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空分设备运行故障原因分析及处理

高显杰，齐登业，李克海，朱圣华，田现德

(莱芜天元气体有限公司，山东 莱芜 271104)

摘 要：介绍了空分设备运行故障的种类，分别阐述仪电控故障、机械故障、工艺故障的种类，分析了故障产生的原因，提出了排除故障的措施，使空分设备的运行安全性和稳定性得到提高。

关 键 词：仪电控故障；机械故障；工艺故障；原因；措施

1 引言

在制氧机的运行过程中发生过许多故障，严重制约着钢铁厂、化工厂等大型企业生产链条的顺利运作，给企业造成的各种损失也是巨大的。因此快速分析解决制氧机运行故障，采取有效措施避免故障的发生非常重要。

制氧机的运行故障分为仪电控故障、机械故障、工艺故障三大类，这三大类故障是互相联系互相影响的，下面单独阐述各类故障，总结各类故障的互相影响，从而达到准确分析、判断、处理故障的目的。

2 仪、电控故障的分类

为了确保制氧机的安全稳定运行，仪、电控系统的设计是非常周到和周密的，所以在一般情况下大多制氧机故障都是由仪电控故障引起的。所以我们在分析故障时首先想到的应该是仪电控故障。进而再考虑这种仪、电控故障又会导致怎样的机械和工艺故障。

2.1 失灵引起的故障

当仪控装置失灵时，常常会伴随着机械和工艺故障。例如：2005年7月30日，某气体公司21000m³/h制氧机调试过程中，膨胀机A的后轴瓦损坏故障，是因控制增压端的旁通阀的仪控失灵，当膨胀机的进口导叶打开时，而旁通阀没有关闭，导致膨胀端旋转起来，而增压端没有进气，膨胀端产生的后推力增压端没有抵消，转子位移过大，造成膨胀机的后轴瓦损坏。这是一起仪控失灵引起的机械故障。再举一例仪控故障引起的工艺故障，2010年5月31日前后，某气体公司21000m³/h制氧机1^#膨胀机转速在DCS上的指示(向下)波动大，最小变为零。同时膨胀空气进上塔流量(向下)波动大故障。原因由于仪控故障导致膨胀机导叶失灵造成膨胀量波动，进而影响到进上塔膨胀空气量波动。使上塔工况受到了影响。

2.2 设定值引起的故障

仪控设定值一般在安装阶段根据制氧机制造厂家资料及运行经验在设备调试阶段基本确定，没有特殊情况一般不再修改，往往由于外部条件的改变有些设定值不再适合，从而它所控制的部件出现异常，导致空分装置不能正常运行，一般表现为不该停的地方停了，不该开的地方开了，这种情况如果发现仪控、机械、工艺参数都没有异常，就应该考虑设定值是不是大了或小了，例如：2004年夏季，某气体公24司12000m³/h制氧机空压机放空阀持续两天关不严，造成空气量大量流失，使空分无法正常工作，原因就是夏季空气密度小，压缩后空压机流量降低，当低到空压机防喘振设定流量值时，放空阀便自动开到一定程度使空压机后压力下降以避免喘振，达到保护空压机安全的目的。将防喘振流量值根据当时的具体情况适当调小，阀门便自动关闭。但到冬天必须将其调回冬天的设定值。这种情况2008年夏季,在某气体公司21000m³/h制氧机也出现过。

2.3 连锁故障

设备的安全保护系统———连锁系统，是仪控电控共同完成的，仪控提供信号，电控执行动作，使设备停止运转。在运行参数出现异常情况时，为避免设备损坏故障发生，仪控将停运信号传给电控，电控将所控制的部件停运，起到保护设备作用。连锁一旦动作在没解除的情况下，设备就不具备开车条件，也就是启动不起设备，所以在将设备正常运转的不利因素消除后，再次启动设备时，必须先将仪控电控部件复位，才能开起设备来。没复位该灭的指示灯没灭，该亮的指示灯没亮。电控表现为已跳得闸没合上，或已动作的继电器没复位等。检查仪控柜和电控柜将上述该复位的部件恢复，设备才能开启。例如：2006年，某气体公司21000m³/h制氧机发生的一起电网不稳造成的空压机停机故障，当时由于外部电网电压不稳造成空压机电机电流波动，从而使转速波动，导致流量波动超出防喘振设定值，防喘振连锁动作空压机停机。在排除停机故障过程中，收集到的报警信号都是电机电网方面的，大家都把注意力放到电机控制上，所有的电控部件复位后，可电机还是开不起来。就是忽略了仪控的复位问题，当时仪控的防喘振部件指示灯没有灭，将仪控防喘振部件复位，指示灯灭，仪控便解除了送给电控的停电机信号，电机就能顺利开启了。再者，在某气体公司12000m³/h制氧机空压机电控系统改造前，常常出现空压机跳车后启动不起来故障，多数原因都是继电器没有复位造成。

