變化（p1-p2）也越大。反之，就越小。在實際工作中，為了便于調節，通常用節流閥代替固定的節流孔。

氣體在節流時，既無能量輸出，也無能量輸入，所以氣體節流前后的能量保持不變，即節流前后的焓值相等：h1=h2。這是節流過程的基本特點，因此節流過程可看作是近似的絕熱過程。

1.2.2氣體的等熵膨脹

高壓氣體等熵膨脹時向外輸出機械功，這樣消耗了大量的氣體內能（焓值減小）。另外，還由于膨脹時氣體體積增大，分子距離也要增大，但是分子間有吸引力，為了克服分子間的吸引力而又要消耗氣體分子的一些動能（動能減小）。這樣氣體分子的內能和動能在等熵膨脹時大量消耗，從而降低了氣體溫度。所以等熵膨脹后，氣體溫度總是下降的。

1.2.3實用方面

節流過程用節流閥，結構比較簡單，也便于調節。如空分裝置中的V1 V2 V3等閥門。而等熵膨脹則用膨脹機，結構復雜（當然膨脹機還有效率問題），不可能實現等熵膨脹過程，因而能得到的溫度效應及制冷量比理論值要小。這就使等熵膨脹過程的優點有所減色；節流閥可以在氣液兩相區工作，即節流閥出口可以允許有很大的帶液量；但帶液的兩相膨脹機的帶液量也不能很大。因此，節流和等熵膨脹的這兩個過程，在空氣分離設備中都在應用，它們的選擇，將依具體條件而定。

從以上理論知識看來，空分設備運行是一個動態平衡的結果，要想得很安全平穩運行就需要各個設備和參與操作的人員穩定操作做好預防工作。在設備設計之初就有許多設備有備份，加強設備點檢巡檢維護確保穩定運行。

2深冷技術使用的一般設備和安全平穩運行

2.1空氣過濾設備

空氣中含有大量塵埃，空壓機在長時間的高速運行中，粉塵是天敵。它會造成機器內部的葉輪、葉片等部件的磨損、腐蝕和結垢，縮短機器使用壽命，因此須設置原料空氣過濾器。

過濾設備一般有布袋式和自清潔式等幾種。目前常使用的過濾設備是自清潔式過濾器。

自清潔式過濾器的工作按照以下流程進行：

過濾過程：在壓縮機吸氣負壓作用下，吸入周圍的環境空氣。當空氣穿過高效過濾筒時，粉塵由于重力、靜電、接觸被阻留在濾筒外表面，凈化空氣進入凈氣室然后由出風管送出。

自潔過程：當電腦發出指令，電磁閥啟動并驅動隔膜閥，瞬間釋放一股壓力為0.4~0.6MPa的脈沖氣流，經專用噴頭整流噴出，文氏管卷吸、密封、膨脹從濾筒內部均勻的向外沖擊，將積聚在濾筒外表面的粉塵吹落，自潔過程完成。

清灰控制有三種方式：(1) 定時定位，可任意設定間隔時間和自潔時間。(2)差壓自潔，當壓差超指標時，進入自動連續自潔。(3) 手動自潔，當電控箱不工作或粉塵較多時，可采用手動自潔。

使用國標一體化濾筒。外帶金屬濾網防止柳絮、樹葉等雜物破壞濾芯，內部是高效濾紙過濾細小雜質粉塵保護后面的壓縮設備和冷箱內設備安全工作。

該設備正常運行時間日常維護少，個別濾筒損壞不需大面積停機既可更換。正常維護工作量小，一般兩年以上考慮更換濾筒。根據筆者經驗，目前筆者所在的北方地區除春夏有較多柳絮和雨季是否過長需要特別關注外，可適當延長濾筒使用。

2.2空氣壓縮設備

一般空壓機在大型空分裝置中是由單臺供氣或是多臺聯合供氣。多使用單軸多級或雙軸H型壓縮機。空壓機是整個空氣分離設備中能耗最高的設備。所以空壓機的安全正常運行是全系統運行的基礎。

