真空变压吸附制氧设备的故障与处理

张彦博

摘要：近年来真空变压吸附制氧工艺技术发展迅速，安全性能高，建设周期短，系统启动快等优点占领着制氧机较大的市场。面对不需使用纯氧的用户需求，变压吸附法制氧是首选。变压吸附的核心就是吸附和解吸，在每一个制氧周期内按照事先预定的循环时间完成整个过程的运行，最主要的就是利用设定时间控制阀门的开闭来完成每一步的循环，达到氧和氮及其它杂质的分离。产出的氧气利用氧气压缩机将压力稳定在用户需求的压力值，提供给用户。真空变压吸附制氧各步骤配合十分紧凑，对设备性能有着极高的要求，往往设备运行状态的优劣直接决定着产品氧气的成本和供气可靠性。所以加强制氧设备的维护以及故障的处理是提高制氧效率的主要措施。

关键词：真空变压吸附；VSA；分子筛；罗茨风机。

1.引言

光伏玻璃厂于2010年引进美国某公司的一套3000Nm³/h的真空变压吸附制氧装置，供氧对象是玻璃熔窑的全氧燃烧系统。在此基础上于2012年又建设安装了第二套真空变压吸附装置，产能7500Nm³/h。VSA制氧有着启动快，安全运行情况好等优点，但是VSA对设备之间的配合间隙相当敏感，运行控制逻辑和联锁逻辑比较复杂，一旦某个单体设备出现故障会直接导致VSA系统直接停机，由于供氧对象是玻璃熔窑，供气中断会造成严重的生产安全事故，为此必须不间断的投入大量液氧供应，导致企业投入运营成本上升。为此，解决好变压吸附装置运行中常见的故障非常有必要。尽最大可能的减少意外停机风险。在处理VSA制氧机故障时一定要掌握举一反三的技能和透过现象看本质的思维方式，先易后难，先外后内，注意日常的经验积累等。

2.故障现象和原因分析

由于系统采用全程自动化控制，可靠性高、精度准确等，为了确保核心控制稳定运行，控制逻辑之间的联锁保护也非常繁琐，任意一个元件出现故障都有可能联锁导致设备停机。出现停机后如何确认故障点是最重要的，通过上位机画面显示的报警信息，操作人员必须对直接或间接的报警信息了解后快速做出故障点的判断。判断故障一定要采取严谨的推理方法，通过一项警报内容分析潜在的多种故障，由浅入深由面到点，通过实际运行情况的分析确定问题点。公司运行的这两套变压吸附装置均有故障信息提示功能，一种以工艺方面的故障用SD1表示，一种以硬件方面的故障用SD2表示，当然也有不同于这两种内容之内的故障发生时，需要仔细分析，透过现象确认故障源头，方可有效解决。

2.1以检测传感器之类的器件故障

2.1.1温度传感器故障导致的停机：VSA装置中带温度保护联锁停机的设备有鼓风机电机和真空泵电机、真空风机和氧压机，该类型的故障导致停机后会在上位机显示温度位号之类的报警内容，值班人员发现停机后先不要消除故障讯息，待最终确认故障点后方可确认消除报警讯息，确认到底是传感器自身故障还是实际温度高于工艺停机设定值，温度探头自身故障会导致显示实际温度出现非常大的偏差，可予以更换后开机。另一种情况是实际温度高于工艺设定值造成停机，对这种信息一定要查明温度升高的原因后方可开机。

2.1.2振动传感器出现故障：振动传感器位号以YT开头,例如空气风机振动YT1111A，测量单位为in/sec。工艺停机设定值均在上位机画面可以查看，一般出现非线性的变化值时基本说明传感器自身出现故障，显示测量的振动数据忽高忽低，需要予以更换。如果发现问题现象时还没有造成停机，即需要在操作计算机上将程序监控调整为BYPASS状态，可以避免误操作造成停机。

2.1.3压力变送器类故障：由于VSA制氧对各步骤的压力测量要求极高，压力波动会造成产量和纯度的不稳定。而工艺中各点的压力均由压力变送器提供。公司第二套制氧机曾经在2016年7月份出现过真空压力居高不下的现象，系统显示床压过高开启自动泄压模式，致使纯度产量降低。通过检查风机和阀门未发现有异常情况，最后通过仔细分析和参数比较，确认是由于PT1823B-2压力变送器零点漂移造成测量的压力值高于实际值近30mbar，停机更换后压力正常。

2.1.4氧气在线分析仪故障：为了保证提供给用户的氧气质量稳定，设备可靠运行，在两套VSA装置中均安装有氧气分析仪在线监测实际纯度，一台用于检测VSA管道流向的氧气纯度，一台用于检测氧气压缩机管道流向的氧气纯度，每当纯度低于90%时便会停机报警，曾经出现过氧气分析仪数据突然下降导致供气中断用液氧代供的情况。通过对分析仪在线调校发现输出值不能变化，确认氧分析仪传感器探头故障，更换新的备件后测量正常。