2.4 仪控传送错误信号故障

仪控信号在制氧机行业一般是电流信号，只有从模块传送到计算机的信号是数字信号。当信号传送错误时，将导致设备的停运，例如：在以前仪控系统没有安装避雷系统时，，每到夏季打雷，设备停运故障发生频繁，原因是打雷时雷区在制氧机附近，地面就形成一个巨大的磁场，在仪控传送线路中感应出强电流，当电流值超过设定值上限对应的电流值时，线路传给电控的信号就是停机，这种停机故障与仪控电控以及运行参数都没有关系，完全是由于外部磁场变化造成，将仪控电控系统复位就可以顺利开启设备了。此外，在仪控线路附近铺设电缆，也会在仪控传送线路中感应出电流。

2.5 部件损坏不传送信号导致的故障

当仪控部件损坏时也会造成开停机故障，部件损坏，仪控部件就不能将仪控信号传送给电控，设备也就不能开停，这种情况一般表现为在仪、电控柜上缺失仪控和电控信号。例如：2008年，某气体公司12000m³/h制氧机空压机在林德公司服务人员的协助下进行的大修，修后发现空压机开不起来，连续开了多次都是开车后就自停，当时外接的仪控信号检测微机没有信号显示。原因就是在吊装空压机过程中将安装在电机转轴一端的测速信号感应器捣毁，此感应器为电磁感应器，在电机转轴上安装有磁铁，电机轴每转一圈，磁铁转到感应器时，感应器便感应出电流并传送到仪控柜模块中，模块根据单位时间收集到的电流信号次数来运算出电机的转速信号，再将此信号传送到电控柜，控制电机的软启动过程和挂励磁过程，没有电机转速信号传来，软启动过程就无法实现，电机当然就启动不起来。电机挂不上励磁一般也是仪控信号没传过来造成。

3 机械故障的分类

3.1 设备部件损坏造成的故障

这种故障一般情况有两种原因造成：仪控部件失灵造成，比如在前面仪控失灵故障中陈述的情况，再一种就是当设备跳车后，没有找出跳车原因而解除连锁进行开车操作造成，这种情况下就会造成设备机械部件损坏故障，设备的非正常停运都是仪控电控系统发现设备的运行参数不在安全运行范围内而令设备停运的一种保护动作，设备不会无缘无故停运的，当设备非正常停车时，要仔细查看报警信息，确定设备可能存在的故障，一一排查，直到将原因找到，故障排除后方可启动设备，否则有可能导致严重后果，例如：2006年，某气体公司21000m³/h制氧机大齿轮损坏故障，原因就是在空压机运行过程中啮合在大齿轮上的主油泵齿柱松动后油压下降到停车值，空压机油压控制连锁动作，空压机停车，而在没有排除油泵齿柱松动故障情况下，就解除连锁开车，结果主油泵齿柱不固定随大齿轮转动而摆动，导致大齿轮损坏。

3.2 部件磨损、卡阻、动作不到位造成的故障

3.2.1 部件磨损

部件内落入铁锈灰尘或用时间久了，都会造成部件磨损。比如氧压机的活塞环，活塞环的作用是防止活塞和缸壁接触以及密封而设置的部件，活塞环用时间久了就会因磨损而起不到隔离密封作用，当氧压机进排气压力不在规定范围以内时，或活塞环磨损报警器报警时，就要及时分析原因，确定活塞环确实磨损后，即使运行正常也要定期检修，否则就会造成氧压机撞缸事故。

3.2.2 部件的卡阻

部件的卡阻多数发生在阀门，当阀门落入珠光砂，有水分、二氧化碳冻结生锈等异常情况时，阀门通常表现为开关不到位。

3.2.3 动作不到位或不动作

这种情况一般发生在某部件通过另一部件传来的力而完成开关动作的部件，当传动系统出现问题时，部件便不能实施开关动作。例如：薄膜阀是靠气源压力来开关的，当气源压力不足时就无法开关。有传动部件的当传动部件出故障时也实现不了开关动作。例如：2008年，某气体公司12000m³/h制氧机大修试车过程中，发现空压机流量大幅度波动，原因就是进口导叶转轴空程，转轴无法将薄膜阀传来的力传给导叶，导致薄膜阀动作而导叶开度不同步故障。

