低温空气分离系统将环境空气进行压缩、净化并冷却至极低温度，然后通过蒸馏将其分离成高纯度氧气、氮气和氩气。此类系统包括压缩机、净化装置（分子筛）、换热器（冷箱）、膨胀机和高大的精馏塔。这需要管理设备内部极端的温度和压力差异。保持这些组件的稳定运行至关重要。
低温空气分离系统持续运行（24/7），为钢铁、石化、医用氧气等行业提供工业气体。需求波动带来了挑战，因为空气分离装置无法快速启动和停止。实际上，需求波动通常需要临时储存或排放过剩气体。例如，一项研究指出，“空气分离装置的连续运行与终端用户波动的需求存在冲突，经常导致气体过剩生产和随后的排放损失”。
低温空气分离系统中的安全隐患和操作风险
低温空气分离系统（ASU）存在一些独特的安全隐患。主要风险可分为四大类：氧气环境下材料快速氧化（火灾/爆炸风险）；压力骤升（由液体汽化或堵塞引起）；富氧或缺氧环境（火灾或窒息危险）；以及低温下材料脆化。其他问题包括换热器中水分或二氧化碳冻结，这会导致流体堵塞并使污染物浓度升高。
主要危险因素包括：
- 氧气点燃：纯氧气会意外地点燃碳氢化合物、灰尘或压缩机油。
- 压力骤升：堵塞或突然的相变会导致设备压力过高。
- 低温脆化：标准钢材在–196 °C时会变脆，因此空气分离装置（ASU）的容器需要使用特殊合金。
- 窒息风险：氮气泄漏或蒸发产生的气体可能会取代空气，导致氧气不足。
- 冻结/堵塞：微量的水或二氧化碳会在低温箱中冻结，堵塞流路，并在解冻时可能形成易燃混合物。
降低这些风险需要依靠保守的设计和严格的控制措施。例如，双重隔离阀（双截止放空阀）可以确保安全维护，并且所有排放的氧气都会被输送到远离人员的安全排放塔。冷箱采用真空绝缘，以防止空气进入，所有低点都设有排污口，可将泄漏物排至火炬。氧气区域禁止使用电气工具和会产生火花的工具，并且整个系统都使用与氧气兼容的润滑剂。
设计控制和缓解措施
安全性贯穿于每个低温空气分离系统的设计之中。用于低温工况的压力容器和管道均按照ASME锅炉及压力容器规范（第八卷）进行设计。这些标准要求使用具有适当韧性的材料并进行严格的检验。主要换热器和塔器采用适用于低温冲击的合金材料制造，焊接组件均经过泄漏测试。低温设备采用真空夹套和绝缘材料进行隔热，以最大限度地减少热量泄漏。关键阀门和管件均适用于氧气工况，所有焊接均采用低氢焊接工艺，以避免污染物。
系统中也采用了冗余和安全隔离措施。大多数大型空分装置都配备并联压缩机或膨胀机，以便在其中一台设备进行维修时，另一台设备仍可保持在线运行。关键管线（例如液氧进料管线）采用双重隔离阀，以便在不排放气体的情况下进行阀门维修。如果主制冷系统发生故障，辅助冷却或惰性气体吹扫等备用系统可以使装置保持安全待机状态。
仪表和控制逻辑提供主动保护。分布式控制系统 (DCS) 持续监测压力、温度、流量和气体成分。关键安全联锁装置会在参数超出限值时自动触发停机；例如，压缩机控制器会在吸入压力过低或转速过高时自动停机，以保护低压塔。传感器通常采用冗余或交叉校验设计，以避免误触发。安全仪表功能能够处理任何单点故障，确保在发生重大故障时，装置能够自动切换到安全状态。通过将保守设计（符合 CGA、ISO 和 ASME 标准）与自动化保护相结合，现代低温空气分离系统能够有效应对常见的异常情况。
低温空气分离系统的运行稳定性和过程控制
稳定运行是确保安全和效率的关键。串级PID控制器和逻辑求解器调节塔内压力、流量和回流比，以保持低温精馏塔的平衡运行。操作人员的目标是最大限度地减少运行波动：空分装置通常以稳定的基础负荷运行，而不是频繁启停，并利用储罐或旁路流来应对短期需求变化。研究表明，减少启停次数可以显著降低产品损失并避免紧急排放。
