高 博，辛庚嘉

（阳谷祥光铜业有限公司，山东聊城 252300）

0 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。

2011 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

1.1 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。

1.2 关键设备运行分析

VPSA 真空变压吸附制氧设备主要为：鼓风机系统、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2%，每年可节约用电2000 kW·h。

（2）对鼓风机系统的改造。目前鼓风机的运行参数为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/h。

（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

3.1 离心式鼓风机

（1）故障及原因：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：①更换负荷端轴瓦：按照装置安装手册技术规格，顶部间隙为0.18～0.24 mm，推力间隙0.30～0.50 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；②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 mm。调整后径向偏差≤0.045 mm、轴向偏离≤0.04 mm，满足技术要求。

3.2 水环式真空泵

（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：①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；②4 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：①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198～242 cSt，黏度指数70，没有达到规定标准，且含有大量25～50 μm 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（ISOVG220）相同质量的黏度；②原始换热器采用了整体式设计，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。

3.3 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：①阀门系统故障；②振动测量系统混乱；③仪表空气故障；④纯水系统中断；⑤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：①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；②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；③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；④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；⑤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。