在空分系統中空壓機正常工況下喘振是最大影響平穩運行的危險因素。壓縮機喘振具有以下危害：

（l) 被壓縮氣體的流量、排出壓力發生高速的周期性變化, 氣體的溫度升高。

( 2 ) 由于流量和壓力的高速振蕩, 會伴隨發生反向的軸向推力, 使壓縮機機體和部件產生強烈振動,甚至會打壞葉輪、燒毀軸瓦, 破壞密封和軸承, 造成主軸和壓縮機的損壞。

( 3) 喘振時, 壓縮機進出口管道上的止逆閥會忽開忽關, 閥芯反復撞擊閥體, 發生異常聲響。

(4) 喘振時, 壓縮機會發生周期性的類似牛叫的吼叫聲。

(5) 喘振帶來的流量和壓力的高速振蕩, 會造成工藝操作的不穩定。

(6 )如果喘振損壞了壓縮機的密封, 會使潤滑油竄人流道而進人設備, 影響換熱器和冷凝器的效率。

(7 )多次發生喘振輕者會縮短壓縮機的使用壽命, 重者會損壞壓縮機以及連接壓縮機的管道和設備, 造成被迫停車。

空壓機日常運行點巡檢參數：電流、溫度、壓力、流量、振幅、活塞桿的下沉度、過濾網的壓差、換熱器的阻力、水溫、水壓、水質、潤滑油的機械雜質、油溫、油壓、運轉部件的震動值、軸瓦溫度的變化值等。

2.3空氣預冷系統

空氣預冷系統是空氣分離設備的一個重要的組成部分，空氣冷卻塔串接于空氣壓縮機系統和分子篩吸附系統之間，用來降低進分子篩吸附器的空氣的溫度與含水量。

空氣冷卻塔中采用散堆填料冷卻塔，其低溫段裝有增強型聚丙烯環，冷水通過布水器均勻地噴淋在填料上,順填料空隙流下。空氣則逆水流而上經不銹鋼絲網捕霧器出塔，進入分子篩吸附系統。高溫段填料采用不銹鋼鮑爾環，常溫段填料采用增強型聚丙烯環。填料中水的洗滌作用，使得進塔上段空氣的雜質含量大大減少，也可以吸收大部分易溶于水的雜質。空冷塔主要塔內構件采用不銹鋼材料，不會對水和空氣產生污染。

水冷卻塔利用冷箱排出的污氮氣不飽和性和多余純氮氣回收冷量降低水溫，降低能耗合理地使用空氣預冷系統，有利于空氣分離設備長期安全地運轉。水冷塔是填料塔，填料聚丙烯鮑爾環塔頂設有捕霧器和布水器，為了不使水滿入氮氣管內，除設有液面控制儀表外，還設有溢流管，當水滿到一定高度時，水就從溢流管中溢出，不會泛入氮氣管。為了防止氮氣出塔時把霧狀水滴帶走，增加水耗，在塔的頂部，設置了不銹鋼絲網捕霧器。上圖是經典預冷系統流程圖。

空氣預冷系統影響全系統長期安全運行的因素空氣出空氣預冷系統大量帶水。其主要原因有以下幾點：

1、水位控制系統儀表失靈引起。如水位高時,水位自調閥失靈或打不開,翻板液 位失靈等原因,這是空冷塔帶水最常見的原因。

2、操作失誤。如空氣量突然變化,造成流速過快,也會造成空冷塔帶水

3、水中帶有大量泡沫,使空冷塔氣液分離產生困難,也會造成空冷塔空氣出塔大量帶水事故

根據上圖空氣預冷系統中機械運轉設備不多，常溫水泵一用一備，低溫水泵一用一備，冷水機組一臺。這些設備要嚴格按照設備維護規程進行點巡檢、設備倒換和故障處理。注意關注水泵前過濾器正確使用。

