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胡纪全，李志富，树朋山，劳瑞卿，谢丹林
（中国石油化工股份有限公司 金陵分公司，江苏 南京 210033）
为满足日益严格的气体排放环保要求，石油化工行业生产过程中产生的尾气需要通过尾气回收装置进行处理［1-2］，排出的尾气应当满足 GB 31570—2015《石油炼制工业污染物排放标准》［3］中的相关要求。中国石油化工股份有限公司金陵分公司储运部成品工区苯类罐区尾气回收装置采用深度冷凝加活性炭吸附的工艺技术，设计处理规模为900 m3/h，主要收集处理铁路装车及苯类油罐的油气，使排放的气体满足国家环保标准要求。该装置自2017年投用以来，吸附单元联锁停机故障频发。据统计，联锁停机均与真空泵异常运行有直接关系。真空泵的平稳运行是保障尾气回收装置吸附单元正常运行及尾气排放合格的关键环节。文中对吸附单元联锁停机故障原因进行分析，并提出了相应的预防措施。
该尾气回收装置吸附单元主要由吸附罐、排气筒、真空泵及热交换器等组成，其工艺流程示意见图1。
图1 尾气回收装置吸附单元工艺流程示图
该尾气回收装置采用深度冷凝加活性炭吸附的工艺技术，油气通过三级冷凝处理后，绝大部分挥发性有机物从油气中分离出来，进入吸附单元进行进一步处理。油气进入吸附罐，在通过吸附剂床层的过程中，其中的有机物被吸附在吸附剂表面，实现与惰性气体的分离。吸附单元内并联设置2台吸附罐，每6 min进行1次吸附/脱附切换操作。在真空泵内进行吸附剂的真空脱附再生。吸附罐A进行吸附时，阀2和阀5关、阀1和阀6开。与此同时，吸附罐B进行脱附，阀3和阀7关、阀4开，第6 min时阀4关、阀5开，吸附罐A与吸附罐B进行罐内压力平衡 （1 min），6 min后2台吸附罐进行吸附/脱附切换。真空泵出口的脱附气体通过热交换器降温后进入脱附缓冲罐，再回到油气缓冲罐，经罗茨风机抽送至冷凝系统进行循环处理。吸附后的气体通过阀6或阀7，再依次经过阻火器、排气筒后排入外部大气。
当真空泵出现故障停机后，整个吸附单元立即联锁停机，阀15打开，其他阀门关闭，冷凝后的气体不经过吸附单元直接通过排气筒排入大气，排放气体不达标，会对环境造成污染。因此，在吸附/脱附切换过程中，真空泵的平稳运行至关重要。
该尾气回收装置吸附单元采用的真空泵为R5 RC 0630C型油润滑旋片式真空泵，其结构及工作原理示意见图2。
图2 油润滑旋片式真空泵结构及工作原理示图
油润滑旋片式真空泵主要由偏心装在泵壳内的转子及转子槽内的3个旋片、排气过滤器及油过滤器等组成（图3）。偏心安装的转子与泵壳固定面相切，运行时转子带动旋片转动，旋片在转子槽内滑动 （通常为径向）并与泵壳内壁相切或相交。旋片借离心力紧贴泵缸壁，将泵腔分为数个可变容积，并把进、排气口分割开，使进气腔容积周期性扩大而吸气，排气腔容积周期性缩小而压缩气体，借气体和油的压力推开排气阀排气，从而获得真空［4］。旋片与泵腔之间的间隙通常用润滑油作为密封，所以旋片式真空泵一般也称为油封式机械真空泵。润滑油密封间隙、润滑叶片并带走压缩热，油过滤器清洁循环油，排气过滤器将润滑油与排出的气体分离［5-8］。
图3 油润滑旋片式真空泵零部件结构
3.1 真空泵真空度降低
3.1.1 产生原因
2020-08，该尾气回收装置吸附单元真空泵入口压力由最初的-98 kPa升高至-5 kPa，导致真空泵抽真空不足，在吸附/脱附过程中无法实现吸附剂的脱附再生，吸附罐的压力持续升高，造成整个吸附单元联锁停机。
检修时对真空泵本体进行拆机检查，各零部件拆解情况见图4。通过拆机检查分析，认为造成真空泵真空度降低的原因有以下几点，①真空泵排气阀的阀片损坏。排气阀的阀片老化损坏，导致排气阀的密封性变差。排气阀阀片采用橡胶垫制成，长期浸泡在真空泵润滑油中。真空泵排气过程中压缩空气推开阀片，气体通过阀片排出，润滑油起密封作用。真空泵工作时阀片被用于堵塞排气阀一端的密封点，阀片一旦损坏，真空泵在排气时就会存在漏气现象，达不到密封效果，造成真空度降低［4］。②真空泵润滑油过脏、乳化或存有杂质，导致润滑性能降低。真空泵油箱内滤网上杂质较多，转子转动过程中易造成旋片卡顿，使真空泵真空度降低。③旋片与转子槽之间的配合间隙变小。旋片端面磨损产生分层裂缝，造成旋片和转子槽之间的配合间隙变小，配合端面变粗糙，旋片在转子槽内滑动时会出现卡顿。同时旋片与泵壳内表面接触面的密封性变差，导致转子转动过程中排气腔内容积变化小，真空度降低，同时机泵噪声升高。
