空分设备低温冷箱密封气控制分析

周金城

(马鞍山钢铁股份有限公司 气体销售分公司，安徽 马鞍山 243000)

1 前 言

空分设备低温冷箱为低温精馏塔、换热器、管道、阀门提供低温运行环境。冷箱内充填密度小、导热系数低的膨胀珍珠岩(珠光砂)，同时，冷箱设置密封气系统，冷箱内充入低压氮气，不使冷箱形成负压或外界湿空气渗入，避免冷箱碳钢面板变形，减少冷箱跑冷损失。空分设备低温冷箱密封气投运方式及密封气流量、压力、氧含量控制对空分设备低温冷箱安全投运、稳定运行、停机备用、故障处理影响大。

马鞍山钢铁股份有限公司(以下简称：马钢)20 000 m3/h空分设备是杭氧设计、制造的。20 000 m3/h空分设备采用液氧内压缩与氮气外压缩、全精馏制氩工艺流程。

20 000 m3/h空分设备冷箱密封气系统由1路密封气总管、冷箱下部、中部、上部的3路密封气支管及3只转子流量计、手动截止阀、压力表构成。

20 000 m3/h空分设备冷箱密封气的气源现为2股，1股为原设计的自20 000 m3/h空分设备上塔上部抽取的污氮气，在空分设备运行时使用，降低设备运行能耗。另1股冷箱密封气取自马钢低压氮气管网中纯度合格的低压氮气，在空分设备热开车、冷开车、停机备用、故障处理时使用，增大管网氮气损耗量。

马钢20 000 m3/h空分设备自投产，在空分设备开车、运行、停机、低温冷箱故障时，通过分析冷箱密封气不同控制方法具体运用，实施针对性冷箱密封气控制方法，使空分设备低温冷箱投运安全、运行稳定。

2 空分设备开车

2.1 冷箱密封气分析

2.1.1空分设备热开车

空分设备热开车，膨胀机启动提供冷量，冷箱内珠光砂温度逐步降低，冷箱内气体体积与压力逐步降低。此时，根据膨胀机出口温度、入下塔正流空气温度降幅，投运冷箱密封气，避免冷箱形成负压或外界湿空气渗入。

空分设备热开车，在上塔上部污氮气中氧含量、顶部氮气纯度未合格时，冷箱密封气不使用空分设备上塔上部抽取的污氮气，冷箱密封气使用纯度合格的管网低压氮气，避免冷箱内氧气含量高。

空分设备热开车，主塔、粗氩塔、精氩塔全面同步冷却、逐次投运，冷箱内不同高度主塔、粗氩塔、精氩塔温度逐次降至正常运行值，冷箱内不同高度珠光砂温度降幅不同。根据主塔、粗氩塔、精氩塔投运步骤，分阶段调节冷箱密封气压力。第1阶段，在冷箱内低温设备冷却初期，通过调节使冷箱下部、中部、上部密封气压力相同，均小于0.3 kPa。第2阶段，在投运粗氩塔、精氩塔时，根据冷箱内主塔、粗氩塔、精氩塔高度，调节冷箱下部、中部、上部密封气压力逐次降低，冷箱下部、上部密封气压力分别不大于0.3 、0.1 kPa。第3阶段，在空分设备氧气、氮气、氩气产量、纯度均达到正常运行值时，切换冷箱密封气的气源。

2.1.2空分设备冷开车

空分设备冷开车，冷箱内珠光砂温度低，冷箱内气体体积与压力降幅小。冷箱密封气使用纯度合格的管网低压氮气。在空压机启动、正流空气导入下塔时，根据冷箱内下塔、粗氩塔、主换热器基础温度变化，调节冷箱下部、中部、上部密封气压力至正常运行值，使冷箱内3组基础温度均不小于-10℃，减少冷箱跑冷损失。

在空分设备投运精氩塔时，保持冷箱下部、中部、上部密封气压力稳定状态，将冷箱密封气的气源切换为空分设备上塔上部抽取的污氮气，降低管网低压氮气损耗。

2.2 冷箱密封气控制实例

2014年6月23日，20 000 m3/h空分设备热开车。首先，启动膨胀机，在膨胀机膨胀端出口温度降至小于0℃时，使用管网低压氮气，全开冷箱密封气进气总阀，根据密封气转子流量计浮子升幅，调节冷箱下部、中部、上部密封气转子流量计进气阀开度，控制入冷箱密封气流量，将冷箱下部、中部、上部密封气压力均调至0.2 kPa。

