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1、VPSA制氧设备的检修体系化管理和优化高博，辛庚嘉（阳谷祥光铜业有限公司，山东聊城252300）。引言变压吸附制氧工艺（VPSA）具有启动快、能耗低、操作简单、负荷运 转调整范围大及维修简单等特点，目前已经广泛应用于有色金属冶炼、 黑色金属冶炼、化工造气、富氧燃烧、医疗、污水处理、纸浆漂白、 碳黑生产、医用保健等领域。以其在减少占地面积、节省总体投资、 降低成本、节约能耗的独特优势帮助企业生存发展。2022年7月，祥光铜业制氧车间引进了 4套VPSA系统，其设备主 体包括鼓风机、真空泵（含电机、减速机）、液压泵站、程控执行机 构、管道氧气增压机、循环水水泵等。在实际运行中，VPSA系统存在一些
2、问题，如电耗值大、程控阀故障 率高等，无法满足工艺需求。如此大规模的VPSA变压吸附系统在国 内的制氧设备中尚属首例，而在国内的变压吸附空分设备系统中，都 存在着能耗较高的情况。进一步优化设备组合配置，并通过有效的设 备维护和改进，减少设备故障率，提增系统产能，对VPSA系统深层 次节能降耗，设备常态化生产运行有着重大意义。针对VPSA变压吸 附系统中机械设备的优化展开研究，通过优化设备选型，设备常态化 维护等诸多方面进行剖析，改善设备单位耗能，使设备持续平稳运行。1 VPSA主要机械设备类别及功用类别及功用VPSA制氧系统主要包括鼓风机、真空泵、切换阀、吸附器和氧气平 衡罐。（1）鼓风机：鼓
3、风机在风口处装有管道，使风力集中，持续提供一 定的供气压力，为制氧提供条件。鼓风机为整个系统提供原料空气, 根据变压吸附制氧设备的设计工况，结合用户的使用条件，选择排气 压力符合设计条件的鼓风机供气。（2）真空泵：其工作时需要前级循环水泵的配合，可以在较大的压 力范围内有较大的抽速，对氧气中含有的灰尘和水蒸气不敏感。通过 水环式泵体的真空度调整，结合泵的连续旋转，以保持真空。真空泵 保证吸附系统正常解析，使其处于理想真空状态，与鼓风配合，使整 体设备能完成连续吸氮产氧工作。（3）切换阀：为安装在储冷气热端的气动开关阀。该装置可以有效 避免低压装置的损坏，可以满足高低压测试需要。（4）吸附器：该
4、系统由2只内装沸石分子筛吸附剂的吸附塔和管道 阀门等组成。工艺空气从其中一只吸附塔底部进入，当流经吸附剂层 时，空气中的氮气、二氧化碳、水蒸汽等被吸附，氧气则通过吸附床 层汇集到吸附塔顶部作为产品气输出。与此同时，另一只吸附塔处于 再生工况，当进行吸附的吸附塔快达到吸附饱和时，在控制系统的干 预下，工艺空气转而进到已完成再生的吸附塔开始吸附产氧。2只吸 附塔如此交替轮流实现连续生产氧气的目的。（5）氧气平衡罐：由于两塔流程的VPSA制氧工艺与三塔流程相比， 其产品氧气输出不连续，因而需要1台体积较大的缓冲罐，以满足 连续输出氧气。1.1 关键设备运行分析VPSA真空变压吸附制氧设备主要为：鼓风
5、机系统、真空泵系统、仪 表气系统、氧氮分离系统、氧气平衡系统、氧气增压系统以及电气控 制系统。鼓风机系统在运行时不可避免地产生较大振动，为了降低振 动对后续设备的影响，也为了降低振动产生的噪声，在鼓风机的进出 口要安装配对的弹性接头以及波纹管接头。真空泵系统包括真空泵主 体及配套电机、旁路气动切换蝶阀及手动蝶阀、波纹管接头及密封软 化水装置等，它的存在是为了在负压真空状态下有更好的解吸再生效 果。仪表气在自动控制切换过程中，气动蝶阀和气动调节蝶阀需要 0.5-0. 8 MPa的仪表气源作为气缸驱动力，因而要保证仪表气源的 气压是关键。氧气平衡系统是为了减缓吸附塔压力波动过大和稳定产 品气压的主
6、要措施。氧气增压系统主要对产品氧气进行增压以达到用 户用气压力并输送给氧气储罐。在生产中，上述设备都要保证能够正 常运行，不被污染，没有被堵塞，可调节氧气的流量，以免发生意外。 2设备优化改造（1）对真空泵运行系统进行改造。现有真空泵为水环式真空泵，设 计抽气能力为57 600 m3/h,电机功率为1250 kW,为目前国内最大 的真空泵。由于负荷大，轴承使用寿命短，只有12个月左右。通过 重新设计，改变真空泵轴承座结构及加工方式，将轴承寿命提高到 18个月。同时根据真空泵工艺逻辑对减速机进行速比改造，降低系 统损耗296,每年可节约用电2000 kW - ho(2)对鼓风机系统的改造。目前鼓