综上所述，对检测器件自身出现的故障判断时一定要去伪存真，仔细分析导致停机故障的真实原因，不能只盲目的更换单元器件而造成二次故障，要透过表象看到问题的本质。

2.2低纯度停机

导致低纯度停机的原因多种多样，但比较常见的基本归于以下几点：

2.2.1阀门故障，我公司制氧站用于VSA的阀门均采用国际知名品牌。一个制氧周期二十多秒，阀门工艺布局如下图（图一），每个阀门在一个制氧周期内开关各两次，每年动作近200万次。一般的国产阀门难以达到这样的使用频度和寿命，这些蝶阀连续在线平均使用周期不超过三年。所以阀门问题在近年来一段时间内是困扰设备稳定运行的主要因素。阀门故障后最显著地外在表现就是床压不平衡，纯度骤降，最终导致停机。故障导致的现象一般表现为氧压机入口压力低、纯度低，床压异常。当以上问题出现后需要在三十多个阀门里确定故障点需要大量的时间，不利于快速解决故障。可以按照下述表格进行比较判断，确认故障点。

图一

以下表格是由阀门故障引起的停机状态汇总表：

报警现象或位号	停车原因	停车步骤	可能原因
两床压差大于50mbar，一床压力升高，另一床压力降低	没有均衡床体压力，均压失败 在加压或抽真空时阀门泄露	1-5 或 13-14	检查 KV1823，KV1803 检查KV1821A/B，KV1844A/B，KV1822A/B, KV1845A/B
PDSHH-1900	K190高压差	第6 或13 6-12 1-5 或 13-14步	检查KV1900，KV1822A/B，KV1822 A/B
PDSHH-1111	K111高压差	5 或12 1 8	检查KV1110，KV1821A/B，KV1844 A/B
K601入口压力低	床体上部串气	7	检查 KV1823，KV1803

阀门问题基本包括执行机构密封不严、串气、阀门动作迟缓，销轴磨损不能正确定位致使蝶阀关不严漏气，执行机构拨叉磨损断裂等。一般表现形式如下：阀门不动作时, 一般是由于电磁阀故障或执行机构气缸串气严重, 要对电磁阀进行更换或执行机构气缸进行更换；阀门动作明显慢时, 一般是由于执行机构轻微串气或气源管漏气, 要检查气缸的密封圈进行更换或对气源管进行更换。

从近年维修情况来看故障主要集中在执行机构内，位于管道内的蝶阀板基本还没有出现过问题。阀门维修后安装到现场前必须进行有效测试，该型号阀门在主轴与固定夹块处有正常状态位置标示，用红色标示，维修人员必须确认阀门每次的动作与其重合，开关时间小于0.6秒，这样方可正式投入运行。

2.2.2风机高压差停机：其实风机压差高包含两个含义，一是入口压力低，二是出口压力高，任何一个因素均导致风机高压差报警停机。造成压力不稳定的因素除过风机本体之外，就是阀门的开关速度和密封性能。根据近年来风机压差故障停机处理情况来看，90%基本是由于阀门的问题导致。制氧机每一步的床体压力都会在上位机上实时显示并有历史趋势图记录，操作人员可在发生压差停机故障后查看床压历史趋势图，确认设备是在哪个步骤停机的，然后对应查找运行该步骤的阀门，也可参照上述表格快速判断故障点。

2.3停电或仪表空气压力低造成停机

2.3.1电网波动会造成设备保护停机：一般电网波动后报警栏会出现以下报警信息：

“motor no feedback connection” ，看到这些信息后立即电话联系供电部门确认是否刚刚发生电网波动，确认无误后打开上位机主界面对空气风机电机、真空风机电机、氧压机电机进行复位，因为瞬间停电会造成监控软件对电气回路联锁保护，禁止在没有复位确认的情况下重启设备。

2.3.2仪表空气压力低造成设备停机：仪表气主要用来为阀门提供驱动气源，低仪表气压导致VSA开关阀动作迟缓或不协调，导致床压失控，设备会保护停机。检查仪表供气管线和阀门及过滤器，确认气源是否稳定。压力恢复正常后可进行开启设备。

2.4罗茨鼓风机和电机故障

2.4.1风机故障，风机故障一般表现为振动值变大，超过设定值之后立即联锁停机。振动值测试数据单位为in/sec。风机在运行期间正常情况振动值不超过0.75in/sec，运行中超过这一设定值时，基本可判定为风机出现问题。此时不要试图继续运转，否则会进一步扩大故障范围。引起风机振动大的因素较多，主要原因有以下几种：地脚螺栓松动，主要表现在垂直方向振动较大；风机基础刚度差，垂直方向振动速度异常；与风机连接的管道配置不合理，主要是与风机连接的防振接头老化，管道与风机形成共振；同步齿轮啮合间隙大，齿面接触精度不够，也可导致水平振动超标；转子不平衡，水平方向振动较大，且振动频率与转速同频，振动大小与负荷无关；轴承损坏及轴系零件松动。

