蒸汽系統運行故障分析及對策

黃敬利

摘 要：針對某天然氣處理終端蒸汽系統在投產初期及正常生產時運行不穩定現象，通過分析蒸汽系統設備運行原理并跟蹤運行數據，找出蒸汽系統運行的故障原因，針對不同的原因提出對應的解決方案。通過在兩列除氧器之間增加氣相平衡管，將除氧器補水控制方式由間歇式補水改為連續式補水，蒸汽供熱系統運行問題得到有效改善，保證了蒸汽系統安全穩定運行。

關鍵詞：天然氣 蒸汽系統 除氧器 氣相平衡管 控制方式

中圖分類號：TL353；TH165.3 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）11（b）-0095-04

Abstract：During the pilot running and the error-free running period of the steam system in a gas terminal，there are something instable to use the boiler system safely，by analyzing the working principle of steam equipments and keeping track of the operating data， identify the causes of the troubles to run the steam system， put forward the corresponding methods for different reasons.By adding a vapor phase balance pipe between two deaerators and adjusting the demineralized water supply mode from batch to continuous replenishment，the operational problems have been effectively settled，it is safe and stable to running the steam system.

Key Words：Nature Gas；Steam System；Deaerator；Vapor Phase Balance Pipe；Control Mode

珠海某天然氣終端是為中海油深水氣田配套建設的陸上油氣處理終端，項目一期天然氣處理能力為80億m3/年，是國內第一座深水天然氣和處理規模最大、裝置最復雜、設計理念最先進的海上油氣陸岸處理終端。終端部分系統使用蒸汽加熱，2014年投產運行以來，蒸汽系統出現過很多運行問題，對蒸汽系統本身運行及工藝系統正常運行造成了一定的影響。通過對蒸汽系統設備運行原理分析及運行參數的跟蹤，提出改善蒸汽系統運行狀況的有效措施，保障系統生產安全穩定進行。

1 蒸汽系統概況

1.1 終端用熱裝置及熱負荷

該終端蒸汽供熱裝置主要有：

（1）脫碳系統MDEA再生流程采用飽和蒸汽供熱。一期第一階段天然氣脫碳裝置規模為50×108 m3/a，按兩個系列設計，單套裝置處理規模為25×108 m3/a，適應的波動范圍15×108 m3/a～33×108 m3/a。

（2）循環水污水處理流程。

（3）蒸汽鍋爐系統自用汽以及管網熱損耗。

以上用熱裝置及工藝熱負荷見表1。

1.2 終端蒸汽供熱裝置及供氣量

該終端有外輸氣壓縮機3×25MW（一期一階段最大氣量時兩運一備），單臺壓縮機外輸壓力波動范圍7～9 MPa.G煙氣量約119 000～166 000 m3/h，燃機排煙溫度450 ℃～516 ℃，設計余熱鍋爐排煙溫度為150 ℃，回收余熱量在20～35 t/h之間，見表2。

2 蒸汽供熱系統前期問題及解決措施

2.1 除氧器不能同時投用

鍋爐系統調試初期，兩個除氧器液位不平衡，除氧器供水控制難以實現平穩，兩列除氧器不能同時投用。經觀察分析，兩列除氧器難以同時運行的根本原因在于兩列除氧器的壓力不一，導致兩列除氧器液位不一致，難以實現自動控制。后經改造，在兩列除氧器之間增加氣相連通管，平衡兩列除氧器壓力，通過液相連通管，兩列除氧器液位得以平衡，最終實現兩列除氧器同時投用，且可實現自動控制。

2.2 蒸汽鍋爐運行模式切換

蒸汽供熱系統運行初期，蒸汽鍋爐承擔主要供熱負荷，設定鍋爐出口蒸汽壓力值以控制蒸汽鍋爐負荷值。余熱鍋爐與蒸汽鍋爐控制方式一致，通過鍋筒出口蒸汽壓力控制余熱鍋爐煙道三通擋板開度實現自動控制，壓力設定值高于蒸汽鍋爐壓力設定值10 kPa.G。這種運行模式下，蒸汽鍋爐提供大部分蒸汽，余熱鍋爐補充蒸汽缺口，蒸汽鍋爐日消耗的燃料氣量大，而余熱鍋爐卻不能充分釋放熱負荷，三通擋板閥開度在30%～50%之間，外輸氣壓縮機尾氣熱量沒有得到充分利用。