而后，在投运粗氩塔，粗氩II塔顶部气态粗氩中氧含量减至2×10-6时，将冷箱下部密封气压力调至0.3 kPa。在投运精氩塔，精氩塔塔釜液位升至正常运行值时，调节冷箱下部、中部、上部密封气转子流量计进气阀开度，分配入冷箱密封气流量，将冷箱下部、中部、上部密封气压力分别调至0.3、0.2、0.1kPa，控制冷箱内3组基础温度均不小于0℃。

最后，在液氩输入储槽与液氧、液氮产量升至正常运行值时，将冷箱密封气的气源切换为20 000 m3/h空分设备上塔上部抽取的污氮气，降低设备运行能耗。

3 空分设备运行

3.1 冷箱密封气分析

空分设备运行，冷箱内低温精馏塔、换热器、管道、阀门冷量持续扩散，扩散量大，冷箱内珠光砂处于低温状态。

冷箱密封气使用上塔上部抽取的污氮气，根据冷箱内下塔、粗氩塔、主换热器基础温度变化与冷箱碳钢面板有无结露、结霜现象，调节冷箱下部、中部、上部密封气压力。

在冷箱内下塔、粗氩塔、主换热器基础温度均大于-10℃，冷箱碳钢面板无结露、结霜现象，空分设备精馏工况稳定时，控制冷箱下部、中部、上部密封气压力分别不大于0.3、0.2、0.1 kPa，最大限度减少低温冷箱跑冷损失。

因冷箱碳钢面板锈蚀、人孔垫片及低温阀门保温套筒损坏，外界空气导入，冷箱内珠光砂冻结成块状，珠光砂导热系数增大，使冷箱内低温设备冷量在较小面积扩散量增大，冷箱碳钢面板结露。冷箱内下塔、粗氩塔、主换热器基础温度降至小于-10℃，大于低报警值，空分设备精馏工况稳定。在此状态，冷箱下部、中部、上部密封气压力分别调至不大于0.3 、0.3 、0.2 kPa，增大入冷箱密封气流量，不使冷箱内低温设备冷量在珠光砂中扩散量增大。

因冷箱内珠光砂沉降，冷箱内较少量低温气体泄漏，冷量渗入珠光砂，使冷箱内低温设备冷量在较大面积扩散量增大，冷箱碳钢面板结霜。冷箱内下塔、粗氩塔、主换热器基础温度降至低报警值，空分设备精馏工况波动，液氧、液氮、液氩产量小于正常运行值，空分设备运行安全系数低。在此状态，冷箱下部、中部、上部密封气压力分别调至不大于0.4、0.3 、0.3 kPa，提高入冷箱密封气流量，不使冷箱碳钢面板长时间结霜发生低温脆裂。

3.2 冷箱密封气控制实例

2013年6月，20 000 m3/h空分设备运行，主冷箱顶部存在较大面积结霜现象，冷箱内下塔基础温度降至-53℃。为保持设备冷量平衡，停止液氮生产，将液氧产量由1500 m3/h减至400 m3/h，同时将膨胀量由25 000 m3/h增至26 000 m3/h，保持主冷液位稳定。随着主冷箱顶部结霜面积增大，氮气中氧含量由2×10-6升至4.3×10-6。

开启主冷箱顶部人孔检查，主冷箱顶部珠光砂沉降，冷箱内上塔顶部辅塔裸露，上塔顶部辅塔与冷箱外大气环境存在较大温差、热导率，上塔顶部辅塔冷量扩散，上塔顶部回流液体蒸发量增大、上升蒸气液化量减小，使上塔精馏段回流比减小，氮气中氧含量增大。

为此，首先，调节冷箱密封气转子流量计进气阀，使转子流量计浮子升高，将冷箱下部、中部、上部密封气压力分别调至0.4 、0.3 、0.2 kPa，增大入冷箱密封气流量，控制冷箱内3组基础温度均不小于-30℃。