也有仪控设定值引起的动作不到位故障，比如在前面仪控设定值故障中提到的某气体公司12000m³/h制氧机防空阀关不严故障。

3.3 润滑油异常造成的故障

油在机械设备运转过程中起到润滑、传递热量、密封等作用，当油系统出现故障时，将导致设备不能运转或造成机械部件损坏故障。油的故障一般表现为油温、油质、油压异常引起的故障。

3.3.1 油温、油质

油温高报警时，一般为油冷却系统效果不佳或油膜不稳使设备的转轴与轴瓦之间产生摩擦放热太多造成。油温低开不起车时，是油加热系统故障。油膜不稳一般是设备振动值超范围或油质下降，油温升高时油变稀，油的粘度不够而无力托起转轴从而导致转轴振动，转轴一振必然引起油膜不稳。

3.3.2 油压

油压的高低与油的加压系统和油温分不开的，油过滤器堵塞和油温升高都会引起油压降低，油压低于设定值时，连锁系统就会动作使设备停运。油压低信号传递不畅将导致设备损坏或无法开启设备。

例如：2006年，某气体公司21000m³/h制氧机空压机因油泵开不起而导致空压机开不起故障，当时就是仪控系统的油压低信号没有传递过来，使辅助油泵电控系统的开关无法合上，辅助油泵的电机无法通电，导致空压机无法开机。

4 工艺故障

工艺故障大体由流量、温度、压力、浓度不在规定范围内造成。引起工艺参数不在正常范围内的原因是多方面的，仪控故障、机械故障都会引起工艺参数的非正常。一般情况是通过分析参数的趋势曲线来确定故障原因以及设备目前所处的状况，从而确定处理方案。

4.1 流量

是针对液体和气流的变化，当介质流量发生变化时，塔器中的工况一定会发生变化，当流量不在规定范围时，将导致设备故障的发生，比如在空冷塔中空气流量大幅度变化时，就会使气流带水造成分子筛进水事故。在空分塔中进出气体流量的波动都会引起精馏工况的波动和恶化，严重的导致精馏工况破坏。在压缩机正常工作的情况下，流量的变化是由流路是否畅通决定的，出问题时要检查此流路中所有阀门、换热器、管道是否畅通。例如：2002年，某气体公司9000m³/h制氧机投产调试过程中，产品氮气放不出故障，原因氮气产品管路破裂珠光砂进入过冷器堵塞氮气通道所致。

4.2 温度

温度的变化除受外界环境的变化影响外，多数与换热效果和流质的流量联系在一起，当换热效果差和介质流量变化时，流质该升温的升不起来，该降温的降不下来，从而破坏工况，温度非正常情况一般从介质流量和换热效果来考虑，如果流量正常，那么就是换热效果差。例如：2002年，某气体公司9000m³/h制氧机气氧产品产量不达产故障，此套设备建成投产后，持续半年气氧产量在8000m³/h左右，与设计产量8700m³/h的目标差700m³/h的量，但是液氧产量多，液氧流量值是1350m³/h(设计量650m³/h)，氧纯度能达99.8%以上。当时空气量是44600m³/h都能吃进塔内，根据空分物料平衡：

K=y_氮－y_空氮/y_氮－y_氧氮×M

式中，K———氧产量；

y_氮———氮纯度11×10^-6=99.999%；

y_空氮———空气中的氮纯度79.1%；

y_氧氮———氧气中的氮纯度1－99.8%=0.2%；

M———加工空气量44600m³/h。

K=99.999%－79.1%/99.999－0.2%×44600

  =9350m³/h

通过以上计算可知氧产量是9350m³/h与设计产量9350m³/h(液氧+气氧=650m³/h+8700m³/h=9350m³/h)相符，所以既然44600m³/h的空气量都能吃进，产品产量就能达产，只不过生产气氧量少而液氧量多，此装置是内压缩流程，气氧不达产的原因只能是液氧泵流量不足或主换热器热负荷不够，而液氧泵的设计流量是192L/min(11.25m³/h)，换算成气氧量为：11.25×800=9216m³/h(在标准状态下1m³液氧能蒸发800m³气氧)，液氧泵的设计流量足够压送8700m³/h气氧量，只能是主换热器热负荷不够，在操作上只能是尽量提高增压压缩机的排气量和排气温度，来提高主换热器的热负荷，尽量多蒸发液氧提高气氧产量，经过对增压压缩机的排气量和排气温度的调整，此套制氧机达产。

再举一个换热效果差导致工况破坏的例子：1999年，某气体公司6000m³/h制氧机主换热器热端温差扩大故障，当时制氧机无法运行历时20多天，原因就是主换热器内有异物影响换热效果，采取反吹主换热器措施，吹出大量分子筛粉末和一些石棉板碎片后设备恢复正。

