空分设备制冷循环系统密封性研讨_葛伟伟.pdf

收稿日期:2022-08-02空分设备制冷循环系统密封性研讨葛伟伟，庄正杰，程晓城，王钊，张志成，李晨旺(酒泉卫星发射中心，甘肃 酒泉 732750)摘要:对空分设备制冷循环系统空压机进气阀门、冷却器、消声过滤器密封进行分析，定位主换热器堵塞原因，制定预防、改进措施，保证设备安全稳定运行。关键词:空分设备;制冷循环;循环气;密封;检测中图分类号:TB657文献标志码:A文章编号:1007-7804(2023)01-0014-04doi:10.3969/j.issn.1007-7804.2023.01.005Study on Airtightness of efrigeration Circulation System in Air Separation UnitGE Weiwei，ZHUANG Zhengjie，CHENG Xiaocheng，WANG Zhao，ZHANG Zhicheng，LI Chenwang(Jiuquan Satellite Launch Center，Jiuquan 732750，China)Abstract:This paper analyzes the seal of air compressor inlet valve，cooler and muffler filter in refrigeration cycle system ofair separation unit，locates the blocking reason of main heat exchanger，and formulates preventive and improvement meas-ures to ensure the safe and stable operation of the equipmentKey words:air separation unit;refrigeration circulation system;circulating gas;sealing;detection1前 言目前我国生产液氧、液氮的方法以深冷分离空气法为主，其基本原理是依据氧氮沸点的差异实现临界分离1。该方法使用的设备工艺流程采用带有增压透平膨胀机的低压制冷循环系统提供冷量，从而得到所需的液氧、液氮产品2。制冷循环系统为该套设备提供 90%的所需冷量，其运行状况对整套空分设备的正常生产起着至关重要的作用。2制冷循环系统简介空分设备以空气为原料，通过压缩、净化、加温、换热、制冷、精馏使空气低温液化后，利用氧氮沸点的不同实现氧氮分离，从而达到产品分离的目的。冷却原料空气的冷量由制冷循环系统提供，从分子筛吸附筒出来的干燥空气经补气阀进入制冷循环回路，由两台活塞式空压机从空气缓冲罐中吸入，排出后经增压前过滤器进入增压机增压，出增压机后经增压后冷却器进入冷箱，在主换热器中被返流气体冷却后温度达 136左右，进入透平膨胀机，膨胀后的低温气体温度降至 185左右，作为返流气体在主换热器中冷却各股正流气体，膨胀空气在换热器热端被复热后出冷箱进入空气缓冲罐，再由循环空压机压缩提高压力进行持续循环。在循环过程中，损耗的气体从原料气管路进行补充，所以空分设备制冷循环系统气路是闭合运行的。3制冷系统密封分析制冷循环系统气路是闭合运行的，经过启动调整后的循环空气量相对稳定。在不考虑原料气体影响的前提下，循环系统密封不严密会使未净化的空气进入循环系统或冷却器微漏，导致主换热器堵塞，系统无法正常运行。近年来多次出现主换热器堵塞问题，经排查发现是由于循环系统密封不严，大气进入循环系统，水分、二氧化碳等杂质在主换热器中析出导致堵塞3。图 1 为制冷循环系统流程图。第 41 卷第 1 期低 温 与 特 气Vol.41，No.12023 年 2 月Low Temperature and Specialty GasesFeb.