处理方法是立即将风机退出运行，断开与电机之间的联轴节。在没有测试工具的前提下先打开风机进出口两端的软连接，可以观察到风机叶轮的运行情况，检查叶轮有无碰伤或有异物附着，用塞尺检查叶轮间隙等数据并进行记录，用手盘动风机转动，仔细查看叶轮情况，一种是风机轴承间隙发生变化导致叶轮之间不平衡，造成叶轮撞击碰伤，这时需要对轴承进行间隙调整，有条件时对碰伤叶轮进行喷涂修复技术复原，如果维修时间紧迫可以对叶轮间隙进行适当放大调整，此举措会略微降低风机效率，但可以解决叶轮碰撞带来的振动联锁停机故障。笔者单位已经使用此方法解决过2台空气风机振动大的问题。

2.4.2电机故障

制氧站共有中压电机4台，额定电压3.3KV，低压380V电机1台。启动方式均为可控硅调压启动，保证较好启动力矩的同时减少对电网的冲击。曾经有一台为真空泵配套的中压电机停机后经常出现启动困难的情况。该电机功率1500马力，运行方式为一拖二，冷天启动困难，但是断开一台风机联轴节后启动正常，电机回路带有专用的微机保护设施，电机启动时提示过流保护动作，和热值I²t上限保护。测量电机对地绝缘良好，相间绝缘良好，检查电气保护回路参数设置也均在正常范围。将电机接到另一台参数相同的控制柜启动也没有成功，据此判断应该是由于匝间短路造成，这种匝间短路一般处于同相线圈之间，电机负荷较轻时可以使用，但长期运行必然扩大短路范围，形成匝间电流回路，烧毁电机。遂对电机送出维修，确认电机匝间短路造成启动力矩降低，重载启动困难。这里推荐一个测量电机匝间短路的简易方法，将电机绕组的六个出线头全分开，用数字万用表分别测量各绕组的端电压，万用表档位选用直流毫伏档，测量时以相同速度转动电机，可以测量出约30多毫伏的直流电压，如果电机某相匝间短路，则测量值必然小于三相平均值。

电机故障还有一个常见情况就是轴承故障。笔者为这几台电机安装了轴承在线温度测试装置，由于这几台电机价格比较昂贵，不容许出现大的问题。有次点检发现一台功率732KW的电机驱动端轴承温度上升到近110℃，电机转速980r/min,现场检查没有异常噪音。遂立即对设备停机进行检修，该电机型号为上海电机厂出品，驱动端轴承型号6326C3， 更换轴承后试运行正常，再加负载运行三小时轴承温度上升到52℃，目前一直稳定运行。轴承在使用一定程度后，磨损是必然要出现的，轴承轻微磨损后可继续使用，但发现声音、震动、温度异常，就必须更换轴承，保证大型电动机的安全运行。轴承的接触疲劳剥落和磨损是不可避免的，轴承不可能永久使用下去，尽力避免高负荷冲击，改善润滑，提高轴承的使用寿命，减小磨损，使轴承的使用寿命最大化。

3.故障处理及预防

对于快速处理故障来讲，当发生停机报警时首先要冷静分析报警内容，确认是床压波动导致的停机还是硬件故障导致的停机。一般对于出现低纯度报警，风机压差大报警停机等多半是由于阀门问题导致，例如纯度突然降低时必然会有床压随之降低，查看上位机数据监控信息，分析查找到底是哪个床体压力首先降低的，这个在画面上非常明显。假如A床压力持续偏低，就要检查原料供气阀KV1821A/KV1844A看供气阀正常与否，如没有问题继续检查A床的KV1822A/KV1845A避免抽真空时泄露造成床压低，影响纯度。通过这种循序渐进的方法一般会很快确定故障阀门位置。设备硬件方面的报警停机更加直观，一般会在上位机画面上将故障点显示为黑色，以方便快速判别，只需及时进行维修处理即可恢复启动。这是常见的故障快速处理方法。

对于提高变压吸附制氧机可靠运行最好的办法就是故障的预防，提前预判故障抢抓检修时间，杜绝异常突发故障的出现，提高制氧机设备在线运行效率，降低总的停机时间，有效节约液氧补充的费用，是改善并降低VSA制氧成本的重要环节。 故障的预防既有经验的判断，也有利用技术手段增加对设备运行情况的数据分析，笔者在制氧站运行初期就加装了阀门位置和速度检测装置，时间精确到毫秒级，对监控的阀门本体运行情况实时掌握。给大功率电机轴承端加装温度测试装置，帮助运行人员及时判断电机性能。制作简易振动测试仪，对风机各方向的振动进行测量等。总的目的还是提高运行维修人员对设备的掌握和了解，便于在发生故障时快速高效的恢复运行。

4.结语

本文通过剖析了一些故障现象，结合处理的措施和思考的步骤，给运行维修人员提供了解决制氧站常规故障的思路，降低故障恢复处理的时间。通过对故障预防的基本思路和措施，改善设备运行可靠性。对制氧站设备安全稳定运行有着积极的意义。

参考文献

【1】真空变压吸附制氧(VPSA－O2) 系统设备及运行实践 张根珠 大冶有色金属股份有限公司冶炼厂

【2】关于变压吸附制氧机的稳定性分析 张冰 河南开元空分集团有限公司副总工程师

【3】变压吸附制氧机常见故障的分析和处理 王利霞、孟 强、李 宏 邯郸钢铁集团动力厂