7、风机的运行参数为54 000 m3/h, 电机功率为1400 kW,采用二元流叶轮设计方法。经研究决定采用更 优化的三元流风机设计方法，在不改变鼓风机主体结构的前提下对鼓 风机叶轮进行重新设计，改造后鼓风机的流量将提高到65 000 m3/ho(3)三偏心程控蝶阀参照工艺实际，部分调整为中线对称阀体，为 国内大型变压吸附技术的发展提供新的实践参考依据，促进VPSA在 冶金行业的应用和推广。(4)液压程控系统的优化改造。目前配置：阀组，单一换向阀；主 油缸推动辅助油缸；蓄能器，10 MPa,为系统配置。优点：反应速度 快。缺点：单一执行器的压力不可控，压降较大，稳定性无法保证； 冲击力大，会牵制
8、于主油缸的阻塞而导致阀组的不动作。增加项目：减压阀(外泄式)、压力表、液控单向阀、单向节流阀、 电磁阀电源线等其他附件对应配套。更改项目：三位四通换向阀、双 缸体平行式供油，增加液压软管，三通接头。优点：稳定供压，不因 外界压降导致单一执行系统的动作不到位；增强动作协调性和可控性; 所有液压系统执行装置可根据自身扭力需求调整压力。要求：保持液 压油的清洁，定期更换液压油；保证液压焊接位置的密封性；系统压 力提升后，其他执行器工艺位置也需要增加减压阀，以防止由此可能 造成的高振动；目前系统允许调压到10 MPa,可以保证目前改进的 基础。3设备基础维护与系统性维修1离心式鼓风机（1）故障及原因：
9、用电中断后，负荷侧轴承合金被烧毁。主要原因 是润滑油站油压不足导致润滑不良。（2）处理方案：更换负荷端轴瓦：按照装置安装手册技术规格， 顶部间隙为0.180.24 mm,推力间隙0. 300. 50 mm。解体检修对 新轴瓦进行研刮，转子连续旋转几次，以确保轴瓦落位良好，涂红丹 粉检查该位置，轴瓦与轴的接触面积在70%以上，尖端间隙测量垫 0. 20 mm,推力间隙为0. 40 mm,满足技术要求；重新对联轴器找 中心：根据制造商的安装说明，要求该机组径向偏移公差0.06 mm, 轴向容差0. 06 mmo调整后径向偏差0. 045 mm、轴向偏离W0. 04 mm, 满足技术要求。1.1 水
10、环式真空泵（1）故障及原因：4台减速机运行8个月后，内部出现异响，拆开 检查发现滚动轴承发生点蚀。原因有：润滑油污染、黏度改变，导 致润滑性能降低，滚动元件或滚道表面产生疲劳裂纹；4台减速机 的板式热交换器传热性差，经常堵塞，导致油温上升/油压力低，不 能保证设备的正常和稳定的操作。（2）处理方案：齿轮油抽样检验（理化和铁谱分析），发现运动黏 度为405 cSt （40 ）,严重超标（机油的黏度应为198242 cSt, 黏度指数70,没有达到规定标准，且含有大量2550 urn的金属粒， 存在质量问题。更换轴承，清洗循环油泵，并更换润滑油为美孚（IS0VG220）相同质量的黏度；原始换热器采
11、用了整体式设计，不 能进行清洗。根据现场水质，适当增加其散热面积（10%20%）,修 改为可拆洗板式冷却器，取得了良好的效果。1.2 关建设备基础维修制氧设备的最大原则是确保生产安全，保证设备的温度、压力、流量 处于正常状态。采用电气设备在线检测技术，以提高预测风险的能力。 提高转动设备的润滑，以保证设备的安全运行。VPSA系统发生故障往往是由于以下原因：阀门系统故障；振动 测量系统混乱;仪表空气故障;纯水系统中断；外部电网波动。 3.4设备检修管理设备并不是检查的越频繁，故障就越少，需要根据实际情况来制定检 修计划。对旋转设备采取状态维修模式，静态设备要采取定期巡检模 式。此外，根据保养维修
12、频率的影响，及时调整在线监测。根据实际情况，对VPSA制氧设备维修的管理进行研究之后，检修管 理安排如下：每季度开展对鼓风机和真空泵减速机的润滑排查，重 点为风机轴瓦和减速机齿轮点蚀情况；季度开展对吸附塔A/B的 维护，重点为各处阀门阀杆，执行器齿轮齿条等；每年开展对程控 阀检测维护，重点是检查阀板、密封、执行机构磨损、卡涩情况等, 并对其进行优化调整;每年对DCS、仪控设备等开展一次综合排查， 重点为更换老化元器件、运行记录维护、程序备份确认等；每年对 真空泵轴承、减速机、液压站、稀油站油品进行检测更换，每季度对 以上润滑部位进行补油。4总结VPSA系统在运行中会受到各个方面的影响。当前对VPSA的研究多数 是在具体工作中，实验研究影响其工作效率的具体参数。本文介绍了 VPSA的优化研究，针对企业实际用氧需求、在不改变主 要设备主体的前提下，利用空气动力学、机械原理、自动化控制、流 体动力学、热力学等相关理论工具对现场设备进行重新设计改造，以 达到降低能耗、提高设备寿命的目的。