空氣預冷系統中各個閥門有安全閥、手動截止閥、止回閥和控制水位的氣動薄膜調節閥。其中控制水位的調節閥日常應重點點巡檢，檢修時重點維護。

為方便檢修，空氣冷卻塔和水冷卻塔上、中、下均設有人孔，塔外設有平臺梯子。塔上段外壁設有環板，供安裝絕熱材料用。檢修過程中在有限空間外醒目處應設置警戒區、警戒線、警戒標志。對任何可能造成職業危害、人員傷亡的有限空間場所作業應做到先檢測后監護再進入的原則先檢測確認有限空間內有害物質濃度，作業前30min應再次對有限空間有害物質濃度采樣，分析合格后方可進入有限空間。同時在主控室掛牌禁止操作閥門向塔內送氣。在這需要注意的是正常工作中水冷卻塔中污氮氣和純氮氣是直接排空的，應設置禁止人員接近水冷卻塔排空口。

2.4空氣純化系統

空氣純化系統中上圖為經典流程：被壓縮的空氣經預冷系統冷卻到10℃左右，自下而上通過分子篩吸附器MS1201或MS1202（以下簡稱吸附器）時，空氣中所含有的水分、乙炔、二氧化碳等雜質相繼被吸附清除，凈化后的空氣，進入冷箱中的主換熱器。吸附器是成對交替使用的，一只工作時，另一只被再生。吸附器的再生一般分四步進行，第一步：降壓；第二步：加熱；第三步：吹冷；第四步：升壓。降壓：吸附器在工作周期即將結束時，須將容器內的帶壓空氣排放出去。降壓是將V1205閥（或V1206閥）打開而實現的。為了避免分子篩床層受到壓力波動的沖擊，降壓的速度不能太快（此點不能忽視）。降壓是按壓力聯鎖實現的，當壓力到0.01MPa時，降壓結束，打開再生污氮氣進、出口閥V1211、V1213（或V1212、V1214）。加熱：打開V1218閥，相應地關閉V1217閥，使污氮氣經加熱器加熱自上而下通過吸附器。冷吹：打開V1217閥，相應的關閉V1218閥，使污氮氣不經加熱器自上而下通過吸附器。升壓：關閉再生污氮氣進、出口閥V1211、V1213（或V1212、V1214）。打開V1207閥向被再生吸附器沖壓，當兩只吸附器壓力相等后。關閉V1207打開V1201、V1203（或V1202、V1204）并聯使用兩只吸附器。關閉另一只V1202、V1204(或V1201、V1203）。開始下一個循環。

空氣純化系統各主要設備：

1、閥門

空氣純化系統正常運行其邏輯程序要運行良好，閥門正確運行、封閉嚴密、定位器信號準確好的切換閥是分子篩安全穩定運行基礎。上圖是切換閥正做打壓試驗

   分子篩切換程序不執行的操作

1、1分子篩閥門不動作，檢查儀表氣壓力是否過低或閥門有故障。及時調整壓力或檢修。

1、2如儀表信號故障，配合儀表工分析處理。

1、3如預計處理時間較長，則請示有關領導是否停車處理。

筆者所操作的設備中就有切換閥動作不到位，需要人工現場處理直到更換。

2、吸附器分子篩

吸附器內分子篩純化流程作用：用吸附法清除原料空氣中的水分、乙炔、二氧化碳及一些能吸附的碳氫化合物，保證空分設備的正常運行。吸附器內裝填的吸附劑有：分子篩，活性氧化鋁等。分子篩是人工合成泡沸石，硅鋁酸鹽的晶體，呈白色粉末，加入粘結劑后可擠壓成條狀、片狀和球狀。經空冷塔冷卻后的空氣一般在5～20℃左右進入吸附器內吸附純化。水分乙炔、二氧化碳都是極性或不飽和分子。分子篩對它們都有很強的親和力。正常情況分子篩的共吸附性能使它可以在吸水的同時還可以吸附其它物質，這種親和力的順序是：H2O > C2H2 > CO2。所以空氣進冷箱CO2含量AIA1203≥1.5PPm報警，檢測CO2含量就能保證水和總烴不超標。