实时监控系统保障了系统的稳定性。操作人员密切关注关键趋势，例如塔底温度、液位和压缩机功率。任何超出预设范围的偏差都会触发警报并启动纠正措施。例如，低压塔底温度的逐渐升高可能表明制冷系统失衡，此时需要进行调整以维持设定值。系统配备了远程和自动紧急停机功能：任何危险信号（例如，检测到含氧管道中氧气浓度过高）都会立即启动快速安全停机程序。环境传感器也为安全保驾护航。机房和分析仪室内的氧气分析仪可以及早检测到泄漏。冷箱绝缘真空度也受到监控，以便立即发现任何劣化（例如空气进入）。所有这些指标共同作用，有助于将低温工艺控制在安全范围内。
安全标准和最佳实践
行业共识标准和法规是空分装置安全的基础。例如，CGA P-8/AIGA 056 指南为低温空气分离装置提供了统一的安全操作建议，包括危险分析、装置布局和操作程序。ISO 20421-1:2019 规定了大型低温容器的设计和测试要求，其原则（冲击试验、材料认证、检验）适用于固定式储罐和冷箱。ASME B31.3 和第八卷规范涵盖了用于低温工况的压力管道和容器。这些标准确保设备的选择、制造和测试符合国际安全标准。
此外，所有设施均遵守内部规程和监管规定。工作许可、上锁/挂牌程序和动火作业许可均得到严格执行。工艺流程由危害与可操作性分析（HAZOP）团队进行审核，以识别任何潜在的隐患。处理低温流体时，必须佩戴个人防护装备（例如低温手套、面罩）。包括氧气或氮气泄漏应急演习在内的各项应急程序会定期进行演练。通过遵循 ISO、ASME 和 CGA 标准，并保持强大的安全文化，工厂能够实现可靠、安全的运行。
表格：运行安全指标和故障模式
| 故障模式/指示器 | 原因/描述 | 影响/危害 | 缓解/控制 |
|---|---|---|---|
| 柱/容器过压 | 堵塞或快速蒸发 | 容器破裂；低温气体泄漏 | 安全阀；双重隔离；定期检查 |
| 换热器冻结/堵塞 | 水/二氧化碳在低温箱或换热器中冻结。 | 制冷系统故障；塔体运行异常 | 空气预处理；吹扫气流；定期预热 |
| 压缩机/膨胀机故障 | 机械故障或电源故障 | 冷却系统突然失效；非计划停机 | 冗余单元；防浪涌和软启动逻辑 |
| 氧气管道泄漏（高氧浓度） | 阀门密封失效或压力过高 | 富氧燃烧环境 | 氧气监测器；惰性气体吹扫/通风；清除火源 |
| 控制/仪表故障 | 传感器漂移或PLC故障 | 控制操作不当；可能导致系统故障。 | 冗余传感器；故障安全型可编程逻辑控制器（PLC）；频繁校准 |
| 电源故障/静电放电触发 | 公用设施故障或紧急停机 | 全厂停机；可能出现压力骤升。 | UPS备用电源；受控减压程序 |
表格：低温空气分离装置的部分安全指标和故障模式。每种故障模式都列出了其原因、潜在影响和主要防护措施。例如，空气预处理和定期除霜可以防止换热器冻结。
维护和监控
预防性维护可确保低温空气分离系统的长期安全运行。所有关键设备都会按计划进行检查和维护。真空夹套和压力容器会定期进行泄漏和厚度测试。安全装置（安全阀、爆破片）会根据 ASME/API 标准进行测试和更换。冷箱会定期除霜，以清除积冰或二氧化₂沉积物。压缩机定期进行油液分析和振动检查，以便及早发现磨损或污染问题。
数据驱动的监控可提高可靠性。基于状态的工具（例如振动分析仪、油液污染物监测器）可在故障发生前预警问题。控制系统日志记录所有警报和停机事件，以便进行趋势分析。合格的工程师会审查这些趋势，从而制定维护计划（例如，拧紧持续松动的法兰）。严格的程序——例如两人核实阀门更换操作和密闭空间检查——确保维护措施不会意外造成危险。
结论
确保低温空气分离系统的运行稳定性和安全性需要采取多层次的方法。保守的工程设计、遵守 ASME/ISO/CGA 标准以及先进的过程控制共同作用，使装置保持在安全范围内。持续监控和彻底维护可确保这种稳定性长期保持。通过遵循最佳实践和安全准则，操作人员可以可靠、安全地运行低温空气分离系统，从而实现生产目标并满足严格的安全要求。
资料来源：信息主要来源于低温空气分离装置安全和操作方面的行业指南和技术文献等。
