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user: 2. 故障分析 甲醇制氢系统为多个系统组成的成套化工生产装置，任何一个环节发生故障，均会导致产品氢气无法满足产量和质量的要求，通过故障分析和解决措施的梳理，整理了下述三个分系统： 1) 导热油循环系统 导热油加热循环系统，为甲醇制氢工艺过程的甲醇裂解转化工序提供稳定的热量来源。 ① 压力波动 故障现象：甲醇制氢生产过程中，导热油循环系统压力正常运行状态为小幅波动，如图1所示，当其数值出现大幅度不规律的波动，如图2所示，导热油泵的压力运行曲线异常，呈不规律振动，生产现场的油路、管道、压力表及控制趋势图均能反映导热油系统压力波动，此类波动影响甲醇裂解转化工段所使用温度的稳定性，波动频繁幅度较大会导致油温忽高忽低，影响甲醇制氢系统压力平稳，造成产品气量、质量的不稳定，同时缩短催化剂的使用寿命，甚至直接导致系统连锁停车的严重后果。 图1. 导热油入口压力正常状态 图2. 导热油入口压力异常波动 原因分析及解决措施：详细排查生产现场管道、压力容器、阀门等是否存在无漏点，导热油循环泵入口部位的过滤器是否存在堵塞情况。 排查循环导热油所经过的油气换热系统，包含汽化器、过热器、转化炉的管程是否存在漏点，容器内的气体通过漏点进入导热油循环回路，导致气体混入导热油循环回路，造成导热油循环系统的入口压力数值紊乱。可采用便携式可燃气体检测仪，对导热油循环系统高位膨胀槽放空管的气体成分进行检测，如该处存在H 2 报警情况，则可断定造成上述故障的原因，再逐个设备排查，对应设备是否存在内漏的情况。 ② 点火失败 故障现象：无法完成自动点火流程，点火枪不着火 原因分析及解决措施： A. 检查上位机软件运行是否正常，现场比对各个工位控制阀门是否可以正常操作开闭； B. 检查控制柜的可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，以下简称PLC)运行是否正常，有无报警连锁发生，相应的控制阀未复位的情况； C. 检查现场甲烷泄露连锁是否复位； D. 检查天然气供应压力是否正常； E. 检查仪表电路是否有松动虚接的情况； F. 检查风门控制阀是否正常打开关闭，风压是否正常； G. 检查点火路的电磁阀工作是否正常，火花塞打火是否正常，火焰检测器是否正常。 H. 检查仪表气压力是否在正常范围。 ③ 导热油泵异响 故障现象：导热油泵噪音大，存在异响、振动变大 原因分析： A. 导热油油泵电机轴承存在磨损情况，导致噪音大； B. 导热油油泵总成轴承存在磨损情况，造成噪音大异响； C. 导热油油泵电机与泵头安装时不同轴，传动轴不匹配，容易造成异响发生； D. 油泵电机联轴器梅花弹性垫磨损，或者橡胶件老化，运行时间长时，质量不佳的弹性橡胶垫产品(如图3所示)，连接部位较细，容易发生断裂或者破损，影响传动平衡，造成异响； 图3. 弹性橡胶垫 A. 电机电路元器件是否正常。 ④ 膨胀槽喷油 故障现象：加热过程中膨胀槽内的有机热载体导热油呈喷射状态喷出； 原因分析：导热油升温速度过快，导热油中的水分未能通过膨胀槽的放空管路进行释放脱除。 ⑤ 有机热载体导热油锅炉风压骤降 原因分析： A. 检查有机热载体导热油锅炉的进风口的风机是否处于正常工作状态； B. 清理风机进风口滤网处的杂物，自然环境中的树叶、飞鸟等物体会堵塞进风口，导致风量突然减少，风压下降； C. 检查风门机构是否正常工作。 ⑥ 解吸气投入有机热载体锅炉时燃烧器熄火 原因分析： A. 