图4 真空泵零部件拆解检修情况
3.1.2 预防维护措施
针对真空度降低的问题，制定了真空泵日常周期性预防维护计划，见表1。
表1 真空泵日常周期性预防维护计划
更换旋片、滤芯等组件，清理热交换器管束水垢的真空泵日常周期性预防维护主要包括以下几个方面，①定期检查清洗真空泵入口管线过滤器。入口过滤网需定期清洗、更换，防止脏物或硬性固体颗粒进入真空泵与旋片摩擦、碰撞，造成损坏。②定期更换真空泵内的过滤组件，定期更换润滑油箱过滤网及润滑油过滤器，防止杂质过多造成旋片磨损。定期更换排气过滤器，安装时注意排气过滤器的方向，防止因滤芯堵塞使真空泵出口压力升高而损坏机泵。③巡检时注意检查真空泵进、出油路温度的变化，做好油路进、出口温度的检查工作，防止因油路不通或者不畅，使泵腔内润滑油温度升高乳化，造成旋片与转子槽之间润滑不良出现卡顿。④定期更换真空泵泵腔内的润滑油。当真空泵的润滑油乳化或有杂质时会加大旋片的磨损，出现卡顿，使真空度降低，需定期更换同类型的真空泵润滑油［9-20］。
3.2 真空泵温度及压力升高
3.2.1 产生原因
2021-05，该尾气回收装置吸附单元真空泵的温度高于120℃，出现联锁停机。多次启泵后，运行1 h左右仍出现联锁停机，检查发现真空泵出口旁路管线爆破片已出现裂纹，即将爆破。
首先检查真空泵润滑油是否存有杂质或变质，确认润滑油无异常后排查真空泵出口换热设备的运行状况。打开热交换器底部壳程阀14（图1）进行排空，发现有油水混合物排出，初步判断热交换器壳程被油水混合物堵塞 （正常情况下壳程内是真空泵排出的气体，管程内通入的是循环水），造成真空泵出口气体无法送至脱附缓冲罐，使机泵温度升高。
对热交换器两端的法兰进行拆解检查，发现热交换器管束结垢严重，管程局部堵塞。由于壳程内存在油水混合物，可以推断部分管程腐蚀穿孔，使管程与壳程相通。利用高压水清洗了每根管程内部水垢，并打压排查出了腐蚀穿孔的管程。采用锥型堵头封堵泄漏管程两端，消除了热交换器管程漏点。
真空泵出口旁路管线爆破片的爆破压力为0.06 MPa，真空泵内置压力联锁值为0.05 MPa，爆破片已出现裂纹，说明真空泵油压已超联锁值，即将达到爆破片的临界爆破压力。而真空泵未出现压力联锁停机，说明内置压力联锁保护开关可能出现故障，需进行验证。按图5所示流程，首先将真空泵出口旁路管线中的爆破片拆除，用盲板封堵。然后断开真空泵出口管线与热交换器的连接法兰（起排空作用），开启真空泵，通过缓慢调小阀11的开度，观察真空泵是否因出口压力升高而联锁停机。经试验验证，真空泵并未停机，说明其内置压力联锁保护开关存在故障。
图5 真空泵内置压力联锁保护开关故障试验流程
真空泵出口堵塞，压力会急剧升高。而真空泵温度未上升至联锁值时，因内置压力联锁保护开关失效，爆破片会瞬间爆破。而爆破片是依靠真空泵内润滑油的冲击压力被击穿，润滑油会流失，设备运行存在安全隐患。
3.2.2 优化措施
对真空泵的工艺流程进行优化，见图6。在真空泵出口管线增设压力联锁设施，新增压力变送器PT1002，新增阀 15和阀16，将压力信号引入DCS系统，实时监测真空泵出口压力。同时更换内置压力保护开关，将内置压力信号也引入DCS系统，设置压力联锁值为0.05 MPa，其中1个压力信号满足条件立即触发联锁停机。关闭阀11、打开阀 16，启动真空泵，缓慢调节阀15，使变送器PT1002的数值达到 0.05 MPa，验证了真空泵联锁停机情况。
图6 真空泵优化工艺流程
另外，增设1套真空泵电机变频配套设施，依据所需真空度的大小自动调节电机的频率，不仅对真空泵的平稳运行起保障作用，而且可以降低电机的能耗。
结合实际检修案例，对尾气回收装置吸附单元联锁停机故障原因进行了分析。通过对真空泵进行定期预防性维修、定期维护以及更换润滑油、旋片、过滤组件等，可保障真空泵的真空度。通过在真空泵出口增设压力联锁设施以及增设真空泵电机变频配套设施，可以确保真空泵联锁停机的可靠性，保障整个吸附单元的平稳运行，使排放气体达标，同时降低电机的能耗。
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