合成氨裝置中蒸汽發(fā)生器及其控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

李欣平 中石油東北煉化工程有限公司吉林設(shè)計(jì)院 吉林 132002

合成氨裝置中蒸汽發(fā)生器及其控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

李欣平*中石油東北煉化工程有限公司吉林設(shè)計(jì)院 吉林 132002

針對(duì)合成氨關(guān)鍵設(shè)備蒸汽發(fā)生器多次發(fā)生換熱管泄漏及設(shè)備頂部汽包氣液夾帶等情況，對(duì)該設(shè)備及其控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)改造，改造后設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定。

蒸汽發(fā)生器控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)汽液分離

1 原裝置運(yùn)行概況

在合成氨抽合成氣、氫氣裝置中，氣化單元部分氧化法制取合成氨原料氣，由氣化單元進(jìn)變換單元之前抽出粗合成氣，粗合成氣經(jīng)熱量回收產(chǎn)生蒸汽，脫水后送老合成氣裝置。該單元操作條件苛刻，操作壓力高達(dá)8.5MPa(G)，操作溫度250℃，粗合成氣中含51.5782%(V)水蒸汽、0.025%(V)H2S、24.0%(V)H2。這種氣體組成對(duì)設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料的選用帶來(lái)較大難度。關(guān)鍵設(shè)備蒸汽發(fā)生器為U型管釜式換熱器，管內(nèi)介質(zhì)為高溫合成氣，低溫時(shí)有H2S腐蝕，高溫時(shí)有H2腐蝕，殼程介質(zhì)為低壓鍋爐給水，U型管束需承受9.55MPa(G)的設(shè)計(jì)壓力，其拉應(yīng)力大，同時(shí)工藝物料對(duì)奧氏體不銹鋼尚有氯離子腐蝕。該設(shè)備在投入運(yùn)行后曾多次發(fā)生蒸汽發(fā)生器換熱管泄漏及設(shè)備頂部汽包氣液夾帶等事故，造成裝置停車(chē);同時(shí)由于泄漏的合成氣中含有23.2196% (V)的CO，給整個(gè)裝置蒸汽管網(wǎng)帶來(lái)安全隱患。

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)改造方案

蒸汽發(fā)生器的設(shè)備結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)改造方案見(jiàn)圖1。

蒸汽發(fā)生器為U型管釜式換熱器，管內(nèi)介質(zhì)為高溫合成氣，殼程介質(zhì)為低壓鍋爐給水，優(yōu)化設(shè)計(jì)改造方案為:重新優(yōu)化設(shè)備殼程直徑和汽包立式筒體直徑以增加設(shè)備內(nèi)汽液分離空間;在汽包內(nèi)設(shè)立式波紋擋板除沫器，內(nèi)設(shè)降液管，改善汽液分離效果，低壓蒸汽出口管改為側(cè)面開(kāi)口;蒸汽發(fā)生器上設(shè)有液位變送器LT－20011，通過(guò)DCS建立L1CA－20011液位自動(dòng)控制報(bào)警系統(tǒng)，使管內(nèi)最低液面控制在蒸汽發(fā)生器內(nèi)換熱管束之上;在蒸汽出口管上設(shè)有壓力變送器PT－20011，通過(guò)DCS建立L1CA－20011自動(dòng)控制系統(tǒng)，使蒸汽出口壓力控制在0.5MPa(G);在蒸汽發(fā)生器低壓蒸汽出口管線(xiàn)上設(shè)有CO在線(xiàn)分析儀A1－20011，隨時(shí)監(jiān)測(cè)含有CO的合成氣是否泄漏到低壓蒸汽管道中，避免爆炸或人員中毒事故發(fā)生。

經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證改造后的裝置長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行，避免了汽液夾帶現(xiàn)象，腐蝕程度低微，不泄漏，設(shè)備使用壽命延長(zhǎng)，操作穩(wěn)定，生產(chǎn)安全，避免了事故的發(fā)生。

蒸汽發(fā)生器工藝數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

圖1 蒸汽發(fā)生器設(shè)備結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)改造方案簡(jiǎn)圖

3 實(shí)施案例

蒸汽發(fā)生器是合成氨增設(shè)抽合成氣、氫氣裝置中合成氣抽出及熱量回收單元最關(guān)鍵的設(shè)備，操作條件苛刻。蒸汽發(fā)生器的作用是將合成氣的溫度由260℃降至170℃，利用其熱量產(chǎn)生低壓飽和蒸汽，并使合成氣中的飽和蒸汽冷凝后分離出來(lái)。

表1 蒸汽發(fā)生器的工藝數(shù)據(jù)

設(shè)備管口說(shuō)明見(jiàn)表2。

表2 設(shè)備管口說(shuō)明

進(jìn)蒸汽發(fā)生器管內(nèi)介質(zhì)為合成氣，正常操作溫度為250℃，最高操作溫度為260℃，操作壓力為8.45MPa(G)。合成氣總量為45500Nm3/h，其組成及含量為:51.5782%(V)H2O，23.4751% (V)H2，0.0496%(V)N2，23.2196%(V) CO，0.1777%(V)Ar，0.2385%(V)CH4，1.2366%(V)CO2，0.0234%(V)H2S，0.0013%(V)COS。管外殼程介質(zhì)為低壓鍋爐給水，入口溫度128℃，入口壓力為1.0 MPa(G)，出口溫度153℃，出口壓力為0.5 MPa(G)。由于該設(shè)備處于極苛刻的工藝操作條件下運(yùn)行，換熱管材質(zhì)既要耐低溫時(shí)的H2S腐蝕，又要耐高溫時(shí)氫腐蝕和氯離子應(yīng)力腐蝕，換熱管還要承受8.45MPa(G)高壓，拉應(yīng)力大。