检查PSA系统工段的解吸气调节阀(如图4所示)是否正常，气动程控阀阀体内气缸运行不畅容易导致调节阀开闭异常，从而造成解吸气气量不稳； B. 检查解吸气的气路上安装的过滤器是否被杂物堵塞(如图5所示)，电磁阀零部件内O型圈、管路等部件容易堵塞； 图4. 电磁阀 图5. 电磁阀零部件 A. 检查进炉解吸气气路的电磁阀是否正常开启； B. 检查压力开关是否正常； C. 检查点火程序是否正常； D. 投入解吸气时，应当逐步缓慢投气，不可直接采用大开度投气。 2) 甲醇蒸气裂解转化系统 甲醇蒸气裂解转化系统，是将甲醇和脱盐水按照一定配比混合之后，经过高温汽化成甲醇蒸汽，后在催化剂和一定温度、压力的作用下，转化为氢气和二氧化碳的化学反应过程，其反应方程式见表1。 Table 1 The chemical reaction equation of methanol hydrogen productio 总反应 CH 3 OH + H 2 O = CO 2 + 3H 2 −90.7 KJ/mol 副反应 2CH 3 OH = CH 3 OCH 3 + H 2 O +24.9 KJ/mol CO + 3H 2 = CH 4 + H 2 O +206.3 KJ/mol 表1. 甲醇制氢化学反应方程式 生产过程中易发生的问题分述如下： ① 原料液流量不稳定 故障现象：原料液泵异响，原料液流量无法提升，且流量不稳定，如图6所示，流量趋势图观察，流量呈现明显波动趋势。 图6. 流量趋势不稳定 原因分析： A. 原料液泵的管道及阀门连接处漏液，造成流量下降； B. 原料液泵电机主体结构、油液、开度调节装置等部件存在异常情况，单向阀磨损等，造成原料液流量不稳定。 解决措施：开车过程中可切换使用原料液备用泵，排查管道阀门有无漏点，检查存在故障的原料液泵的电机、主体传动机构、轴承和润滑油液位的情况，拆卸原料液泵电机对应的上下两套单向阀，观察该阀座和支架的磨损情况，及时补充润滑油，更换磨损的电机轴承、传动轴、单向阀阀座、阀球、限位阀芯、柱塞及其柱塞密封组件等，可排除流量不稳的故障。 ② 故障现象：原料液浓度配比无法调节 原因分析：甲醇裂解转化的原料液为甲醇和脱盐水按照一定配比混合的溶液。原料液甲醇浓度的配比通过调节甲醇流量和循环液流量进行调节。原料液中甲醇的浓度应控制在30%~48%为最佳，出现无法调节的情况时，应及时检查 A. 甲醇流量调节阀是否存在卡顿现象； B. 现场安装的流量计是否指示正常； C. 上位机控制系统是否可正常操作开闭调节阀； D. 原料液泵是否能够正常供应原料液； E. 循环液管路的流量计、阀门是否正常工作。 解决措施：检查控制软件手动、自动设置调节阀是否正常，检查甲醇流量调节阀气源压力，清理电气转换器、调节阀阀杆存在的污垢，清除卡顿。 ③ 汽化塔液位过高 故障现象：汽化塔液位显示超过上限 原因分析： A. 汽化塔液位计上下截止阀未打开，造成液位指示与实际液面不符； B. 磁翻板液位计内的浮子被杂质卡住，无法及时反馈液位信号； C. 循环导热油温度过低，且进料量过大，造成汽化塔内液体不能及时汽化。 解决措施： A. 检查上下截止阀的开闭状态，并确保对应的截止阀内没有发生杂质堵塞等状况； B. 拆开液位计，检查浮子表面是否被杂质包覆，及时清理杂质； C. 适当调整有机热载体锅炉燃烧气量开度，提高循环导热油的油温，提高原料液的汽化程度； D. 适当调整原料液阀门开度，降低原料液的进料量。 ④ 故障现象：开车过程中汽化塔出现异常振动 原因分析：汽化塔塔内压力不稳容易造成塔身产生异常振动。导致压力不稳的原因是由于汽化塔在开车过程中，汽化塔预热温度过高，进料量太大，汽化塔压力升压快，与后续系统产生较大压差，原料液进入汽化系统的瞬间被大量汽化，压力波动导致塔身振动。 解决措施：甲醇制氢系统开车过程中，汽化塔预热至220℃时，开启原料液进料，同时将汽化塔放空阀完全打开，当放空阀处产生蒸气后，逐步关小放空，保持塔内0.2 MPa~0.5 MPa的压力，气量稳定后再进入PSA系统工段开车，并保持0.2 MPa~0.5 MPa压力，直到甲醇裂解转化系统全部设备完成开车操作后，逐步关闭汽化塔放空阀，缓慢升压至1.26 MPa，随后进入自动控制系统。 ⑤ 故障现象：汽化塔安全阀起跳 原因分析： A. 汽化塔安全阀整定压力偏低，造成实际使用过程中安全阀频繁起跳； B. 转化气调节阀故障，导致裂解转化系统憋压； C. 导热油的温度骤然升高，造成汽化塔的温度升高过快，内部压力升高过快，导致安全阀起跳； D. 后续PSA系统工段的系统运行故障，产生憋压，导致裂解转化系统超压起跳。 解决措施： A. 重新整定安全阀压力，调整至适合于实际生产需要的数值； B. 调整甲醇裂解转化炉调节阀，或者通过打开其中一部分调节阀旁通阀的方式，解决憋压问题； C. 稳定控制油温，避免温度上下波动过于频繁及波动幅度过大； D. 检查后续系统，PSA系统工段的各个阀门均为开启状态，无憋压。 ⑥ 催化剂失效 甲醇裂解转化过程所采用的催化剂，有Cu系催化剂、Ni系催化剂和贵金属系催化剂，常用的催化剂类型为Cu系(如图7所示)催化剂 [ 2 ]。 催化剂使用过程中，应严格控制原料甲醇、脱盐水中氯、硫、磷等杂质含量。氯会导致催化剂中毒，所以应严格把控原料甲醇以及脱盐水的杂质含量；另外催化剂生产中严禁油温急升急降，温度急升急降会导致催化剂失活，缩短使用寿命，从而影响产气效益；正常停车必须给转化炉充氮保护催化剂。 图7. 催化剂 ⑦ 故障现象：循环液储罐的液位过高或过低 循环液储罐中的液体，是经过水洗塔过滤后的脱盐水与经过冷却器冷凝后液体的混合液，循环液储罐的液位过高或过低，主要原因分析如下： A. 循环液泵的开度过大或过小，容易造成循环液储罐的液位过高或过低； B. 循环液储罐的出口单向阀工作状态异常，造成液位无法控制； C. 水洗塔液位调节阀的工作状态异常，导致液位无法调节； D. 调节阀的无信号输入或输出，造成调节阀实际运行状态与设定状态不一致； E. 仪表气异常，导致无法进行调节阀的调节； F. 冬季时节，环境温度较低，需要检查循环液储罐的进出液口位置的管道是否因为结冰而堵塞。 解决措施： A. 根据产量调整脱盐水泵的匹配开度； B. 检查储罐出口单向阀是否故障卡住； C. 检查水洗塔液位调节阀的前后阀门是否开关到位，检查调节阀零点有无漂移，排查阀杆、阀芯是否卡涩； D. 检查信号输入是否正常； E. 检查仪表气压力是否正常供应； F. 查看伴热带是否正常，进出口管道有无冰堵。 ⑧ 故障现象：冷却器循环水进口和出口压差大 原因分析：冷却器循环水列管结水垢，或部分堵塞 解决措施：清理水垢，疏通堵塞列管 ⑨ 水洗塔液位显示异常 原因分析： A. 水洗塔液位计的上阀门和下阀门未开启，造成液位计内无液体从而导致无法显示准确液位； B. 液位计内浮子被杂物卡住，造成翻转异常，无法正常显示液位； C. 水洗塔液位传感器气路有液体进入，液路有气体进入，导致液位传感器显示异常； D. 调节阀存在故障，无法及时对控制信号进行操作反馈，造成液位显示异常。 