，2023图 1制冷循环系统流程图Fig 1Flow chart of refrigeration circulation system制冷循环系统有 3 处可能引入水分和二氧化碳等有害杂质的部位，包括空压机进口阀门、冷却器、空压机前消声过滤器，这 3 处是密封的重点。3 1分子筛吸附效果影响空分设备主要采用纯化器净化原料空气，纯化器中装填 13X-APG 型分子筛。主要利用分子筛内部多孔型结构对极性分子和不饱和分子具有很强吸附能力来净化空气中气体杂质。各种气体杂质穿过13X-APG 型分子筛的状态如表 1 所示。表 1分子筛吸附杂质顺序表Table 1Sequence table of molecular sieveadsorbing impurities组分穿透状态甲烷(CH4)立即穿透乙烷(C2H6)几乎立即穿透乙烯(C2H4)、丙烷(C3H8)、CO2稍迟一些穿透乙炔(C2H2)、丙烯(C3H6)迟一些穿透丁烷(C4H10)、丁烯(C4H8)再迟一些穿透水(H2O)最后穿透从表 1 中可以看出，13X-APG 型分子筛对 CO2的吸附能力居中，在同样的工况下要完全吸附 CO2需要装填更多的分子筛。吸附剂的使用寿命受环境和使用频率的影响比较大。受间歇性生产的影响，每次生产结束后，有一只吸附桶内分子筛处于饱和状态，相当于长期处于不利环境而未进行有效的处理，从而导致分子筛使用寿命下降。由于空分设备使用年限较长且未配备在线监测设备，仅在纯化器后有一台露点仪，露点仅能表示吸附后原料空气中水分的含量，不能表征其他组分含量，如二氧化碳、碳氢化合物等。3 2冷却器密封影响空分设备配备的空压机为 ZW-48/7-II 型空气压缩机，空气经压缩后温度达 150 左右。为降低压缩能耗，要尽量减小温升。该空压机设有一、二级两个冷却器，在一级压缩气体排出后经一级冷却器降低压缩后气体温度;温度降低后进行二级压缩，压缩后气体在二级冷却器降低温度。空气经过二级压缩、二级冷却后，空压机最终排气温度为 30左右。TPZ-13 型增压透平膨胀机增压出口温度夏季达55，冬季也在 40以上。高温气体进入主换热器会加重换热器负荷。为降低增压机出口温度，设立增压机后气体冷却器，用冷却水(30)冷却降温至 20左右。空压机一、二级冷却器和增压机后冷却器均属于壳管式换热器，如内部出现裂缝或因锈蚀出现针眼，则有可能将水分带入到循环系统中。3 3进口阀门密封影响阀门是流体输送系统中的控制部件，具有导流、截流、节流、调节、防止倒流、分流/溢流和卸压的功能。空压机进口阀门为蝶阀，蝶阀是指关闭件(阀瓣)为圆盘，通过围绕阀座内的轴旋转来达到开启与关闭的一种阀，在管道上主要作用为切断和节流。空分设备设有 4 台空压机，通过管路、阀门并联，设备运行时使用 3 台，1 台作原料空压机，2 台作循环空压机。空压机原料气进口阀与循环气阀并联，若作为循环空压机的原料气进口阀密封不严，当循环空压机进口出现真空时，大气就会通过原料气阀门被循环空压机吸入，进入循环系统。3 4空压机前消声过滤器密封影响ZW-48/7-II 型空气压缩机为有效过滤固体杂质降低噪音，配有机前消声过滤器。空气进入消声过滤器后，经 150 目过滤网进入空压机。为防止空压机进气管路出现负压、超压引起空压机及过滤器损坏，过滤器顶端密封采用 10 mm 铁板加橡胶垫密封，过滤器底部中间引出一根螺杆通过螺母进行紧固。空压机空气消声过滤器由于循环空气压力调节或其他操作引起的一级吸入压力波动过大，可能会51第 1 期葛伟伟，等:空分设备制冷循环系统密封性研讨导致顶盖橡胶垫破裂或密封面松动，使未经净化处理的空气被空压机吸入，带入循环系统。4制冷系统密封检测4 1分子筛吸附效果检测开车结束后对纯化器 1 号、2 号吸附筒内的分子筛进行取样，与密封储存的全新分子筛对比发现外观无明显变化，破碎分子筛未明显增多。将分子筛使用周期由原来的 8 h 缩短为 6 h，通过对比发现堵塞趋势较以往开车中有所减缓。更换分子筛后彻底活化分子筛。