某氮氧站聯鎖停車故障分析研究

楊曉靜 楊潞鋒 王天祥 陳 強

（航天低溫推進劑技術國家重點實驗室，北京 100028）

1 概述

為保障某型火箭的推進劑加注需求，在某發射場配套建設了氮氧站。氮氧站空分裝置采用成熟的分子篩凈化、串聯增壓雙膨脹、空氣循環制冷、雙塔精餾工藝流程，采用一套帶增壓透平膨脹機和循環壓縮機的分子篩吸附流程的全精餾空分裝置，具備液氧3.5m3/h或液氮5m3/h的生產能力。本文主要對在某型火箭首飛前推進劑生產時出現的氮氧站突然聯鎖停車故障進行分析研究，確定故障原因，為故障的解決和后續任務的生產保障提供參考。

2 氮氧站空分裝置工藝流程

原料空氣在空氣過濾器中去除灰塵和機械雜質后，進入原料空氣壓縮機壓縮，并由冷卻器冷卻；進入空氣預冷機組降溫后，再進入兩只相互切換使用的分予篩吸附器，吸附掉空氣中的H2O、CO2、C2H2等有害雜質。凈化后的加工空氣與部份膨脹后復熱的空氣混和，經中壓空氣壓縮機壓縮，抽出一股進主換熱器換熱，冷卻后抽出進高溫膨脹機膨脹，膨脹后返流空氣經主換熱器復熱后回到循環空氣壓縮機前。另一股經高低溫膨脹機兩次增壓后進入冷箱，經主換熱器冷卻后的空氣一股從主換熱器中部抽出，進入低溫膨脹機膨脹后再分為兩部分，其中一部分送入下塔，另一部經主換熱器復熱后出冷箱回到循環空氣壓縮機前；另一段空氣進入主換熱器后，被返流產品氣體冷卻后經節流進入下塔。

空氣經下塔初步精餾后，在下塔獲得液空、污液氮和純液氮。從下塔抽取液空、污液氮和純液氮，經過液空液氮過冷器過冷后節流進入上塔不同部位。經上塔進一步精餾后，在上塔底部獲得純度為99.6%的液氧產品出冷箱送往液氧貯槽。也可抽取一部份液氮作為產品出冷箱。從上塔頂部獲得污氮氣，經過冷器、主換熱器復熱后出冷箱，進入電加熱器作為分子篩的再生氣體，多余部分放空。

空分裝置工藝流程如圖1所示。

圖1 空分裝置工藝流程簡圖

3 故障情況及分析

3.1 故障情況

某年8月11日，氮氧站開機生產液氮，故障出現前生產過程正常，同年9月18日01時28分，在生產負荷、工藝控制參數正常狀態下，循環壓縮機突然自動卸載停機，聯鎖作用下，空分裝置聯鎖停車。停車后，調取各設備運行狀態參數，循環壓縮機二級壓縮機入口溫度TE120溫度由45℃上升至74.4℃，超過聯鎖報警設定值，高溫報警，聯鎖循環壓縮機停車，由此導致整套裝置停車。

3.2 故障定位及原因分析

3.2.1 故障定位

根據故障情況，可知整套裝置停車的直接原因是循環壓縮機二級壓縮機入口溫度TE120高溫報警，聯鎖循環壓縮機停機，并由此導致空分裝置停車。要確定裝置停機，需分析導致循環壓縮機二級壓縮機入口溫度TE120溫度超高報警的各種可能原因。結合系統工藝流程，TE120溫度超高報警的原因如下：TE120溫度傳感器自身故障；循環壓縮機入口進氣溫度高；氣體在循環壓縮機內溫度升高。

（1）TE120溫度傳感器自身故障

裝置停車后，通過調取循環壓縮機停機前的運行趨勢，TE120溫度傳感器測量溫度維持在45℃，停車后，TE120溫度傳感器測量溫度為設備停放環境溫度，可以排除TE120溫度傳感器自身故障原因。

（2）循環壓縮機入口進氣溫度高

裝置停車后，通過調取循環壓縮機故障前上游各溫度測點的氣體溫度運行趨勢，氣體溫度維持在45℃以下，可以排除循環壓縮機入口進氣溫度高原因。

（3）氣體在循環壓縮機內溫度升高

裝置停車后，調取生產記錄，檢查故障前壓縮機冷卻水循環系統供水情況及壓縮機工作電壓、電流，均處于正常狀態，可排除循環冷卻水系統故障及壓縮機工況變動導致氣體溫升的情況。調取閥位動作趨勢記錄，MS1202分子篩入口V1214閥出現過非正常打開，打開~2s后，循環壓縮機電流值由~130A開始下降，循環壓縮機卸載，系統壓力由0.5MPa泄壓至~0。調取DCS系統報警記錄，發現壓縮機卸載后，分子篩再生氣體流量小于1500Nm3/h，低流量報警；精餾塔上塔壓力高于73kPa，高壓報警；期間壓縮機二級壓縮機入口溫度TE120溫度由45℃逐漸上升至74.4℃，高溫報警。