此外，对液体输送系统，液体流量超值，汽化器无法将液体全部汽化，低温液体就会进入管道导致碳钢管道遇低温冷脆炸碎。以前某气体公司6000m³/h制氧机和12000m³/h制氧机在送液氧时液氧阀门开得太大出现过这种情况，这种系统都会安装报警系统，注意检查报警系统使其正常工作就能避免类似情况的发生。阀门开关尽量采用自动，特殊情况下手动。

换热效果差还表现在粗氩塔氮塞和精氩塔冻结等故障，粗氩塔氮塞时粗氩冷凝器的换热温差缩小氩蒸汽液化量明显减少，粗氩塔阻力降低，冷凝器中液空不能被蒸发而导致液位上涨。这是氩馏分含氮量高使氮聚集在粗氩冷凝器不能液化也没能随粗氩进入精氩塔而形成的氮塞，采取以下措施：(1)关小粗氩塔液空注入阀降低粗氩塔液空液位。(2)减少产品氧取出量，提高氩馏分的含氧量，有利于粗氩冷凝器排氮和提高氩蒸气温度，加快液空蒸发使液空液位尽快回恢正常。(3)打开粗氩塔放空伐进行排氮，一方面可防止氮的集聚，另一方面粗氩流量大可以加强冷凝器换热，使液空液位降到正常水平。经过这几项措施氮塞故障排除。为避免粗氩塔氮塞的发生提出预防措施为：(1)保证氩馏分的含氩在6%~10%，氧90%~91%。(2)主冷液位避免大幅波动。(3)上塔压力不能提高过快。总之主塔的工况要稳定，不能进行大幅度调整以确保氩馏分组分在正常值范围内。

4.3 压力

压力的变化主要决定流质的受阻情况和外力加速状态，当压力超过容器的耐压最大值时，将导致容器的爆炸事故发生，因此压力的变化是不容忽视的，一般气体容器上都设有安全阀，超压时会自动起跳达到降压目的。压力对工况的影响主要在空冷塔和分馏塔，压力低时会造成空冷塔和分馏塔悬液，影响换热并能造成出塔气流带液，严重影响正常运行。比如膨胀机机后带液、分子筛进水多数是液悬造成。再者，在分馏塔中，气体分离效果受压力波动影响，在规定压力下气体分离效果好，提取率就高。

4.4 浓度

浓度变化引起的故障，在制氧机运行中主要表现在，水系统加药、结垢和分馏塔中碳氢化合物、氧化亚氮、乙炔、氮窒息、氧气助燃几方面。

4.4.1 水系统加药

水系统加药过量会形成大量泡沫，导致空冷塔工况异常而造成分子筛进水故障，也会造成水泵氯化锌结晶，药量不够，会导致换热器结垢、生锈、滋生藻类。例如：2002年，某气体公司6000m³/h制氧机螺杆冷冻机结垢故障，当时冷冻机安装投运半年后，冷冻机冷凝侧及管路内壁都发现白色结晶体，取结晶体进行化验分析，其主要成分是钙、镁离子等沉淀化合物，时间越长，结晶体越厚，经常造成冷凝压力过高而频繁跳车，致使出空冷塔气体温度高达20℃，使系统无法连续长周期运行。既然结晶出的白色晶体是钙、镁离子等沉淀化合物，说明这主要是由于水质太差，冷凝器结垢导致换热效果差，降低了冷冻机效率，使冷冻水温度升高，造成进分子筛空气温度急剧升高，由于冷冻机氟利昂液化不完全，汽液混合物被大量吸入压缩机，致使压缩机液击，严重时会使设备损坏。

4.4.2 碳氢化合物、氧化亚氮、乙炔

碳氢化合物、氧化亚氮、乙炔超标会造成液氧通道和容器的爆炸事故，所以每天必须检查化验，发现超标及时做排液处理或吸附器加温再生处理。

4.4.3 氮窒息

氮窒息发生在氮浓度高的地方，以前某气体公司在检修3200m³/h制氧机自动阀箱时，曾发生过检修人员氮窒息事故，因此在检修过程中有氮气的管道和容器必须先切断氮气并置换检测合格，再进入人员。

4.4.4 氧气助燃

氧气助燃主要是指动火作业，必须严格检测氧气含量低于22%方可动火。

5 结束语

制氧设备三大类故障互相联系、互相影响。一般情况下，先考虑仪控故障及这种故障将导致的机械和工艺故障。当然很明显的操作故障，就不用多考虑了。许多问题的思考，都是在过去经验基础上，再结合现实情况灵活思考，达到活学活用，才能出现创新思路，固定在旧的模式上思考问题，会影响故障的及时、准确处理。