按分子筛活化再生要求:再生气流量 800 m3/h，控制再生气温度220，当再生气出口温度达 150时，停电加热炉，冷吹峰值达 192，两组纯化器各活化一个周期后转入正常操作流程，控制再生气进口温度为 200，当再生气出口温度达 100时，停电加热炉冷吹，峰值达 160。根据出口峰值来看，纯化器再生彻底，吸附效果正常。4 2冷却器密封检测开车运行前，使用压力表检测平台，采用 0 4 级高精度压力表，量程 0 0 6 MPa，对循环空压机 3#、4#空压机一级、二级冷却器，增压机后水冷却器共有8 个冷却器进行气密性试验。根据冷却器安装位置，为提高工作效率，空压机冷却器、一级两台冷却器同时检测，二级同理检测，出现测试不合格状况，再分开逐台测试。根据被测压力容器(水冷却器)耐压值，将校验平台的接头与被测压力容器(水冷却器)进口相连，出口使用盲板密封，向被测压力容器(水冷却器)通入压缩氮气，而后关闭校验平台支管路阀门，对测试管路及冷却器密封面进行肥皂水查漏，出现问题及时解决，保证试验装置密封性保压24 h。根据压力表变化，判断冷却器泄漏情况。测试数据如表 2 所示。针对 4#空压机二级冷却器压力表压力下降较大情况，进一步检查发现 4#空压机二级下部冷却器后盖微漏。此过滤器后盖垫片为新更换的 N15 型耐油石棉垫片，与原垫片材质相同，通过查阅资料及请教杭氧技术专家，该垫片主要适用于水、水蒸气、油类、溶剂的密封。新老垫片对比发现新垫片密度较小，存在垫片渗漏的现象，对气体的密封效果并不理想。为保证其绝对的密封效果，经调研采购耐200的硅胶垫，更换 4#空压机二级下部冷却器后盖密封垫，测试密封性能良好，压力表示数无变化。表 2冷却器气密性测试Table 2Air tightness test of cooler名称工作压力MPa测试压力MPa保压时间h结束压力MPa3#空压机一级冷却器0 350 35240 353#空压机二级冷却器0 350 35240 354#空压机一级冷却器0 350 35240 354#空压机二级冷却器0 350 35240 25增压机后水冷却器0 350 35240 354 3进口阀门密封检测ZW-48/7-II 型空气压缩机进口阀为 DN300 蝶阀，管道连接紧密，安装于半空中，拆卸检修困难。运行中检测，启动 1 台原料空压机，关闭另外 3 台空压机原料气及循环气进出口阀，平衡罐压力 10kPa，观察一级进气压力表示数有无升高，发现 3#、4#空压机进口压力表示数均有升高。分析设备流程判定其原因为循环气进口阀微漏，导致气体进入空压机进口处。两台空压机原料气进口阀密封严密无微漏现象，致使相应空压机进口压力升高。使用 F 扳手紧固后，4#空压机一级进气压力表示数未升高，故此问题解决。3#空压机压力表示数仍缓慢升高，主要是由于该空压机循环空气进口阀密封面老化，存在微漏现象，开车中将该台空压机做循环空压机，对设备运行无影响。4 4空压机前消声过滤器密封检测空压机消声过滤器只能在开车中检测，将塑料袋套在过滤消声器上，观察塑料袋状态以检测其密封性。平衡罐压力 1 5 kPa，发现 3#、4#空压机过滤消声器上部检测袋充压鼓起，其密封性不良，存在漏气问题。该套设备投产 20 a 以来，过滤消声器密封橡胶垫从未进行更换，主要是因为橡胶垫老化导致密封性能严重下降。更换 3#、4#空压机过滤消声器的密封垫加固密封，再次启动循环气空压机，经检测仍有微漏的现象产生。考虑其安全因素，无法将其完全密封，只能在操作上进行控制，使过滤消声器部位的气体始终保持正压。由于过滤消声器处无压力传感器，以往都61低 温 与 特 气第 41 卷以平衡罐压力示值作为参考，却忽略了管道长度引起的局部压差。开机经实际检测，以塑料袋鼓起为参照的测试结果如表 3 所示。在 1 1 kPa 时两过滤器处于正压。查阅以往开机记录，操作平衡罐压力基本控制在(0 0 5)kPa 范围内。空压机进气端实际一直处于负压状态，消声过滤器密封不良，会源源不断地吸入大气。