吸附器內結構根據杭氧資料使用支撐柵架防漏技術和新型隔板裝置，確保吸附器設備返修率和有效地解決了兩種吸附劑混床問題。有了這些保證設備避免了操作壓力不當，導致沖床。填裝分子篩、氧化鋁層時，由于空氣穿過床層時，傳質區平行移動。因此要求每層平整，高低不平會引起某些地方先穿透。筆者處理過開車過程中分子篩床層受沖擊床層不平，加熱后冷吹峰值扁平被迫停機處理。

3、加熱器

 空氣純化系統加熱使用的多為一個或多個電加熱器。有些有蒸汽條件的設備使用蒸汽加熱器。

注意蒸汽加熱器泄漏

信號:AIA1204或AIA1205水分析點報警

后果:因污氮氣帶水，導致吸附劑受水吸附性能下降,甚至失效。

措施:檢查原因，盡快進行檢修

2.5冷箱內各設備

2.5.1主換熱分系統

主換熱器是整個空分裝置主要的熱量交換裝置，加工空氣幾乎全部要通過。發生的主要故障就是堵塞。來自于純化系統故障，如分子篩帶水、分子篩吸附下降、分子篩床層受沖擊粉末堵塞。

2.5.2膨脹機分系統

透平膨脹機是一種旋轉式制冷機械，它由蝸殼、導流器、工作輪和擴壓器等主要部分組成。當具有一定壓力的氣體進入膨脹機的蝸殼后，被均勻分配到導流器中，導流器上裝有噴嘴葉片。氣體在噴嘴中將氣體的熱力學能(內能)轉換成流動的動能，氣體的壓力和焓降低，出噴嘴的流速可高達200m/s左右。當高速氣流沖到葉輪的葉片上時，推動葉輪旋轉并對外做功，將氣體的動能轉換為機械能。通過轉子軸帶動制動風機、發電機或增壓機對外輸出功。

從氣體流經膨脹機的整個過程來看，氣體壓力降低是一膨脹過程，同時對外輸出了功。輸出外功是靠消耗了氣體內部的能量，反映出溫度的降低和焓值的減小，即是從氣體內部取走了一部分能量，也就是通常所說的制冷量。上圖就是膨脹機增壓機葉輪轉子部分。

膨脹機故障主要來自于潤滑、密封、操作不當。

潤滑：透平膨脹機的轉速很高，軸承間隙小，對潤滑系統要求非常嚴格。為了保證膨脹機在突然停電時軸瓦不至被燒壞，還應設置緊急供油箱(一般采用壓力油箱或高位油箱)，在油泵突然停止運轉的情況下，仍能靠緊急供油箱保證供應5min以上的潤滑油量。因此，在壓力油箱內必須隨時貯備一定的油量和充有一定壓力的氣體。膨脹機的供油溫度不宜太低，一般控制在35～40℃。否則由于油溫低或油量不足致使潤滑不良，造成軸承研磨或軸承溫度升高。油溫低于20℃時，膨脹機不應運轉。

密封：當氣體流經密封間隙時，壓力逐漸降低。泄漏量的大小取決于密封間隙的大小和兩個密封空間的壓差大小。如果密封空間越多，或外側的壓力越高，對每個密封間隙兩側來說，壓差越小，泄漏量也減少。因此，將密封裝置分成兩段，在中間通入比周圍壓力稍高的壓力密封氣，壓力可為0.05～0.10MPa(表壓)。這樣，一方面可減少低溫氣體的泄漏量，減少冷損，同時也可防止軸承的潤滑油滲入密封處，進入膨脹機內。目前空分裝置用的透平膨脹機一般均需通帶壓力的密封氣，密封氣可以用氮氣或氖氦吹除氣。為了防止潤滑油進入膨脹機內，在啟動膨脹機油泵前，應先供壓力密封氣。在停機時，需在油泵停止運轉后才能停壓力密封氣。