通過跟廠家溝通，用蒸汽管網壓力的開關量控制蒸汽鍋爐間歇性啟停，當蒸汽管網壓力降低到啟爐設定值時，蒸汽鍋爐啟動，并在管網壓力到達停爐設定值時，停運蒸汽鍋爐。余熱鍋爐仍用壓力控制并承擔主要供熱負荷。在這種運行模式下，余熱鍋爐承擔主要供熱負荷，三通擋板閥保護開度90%以上（大部分時間全開），蒸汽鍋爐根據管網壓力值實現自動控制。當蒸汽管網壓力低至啟爐設定值時，蒸汽鍋爐啟動，補充蒸汽缺口。當蒸汽管網壓力上升到停爐設定值時，蒸汽鍋爐停運。相比于初期運行模式，減少了運行時間，降低了運行負荷，從而減少了燃料氣消耗，也增加了外輸氣壓縮機尾氣的利用率。

由圖2可以看出，二月底蒸汽鍋爐切換運行模式之后，余熱鍋爐承擔主要的熱負荷，平均每外輸一萬方天然氣蒸汽鍋爐消耗的燃料氣量急速降低。四月中下旬，隨著終端外輸氣量不斷增加，余熱鍋爐供給的最大熱負荷已經不能滿足蒸汽用熱要求，此時平均每外輸一萬方天然氣蒸汽鍋爐消耗的燃料氣量開始逐漸增加，但仍然遠遠低于初期運行模式的燃氣消耗量。

3 蒸汽供熱系統當前問題及解決方案

3.1 除氧器除氧效果不好

3.1.1 問題分析

根據道爾頓定理（氣體分壓定律）可知：某一氣體在氣體混合物中產生的分壓等于它單獨占有整個容器時所產生的壓力；而氣體混合物的總壓強等于其中各氣體分壓之和。另外，亨利定律指出：當溫度一定時，氣體在液體中的飽和濃度與液面上該氣體的平衡分壓成正比。當水被定壓加熱時，水蒸發的蒸汽量不斷增加，使液面上水蒸氣的分壓力升高，其他氣體的分壓力不斷降低，從水中逸出后及時排出。當水加熱至除氧器壓力下的飽和溫度時，水蒸氣的壓力就會接近水面上的全壓力，此時水面上其他氣體的分壓力將趨近于零，于是溶解在水中的氣體將會從水中逸出而被除去。

由此可知，要除去水中的氧氣必須滿足3個條件：

（1）水必須加熱到除氧器工作壓力下的飽和溫度。

（2）必須把水中逸出的氣體及時排走，以保證液面上氧氣及其他氣體的分壓力減至零或最小。

（3）被除氧的水與加熱蒸汽應有足夠的接觸面積，蒸汽與水應逆向流動。

終端采用大氣式熱力噴霧除氧器，除氧器由脫氣塔（除氧頭）和貯水箱（除氧水箱）組成，脫鹽水（軟化水）經管道送入除氧頭由噴頭噴成霧狀細滴，再經填料層落至除氧水貯水箱，蒸汽由下而上與霧狀水滴逆流接觸并加熱水滴。由于除氧水噴成霧狀，蒸汽與水的接觸面增大，加熱效果明顯。除氧頭換熱傳質傳熱之后，除氧水能夠達到除氧器工作壓力下的飽和溫度，水蒸氣的壓力接近水面上的全壓力，氧氣等其他氣體的分壓基本上為零，能夠順利地從脫鹽水中分離，除去的氧氣等氣體和部分蒸汽由頂部排氣管排出。

但是，由于除氧器補水控制方式為開關量控制。當除氧器液位達到低液位時，通過液位控制器控制凝結水泵或者除鹽水泵給除氧器補水。補水或來自凝結水罐的蒸汽凝結水，或來自除鹽水罐的除鹽水。補水在短時間內流量過大，蒸汽不能充分加熱霧狀水滴，且大量補水進入除氧水箱，加熱蒸汽短時間內不能充分加熱水箱內除鹽水，會造成整個除氧水箱內的脫鹽水的溫度降低，達不到工作壓力下的飽和溫度，造成除氧器除氧效率降低，從而導致除氧水含氧量不滿足要求（國標要求值：≤0.1，化驗值：2.0）。可能會增加管線、設備的腐蝕速率。