合成氨裝置開(kāi)車(chē)后，其裝置內(nèi)蒸汽發(fā)生器換熱管多次發(fā)生泄漏，分析主要原因如下:

由于該蒸汽發(fā)生器長(zhǎng)期處于低負(fù)荷運(yùn)行，而且實(shí)際操作中蒸汽壓力偏離設(shè)計(jì)值，在日常操作中設(shè)備汽包內(nèi)經(jīng)常出現(xiàn)汽液夾帶現(xiàn)象，為避免汽液夾帶，蒸汽發(fā)生器控制在低液位狀態(tài)操作，換熱管束沒(méi)有完全浸入液面下，形成界面腐蝕，造成換熱管泄漏。

根據(jù)蒸汽發(fā)生器實(shí)際操作負(fù)荷范圍(70%～120%)與原設(shè)計(jì)范圍相同，因此換熱管束即換熱面積維持原設(shè)計(jì)不變。換熱管的泄漏是由于低液位狀態(tài)操作形成界面腐蝕造成，因此設(shè)備材質(zhì)不需改變。

3.1 設(shè)備優(yōu)化

針對(duì)蒸汽發(fā)生器實(shí)際操作負(fù)荷，對(duì)該設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn):

(1)將該設(shè)備殼程直徑由1500mm改為2000mm，既增加汽液分離空間，又保證在實(shí)際操作中換熱管束始終浸在液面下。據(jù)現(xiàn)有廠(chǎng)房中該設(shè)備上方凈空1500mm，改造后增加殼體直徑的該設(shè)備仍有足夠的安裝空間。

(2)為保證蒸汽發(fā)生器運(yùn)行中其頂部汽包內(nèi)汽液分離效果，避免霧沫夾帶，對(duì)汽包結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì):汽包立式筒體直徑由900mm改為1200mm，增加汽液分離空間。

(3)汽包內(nèi)除沫器結(jié)構(gòu)型式由現(xiàn)有的絲網(wǎng)式橫式放置除沫網(wǎng)改為立式波紋擋板式除沫器，并增設(shè)降液管，增強(qiáng)汽液分離效果。

(4)由于除沫器型式的改變，與此相對(duì)應(yīng)的汽包低壓蒸汽出口N4管口的開(kāi)口方向由頂部開(kāi)口改為側(cè)面開(kāi)口。

3.2 設(shè)計(jì)優(yōu)化

為保證生產(chǎn)運(yùn)行安全可靠，工藝流程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)采取的措施:

(1)設(shè)蒸汽發(fā)生器液位自動(dòng)控制系統(tǒng)L1CA－20011，蒸汽發(fā)生器上裝有液位變送器LT－20011，控制液位高度，并在DCS上設(shè)液位的高低位報(bào)警，使最低液面控制在蒸汽發(fā)生器內(nèi)換熱管束之上，以保證管束完全浸入液面下，避免產(chǎn)生界面腐蝕。

(2)嚴(yán)格按設(shè)計(jì)中蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生1.0MPa (G)蒸汽的工況進(jìn)行操作，設(shè)P1C－20011壓力控制系統(tǒng)，出口管上設(shè)壓力變送器PT－20011，產(chǎn)生1.0MPa(G)的蒸汽通過(guò)壓力控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)至0.5 MPa(G)后進(jìn)裝置0.5 MPa(G)蒸汽管網(wǎng)，嚴(yán)禁1.0MPa(G)的蒸汽直接進(jìn)0.5 MPa (G)低壓蒸汽管網(wǎng)。

(3)為保證生產(chǎn)安全，在蒸汽發(fā)生器低壓蒸汽出口管線(xiàn)上設(shè)CO在線(xiàn)分析儀A1－20011，隨時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)含有CO的合成氣是否泄漏到低壓蒸汽管線(xiàn)中。

4 結(jié)語(yǔ)

改造后的蒸汽發(fā)生器已投入使用，運(yùn)行結(jié)果表明，針對(duì)蒸汽發(fā)生器及其控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)改造，從根本上杜絕了該設(shè)備內(nèi)霧沫夾帶現(xiàn)象和換熱管泄漏事故，保證了該關(guān)鍵設(shè)備在極端苛刻的操作條件下安全、穩(wěn)定地運(yùn)行。

1 潘國(guó)昌，郭慶豐．化工設(shè)備設(shè)計(jì)．［M］．北京:清華大學(xué)出版社，1996，12．

2 王撫華．化學(xué)工程實(shí)用專(zhuān)題設(shè)計(jì)手冊(cè)［S］．北京:學(xué)苑出版社，2002.10．

3 天津大學(xué)化工原理教研室．化工原理［M］．天津:天津科學(xué)技術(shù)出版社，1999.6．

For the case of tube leakage of the“steam generator”，the key equipment of ammonia plant and the top steam drum vapor-liquid entrainment accident，optimize the design of this equipment and its control system to achieve stable operation after renovation．

Optimum Design for Steam Generator and Control System in Ammonia Plant

Li Xinping

(PetroChina Northeast Refining＆Chemicals Engineering Co.，Ltd．Process System Dept．of Jilin Design Institute，Jilin 132002)

steam generatorcontrol systemoptimum design vapor-liquid separation

*李欣平:高級(jí)工程師。1992年畢業(yè)于吉林化工學(xué)院化學(xué)工程專(zhuān)業(yè)，2004年畢業(yè)于北京石油大學(xué)獲工程碩士學(xué)位。一直從事化工工藝設(shè)計(jì)與管理工作。聯(lián)系電話(huà):(0432)63911308，E－mail:jly_lxp0131@petrochina.com.cn。

2011－12－08)