解决措施： A. 确认水洗塔的液位计上阀门和下阀门处于开启状态； B. 打开液位计，检查浮子是否可以正常翻转； C. 检查液位传感器的气路和液路，将气路中积存的液体排出，液路中积存的气体排出，确保传感器无堵塞物，运行正常； D. 检查液位调节阀是否工作正常。 ⑩氢气产量偏低 原因分析： A. 原料液的进料量过低，造成可转化的原料甲醇蒸气过少，进而导致氢气产量偏低； B. 导热油温度过低，无法满足甲醇蒸气裂解转化的温度需求，造成甲醇蒸气转化量较少； C. 催化剂失活，转化效率下降，单位时间内可转化的甲醇蒸气量减少，造成单位时间内的氢气产量偏低； D. 甲醇裂解转化炉的放空阀漏气或未关严，导致后端气体总量偏低； E. 产品气放空阀漏气或未关严，导致后端气体总量偏低。 解决措施： A. 提高原料液的进料量，提高甲醇蒸气的量，为裂解转化提供足够的甲醇蒸气； B. 控制油温不能过低且温度稳定； C. 更换催化剂； D. 检查转化炉阀门有无漏气； E. 检查产品气系统管道阀门是否存在漏气情况。 3) PSA系统 变压吸附工段，通过吸附剂在不同压力作用下，对不同气体吸附能力不同的原理，达到吸附所需气体的目的。 ① 故障现象：PSA系统压力图紊乱。正常运行过程，PSA系统工段吸附压力曲线如图8所示，为平稳趋势一致的，当PSA系统工段吸附压力发生异常情况时，如图9所示，PSA系统工段吸附压力曲线紊乱。 原因分析： A. 某个或者多个气动程控阀动作延迟； B. 气动程控阀的阀座密封不严，造成串气； C. PSA系统工段的控制程序发生故障； D. 由于环境温度过低，逆放工序的管道内液体结冰，发生堵塞。 解决措施： A. 通过程序手动控制和现场排查，确定延迟动作的气动程控阀，检查相应电磁阀是否存在故障，导致气动程控阀动作延迟甚至气动程控阀无响应动作，打开气动程控阀阀体，检查气缸是否串气，下阀缸体内是否存在杂质、粉末等异物，影响气动程控阀的正常动作； B. 检查气动程控阀的阀座是否被杂质粉末影响，导致无法关闭到位，造成串气，清除影响气动程控阀正常动作的杂质或粉末等异物； C. 检查PLC运行程序是否按照设计的步骤顺序进行； D. 查看逆放、放空管道等有无冰堵等现象。 图8. 变压吸附系统压力正常曲线图 图9. 变压吸附系统压力异常曲线图 ② CO%和CO 2 %含量超标。 主要原因： A. 吸附时间过长，吸附时间过长导致吸附剂所吸附的杂质过载，CO和CO 2 穿透吸附剂，致使产品气超标； B. 投料量加大的同时，未缩短吸附时间。吸附剂的吸附能力随工作年限下降后，投料量加大时，转化气中的CO和CO 2 含量变多，此前设定的吸附周期内无法吸附调整后相应增多的杂气，超过吸附剂的最大吸附加量，造成吸附剂超负荷，导致产品气CO%和CO 2 %含量超标； C. 吸附压力过高或过低。吸附压力过高会加大均压的压差，使得吸附剂容易粉化，缩短吸附剂寿命；吸附压力过低影响吸附剂的吸附效率 [ 3 ]。 解决措施： A. 适当调整吸附时间，观察对应产品气的CO%和CO 2 %含量； B. 适当缩短吸附时间以匹配投料量，提高吸附塔的再生速度； C. 针对生产工艺，确定适当的吸附压力，控制在1.5~2.0为佳。 ③ 顺放开度过大或过小。顺放调节阀的开度过大或过小，直接影响吸附塔的冲洗时间和气体流量，对于吸附塔的各项步骤中的冲洗流程而言，冲洗的速度、气体流量以及冲洗时间是影像氢气纯度和回收率的主要因素。 解决措施：根据工艺流程确定顺放的最佳值，确保冲洗流程效果达到最佳。