綜合上述數據及情況可確定在故障發生時，由于MS1202分子篩入口V1214閥非正常開啟，正常狀態下進入循環壓縮機的氣體流量~23000Nm3/h，實際進入循環壓縮機的氣體量~18000Nm3/h，迅速降為0Nm3/h，大部分氣體經V1214閥排放，在壓縮機功率不變的情況下，氣體在壓縮機內增壓升溫至74.4℃，導致高溫報警。同時由于2個分子篩共用一根放空管，自MS1202分子篩V1214泄出的大量氣體占據放空管，導致MS1201分子篩的再生氣流排放中斷，精餾塔上塔壓力出現驟升，高壓報警。因此，導致循環壓縮機停機的故障原因可確定為MS1202分子篩入口V1214閥非正常開啟導致循環壓縮機因二級壓縮機入口溫度超高報警聯鎖停機?，F需要進一步確定V1214閥非正常打開的原因。

3.2.2 原因分析

為去除原料空氣中的H2O、CO2、O2等雜質，本空分裝置設置了兩套分子篩吸附器MS1201及MS1202，成對交替使用，通過氣動閥開關控制，實現一只工作、另一只再生，分子篩吸附器工藝流程圖（見圖2）。出現故障時，MS1202處于工作狀態，MS1201處于再生狀態。MS1202入口的V1214閥主要用于MS1202再生時，將污氮引入MS1202，進行分子篩的活化，在裝置啟動前，也可用凈化空氣進行分子篩吹除。在MS1202分子篩吸附器處于正常工作狀態時，V1214閥應處于程序關閉狀態，來自預冷機組的空氣自V1202凈化后去往循環壓縮機，加壓后送往下游裝置。該閥門為氣動閥，由二位五通電磁閥控制閥門操作氣的輸送，進行的閥門開閉操作。二位五通電磁閥采用單電控電磁閥，供氣正常下，加電，氣動閥門打開，斷電，電磁閥在彈簧作用下復位，氣動閥關閉，電磁閥線圈兩端電壓為0V。

圖2 分子篩吸附器工藝流程圖

現場V1214閥及DCS控制柜控制線路原理圖如圖3所示。DCS控制柜中FA模塊用于巡檢來自現場的開關量，將收集到的開關量送給DCS的DI模塊，正常由DCS的 DI（數字量輸入）模塊供24VDC或者單獨由24VDC供電（兩路同時供電存在不良影響）。FB模塊用于接收DCS-DO模塊的控制信號啟閉繼電器KA給相應氣動閥門電磁閥供電或斷電，由24VDC供電。在正常工作狀態下，當DCS-DO模塊發出加電信號，FB模塊繼電器KA1閉合，V1214閥電磁閥形成通路，電磁閥線圈兩端電壓為24VDC，當DCS-DO模塊發出斷電信號，FB模塊繼電器KA1斷開，V1214閥電磁閥通路斷開，電磁閥線圈兩端等電勢，電壓為0V。本應關閉的閥出現非正常打開表明V1214閥電磁閥非正常加電，電磁閥線圈兩端有電壓，V1214閥不受程序控制，非正常打開。在排除了電磁閥自身故障后，檢查外部環境影響因素。在停車狀態下，分子篩所有閥門全部關閉（即所有閥門線圈為斷電狀態），用萬用表直流電壓檔，測量V1214線圈兩端，發現有16VDC電壓，在DCS控制柜內，安全隔離柵輸出側將V1214閥與現場斷開后，V1214閥線圈兩端16VDC 電壓消失，可判斷該16VDC 電壓來自中控室DCS柜。檢查DCS控制供電系統，確認該16VDC電壓來自DCS柜子的FA模塊。由圖3可知，在FB模塊的繼電器斷開下，V1214閥的電磁閥線圈正負極間電位差本應為0，而實際上出現了電位差，電路已經形成了通路。V1214閥的電磁閥線圈與DCS-DI模塊-16V負極連接，當電磁閥線圈正極與地導通時，正極電勢為0V，電磁閥線圈兩端的電位差為16V，與實測情況相符。對比裝置正常生產和出現故障時的生產條件：裝置本身并無變化，出現故障時外部環境條件的變化是正值雨天?，F場檢查防爆接線盒，接線盒內進水，接線端子與盒體間的絕緣已被破壞，與大地形成通路，符合理論分析與實測情況。更換防爆接線盒后，故障消失。由此可確定裝置出現停車的原因是V1214閥電磁閥防爆接線盒受潮進水導致絕緣失效，而引起的V1214閥異常打開，導致循環壓縮機吸入氣量減少，二級壓縮機進口溫度高溫報警聯鎖循環壓縮機停車，進而導致整套空分裝置停車。

圖3 V1214閥及DCS控制柜控制線路原理圖

4 整改措施及效果

根據故障原因，對裝置進行相應整改。

（1）更換防爆接線盒，調整防爆接線盒的進出線，防止水分進入或積聚。（2）取消FA模塊的24VDC供電，確保FA模塊接線正確。（3）舉一反三，復查整套裝置氣動閥門的接線狀態，更換可能存在問題的部件。

裝置整改后，重新啟動，連續生產1個月，期間有多次雨天及晴天交替，裝置均正常運行，未出現故障。

5 結語

通過對某氮氧站聯鎖停車故障進行分析研究，并進行實測驗證，確認氮氧站出現聯鎖停車故障的原因，據此進行整改，取得了良好的效果。根據故障發生的情況，結合當地的環境條件，在后續任務的生產保障過程中，建議在生產前對裝置的室外電氣設備、電氣接口以及接地電阻加強檢測，及時發現故障隱患和整改，在生產過程中，特別在雨季加強對室外電氣設備防護。