 操作不當：膨脹機機前超溫、超壓、超速飛車、膨脹機帶液對機體都有巨大傷害。這些只要按規程操作都可以避免。為什么要按照規程經常性的倒換膨脹機呢？膨脹機在長期運轉中如果有水及烴類化合物凍結在噴嘴葉片上，甚至凍結在葉輪葉片上時，會造成噴嘴堵塞，轉子動力性能變壞，使膨脹機的振動增大,運行的聲音增大,甚至造成嚴重事故，此時必須進行加溫解凍及吹除。
噴嘴凍結征象：噴嘴出口壓力下降，流量減少，轉速下降，可調噴嘴調節困難，膨脹機前管道過濾器壓差增大。
措施：停機加溫解凍，將加熱氣從膨脹機出口到入口進行吹除，直到出口氣體溫度達到50℃時，注意加熱氣體進氣溫度不應高于80℃以免使膨脹機的零部件因變形而損壞。

2.5.3主塔分系統

主塔就是本文開篇理論實現的主要設備。從下圖可以看出目前基本全精餾設備都是規整填料。

保持主塔內工況穩定、合理調整負荷和液體節流閥、減少主換熱器熱端溫差、減少跑冷損失，關注壓力、阻力、溫度、液位這些都是空分裝置長周期連續穩定運行的基礎。主冷是聯系上下塔關鍵環節，主冷液位是反映全設備冷量平衡的關鍵參數。一般采用全浸式操作和1%液氧排放。

對于連鎖控制的閥門，要逐一進行實驗。檢查所定的參數是否正確，閥門動作是否正常。信號是否暢通。

2.5.4粗氬塔精氬塔分系統

上面圖片展示粗氬Ⅱ下部和上部接口處規整填料。

下面圖片展示精氬塔整體結構。

2.6產品氣壓縮儲存設備

上圖是外壓縮流程透平氧壓機簡易流程圖，壓縮機系統由低壓氧壓機、高壓氧壓機、增速機、電動機、油站等設備組成。兩臺壓縮機通過增速機聯接，異步電動機拖動，壓縮機、增速機、異步電動機布置成一列。本壓縮機設有軸封裝置，用來防止氧氣外漏及空氣潤滑油通過間隙漏入機殼內。另外，本機組還設有溫度、壓力、軸振動、位移等自動監控裝置，保證機組的穩定運行。本機設有較完善的安全保護措施，當壓縮機出現故障時，自動報警聯鎖，免除機器受到更嚴重的損害。令筆者印象深刻的是當機殼及密封氣溫度異常上升時氧壓機緊急噴氮。氧壓機自動停車，噴氮量很大從空分系統上看氧氣出塔在線分析瞬間爆表。

喘振所造成的后果常常是很嚴重的,它會使壓縮機轉子和靜子經受交變應力作用而斷裂，使級間壓力失常而引起強烈振動,導致密封及推力軸承的損壞，增大葉輪與主軸的溫差,破壞葉輪的過盈量使葉輪松動，使運動元件和靜止元件相碰,造成嚴重事故。所以要保持安全平穩運行應盡力防止壓縮機進入喘振工況。

2.7液體產品儲存設備

液體產品儲存設備，是制氧廠良好的產品應急生產裝置、冷量儲存貯存、液體產品增加效益。滿足1%液氧排放，降低總烴含量確保主冷安全。低溫液體的密閉容器，正常會有部分低溫液體吸熱而氣化，壓力升高。為防止超壓，必須設置可靠的安全裝置緊急泄壓。

2.8其他相關設備

儀表氣壓縮機 儀表變送器  DCS控制系統  成品氣在線分析線下色譜分析儀等設備。

3結束語

為了貫徹空分裝置長期安全平穩運行，操作者要加強理論知識學習，結合自身生產實踐的檢演，通過長期的生產實踐經驗積累，認真按照規程執行各項點巡檢和設備倒換加熱保養。及時發現隱患問題處理降低意外停機確保長期安全穩定運行。本篇是以總綱形式開篇今后有時間具體分析設備設施、事故警示等。有錯誤不足之處可聯系。