而后，2013年7月12日，20 000 m3/h空分设备运行，对主冷箱实施补填珠光砂作业。在主冷箱补填珠光砂时，控制冷箱下部、中部、上部密封气压力为0.2 、0.1 、0.1 kPa，减少入冷箱密封气流量，避免主冷箱顶部填充珠光砂的人孔有珠光砂外喷。

最后，在珠光砂填充至主冷箱顶部人孔盖板处时，再次调节冷箱密封气转子流量计进气阀，将冷箱下部、中部、上部密封气压力分别调至0.3 、0.2 、0.1 kPa，控制冷箱内3组基础温度均大于-10℃。

4 空分设备停机

4.1 冷箱密封气分析

在空分设备停机冷备用或停机排液、加温时，冷箱内低温精馏塔、换热器、管道、阀门冷量扩散量持续减少，冷箱内珠光砂处于升温状态。

空分设备停机，上塔上部未能抽取污氮气，冷箱密封气使用氮气管网中低压氮气，根据冷箱内下塔、粗氩塔、主换热器基础温度变化，调节冷箱下部、中部、上部密封气压力。

在空分设备停机冷备用期间，为降低下塔、主冷、粗氩塔、精氩塔中低温液体蒸发量与珠光砂升温幅度，减少入冷箱密封气流量，冷箱下部、中部、上部密封气压力均调至不大于0.1 kPa，控制冷箱内下塔、粗氩塔、主换热器的基础温度大于低报警值。

在空分设备停机排液、加温时，为提高冷箱内低温设备与珠光砂升温幅度，增大入冷箱密封气流量，冷箱下部、中部、上部密封气压力均调至不小于0.3 kPa，使冷箱内下塔、粗氩塔、主换热器的基础温度大于0℃。

4.2 冷箱密封气控制实例

20 000 m3/h空分设备投产，因20 000 m3/h空分设备冷箱密封气原设计仅为1股，即使用20 000 m3/h空分设备上塔上部抽取的污氮气为冷箱密封气。在空分设备故障跳机、停机冷备用期间，冷箱密封气无气源，冷箱内低温设备冷量扩散量大，20 000 m3/h空分设备主冷箱顶部大面积碳钢面板结霜，冷箱内下塔、粗氩塔、主换热器基础温度均小于-120℃。

为此，马钢为20 000 m3/h空分设备冷箱密封气系统增设1股冷箱密封氮气，使20 000 m3/h空分设备冷箱密封气设置为2股，1用1备。新增设的冷箱密封气取自马钢低压氮气管网，经减压阀减压、手动截止阀调节后导入原冷箱密封气总管。

2010年10月，20 000 m3/h空分设备冷箱密封气系统技术改造完成。在空分设备停机冷备用时，冷箱密封气使用从马钢低压氮气管网抽取的氮气，调节冷箱下部、中部、上部密封气压力均为0.1 kPa，冷箱内下塔、粗氩塔、主换热器的基础温度均大于-27℃，低温冷箱停机安全。

在空分设备处于运行状态时，冷箱密封气仍使用从空分设备上塔上部抽取的污氮气，减少管网氮气损耗。

5 空分设备冷箱低温脆裂

5.1 冷箱密封气分析

空分设备冷箱内低温精馏塔、换热器、管道、阀门故障，低温液体泄漏渗入珠光砂，冷量扩散至冷箱碳钢面板，冷箱碳钢面板温度降至小于-30℃时，碳钢面板内部金相组织破坏，冷箱低温脆裂。

在空分设备冷箱发生低温脆裂时，低温液体气化，冷箱压力高及安全阀启跳，冷箱基础温度小于-170℃，空分设备联锁跳机或手动紧急停机。

空分设备冷箱低温脆裂停机，停运冷箱下部、中部、上部密封气，降低冷箱内低温液体气化量，降低冷箱压力，避免冷箱碳钢面板变形。同时，开启冷箱顶部全部人孔泄压，对冷箱内低温设备进行排液。

在低温设备排液完毕，静置、全面加温时，保持冷箱顶部人孔全部开启状态，投运冷箱密封气。根据冷箱碳钢面板脆裂状态、冷箱顶部人孔珠光砂状态与冷箱基础温度、冷箱密封气氧含量变化，调节冷箱密封气压力。

首先，在冷箱内低温设备静置后期，调节冷箱下部、中部、上部密封气压力均不大于0.1 kPa，使冷箱内珠光砂中残留的较大量低温液体的气化量逐步增大。而后，在冷箱内低温设备全面加温，冷箱基础温度升至高于联锁值时，调节冷箱下部、中部、上部密封气压力均不大于0.2 kPa，增大渗入珠光砂中残留低温液体气化量。最后，在冷箱基础温度升至高于低报警值时，调节冷箱下部、中部、上部密封气压力均不大于0.3 kPa，清除冷箱中珠光砂冷量，使珠光砂复温。

在低温设备全面加温完成，冷箱基础温度升至不小于0℃，冷箱基础温度无降低现象时，停运、隔断冷箱密封气，对冷箱扒砂及检修低温设备。

5.2 冷箱密封气控制实例

2010年10月，20 000 m3/h空分设备粗氩塔投运，粗氩冷凝器液空液位计正管根部断裂，粗氩冷凝器下方6 m处冷箱碳钢面板发生低温脆裂，冷箱碳钢面板脆裂处有大量低温液体外漏。冷箱内3处基础温度计均降至-175℃，主冷液位降至联锁值，冷箱联锁停运，空压机、增压机卸载。

停运20 000 m3/h空分设备冷箱密封污氮气，开启主冷箱、主换热器冷箱顶部全部人孔，将冷箱下部、中部、上部压力均降至0 kPa，对下塔、主冷、粗氩II塔、粗氩冷凝器、精氩塔排液。

在低温设备静置，冷箱碳钢面板脆裂处无低温液体外漏、无珠光砂喷溅时，投运新增设的取自马钢低压氮气管网的冷箱密封氮气。

首先，保持冷箱内低温设备静置状态，调节冷箱密封气转子流量计进气阀，使转子流量计浮子上升，将少量冷箱密封氮气导入冷箱，控制冷箱下部、中部、上部密封气压力均为0.1 kPa。此时，如冷箱碳钢面板脆裂处有珠光砂喷溅现象、冷箱面板发生鼓包现象，立即全关冷箱密封气转子流量计进气阀。

而后，启动20 000 m3/h空分设备空压机，将正流空气导入冷箱内低温设备进行全面加温。在粗氩冷凝器液空回流管道温度升至-60℃、冷箱基础温度升至高于联锁值-170℃时，调节冷箱密封气转子流量计进气阀，增大入冷箱密封氮气流量，控制冷箱下部、中部、上部密封气压力均为0.2 kPa。此时，如冷箱碳钢面板脆裂处有气流声音，分步减少冷箱密封气转子流量计进气阀开度，降低冷箱下部、中部、上部密封气压力。

最后，在粗氩冷凝器液空回流管道温度升至-10℃、冷箱基础温度升至高于低报警值-60℃时，调节冷箱密封气转子流量计进气阀，将较高流量冷箱密封氮气导入冷箱，控制冷箱下部、中部、上部密封气压力均为0.3 kPa。此时，如冷箱顶部开启人孔发生珠光砂飞扬、冷箱壁低温阀门套有喷砂现象，逐步减少冷箱密封气转子流量计进气阀开度，降低冷箱密封气压力。

在20 000 m3/h空分设备低温设备全面加温完成，冷箱基础温度升至大于5℃，冷箱密封气氧含量小于1%，停运冷箱密封氮气时，冷箱基础温度降至小于-19℃。在此状态，再次投运冷箱密封氮气，调节转子流量计浮子升至高限值，将较大流量冷箱密封氮气导入冷箱，控制冷箱下部、中部、上部密封气压力分别为0.4 、0.4 、0.3 kPa，加温冷箱内珠光砂，使冷箱基础温度升至常温。

在扒除冷箱内珠光砂、检修冷箱内低温设备时，全关冷箱密封气进气总阀，在冷箱密封气进气总阀处设置盲板，隔断冷箱密封氮气，保证作业人员安全。

6 结束语

在20 000 m3/h空分设备开车、运行、停机、低温冷箱故障时，马钢通过分析冷箱密封气不同控制方法的具体运用，根据冷箱密封气压力、冷箱基础温度变化与冷箱现场实际状态，实施针对性冷箱密封气投运方式与密封气调节方法，保证空分设备开车安全、运行稳定。