3.1.2 解決措施

由問題分析可知，正常情況下，大氣式熱力噴霧除氧器除氧效果明顯，能夠滿足鍋爐水的氧含量要求。然而，由于除氧器補水控制問題（液位開關量控制凝結水泵/除氧水泵啟停），導致在補水時，短時間內補充水量過大，造成除氧頭中蒸汽不能充分加熱噴霧水滴。工作壓力下，除氧水箱內的溫度達不到操作條件下的飽和溫度，水蒸氣壓力不能無限接近水面全壓力，影響除氧器除氧效果。要改善除氧器除氧效果，需要保證除氧器補水量恒定，且量不能太大。

措施一：將除氧器補水控制改為模擬量控制，除氧器液位輸出的模擬量來控制凝結水泵（或除氧水泵）的變頻運行頻率，從而維持除氧器液位在一個恒定的液位值附近，進而可以保證除氧器補水量恒定。

措施二：將除氧水泵、凝結水泵出口管線匯集到一根匯管上，并在除氧器補水匯管上增加一臺液位調節閥，通過除氧器液位變送器傳輸的液位值模擬控制該液位調節閥的開度以保證除氧器液位維持在恒定值，從而保證除氧水補水量恒定。

3.2 二次蒸汽回收利用率低

3.2.1 問題分析

由于脫碳系統再生塔底重沸器與凝結水分離器設計高差不足，蒸汽凝結水不能順利回流至鍋爐水處理系統，堵塞在管道內的凝結水致使重沸器蒸汽通過量不足，熱負荷不能滿足MDEA再生溫度要求，MDEA再生不合格。此時，經驗做法是通過調整凝結水分離器頂部4”閘閥來調整重沸器管程進出口壓差，以實現蒸汽流動。但是由于調整不精確，很多時候容易調整過量，此時蒸汽通過量大，大量未換熱蒸汽進入凝結水系統，跟凝結水一起回到鍋爐水處理系統的凝結水箱。此時的凝結水溫度很高，二次蒸汽大量進入除氧氣，導致除氧器壓力升高，會造成以下3個結果。

（1）背壓太高，凝結水泵（或除鹽水泵）補充水進入除氧器困難。

（2）過量的溫度較高的汽、水流進入除氧器，產生自生沸騰現象，高溫汽、水混合物汽化產生的蒸汽量已滿足加熱蒸汽的需要，使進入除氧器的主凝結水不需要回熱抽汽加熱就能沸騰。除氧器內部汽與水的逆向流動遭到破壞，除氧器中形成蒸汽層，阻礙氣體的逸出，使除氧效果惡化。同時除氧器內壓力升高，排汽增大，工質和熱量損失增大。

（3）大量高溫凝結水進入凝結水泵，也會造成凝結水泵的汽蝕。

為了避免出現以上問題，現場實際操作是將大部分二次蒸汽通過低點排凝管線直接排掉，不僅造成蒸汽熱量浪費，也浪費了水資源和燃料氣資源。

3.2.2 解決措施

盡快調整脫碳系統再生塔底重沸器與凝結水分離器之間的安裝高度差。實現蒸汽凝結水順利回流，從而減少人為調整凝結水分離器頂部4”閥門來控制重沸器管程進出口壓差，以促進蒸汽凝結水的強制流動。當回水溫度穩定，二次蒸汽壓力穩定，即可防止二次蒸汽進入除氧器造成問題分析中的一系列不正常工況。

4 結語

（1）兩列除氧器同時運行時，需要保證兩列除氧器的壓力值相等，否則會導致兩列除氧器的液位不平衡，不能實現除氧器補水自動控制。

（2）要保證除氧器的除氧效果，需要保證除氧器中水的溫度達到除氧器工作壓力下的飽和溫度，使得水中溶解的氧氣能夠逸出。這就需要保證除氧器補水必須小量且持續，因此需要將除氧器的補水方式由間歇式大量補水改為連續式小量補水，實現的途徑是將補水泵的控制方式改為變頻控制，或者在補水泵出口設置液位調節閥，確保補水量恒定。

（3）二次蒸汽大量進入除氧氣，導致除氧器壓力升高，導致除氧器背壓過高影響除氧器補水，其他條件不變的情況下，要保證除氧器效果需要提升除氧器的溫度，消耗大量的蒸汽。要維持除氧器正常的工作壓力則需要將大量二次蒸汽放空，不僅浪費蒸汽余熱，還浪費了大量的水資源。要改善這個問題需要將蒸汽回水系統流程進行改造，保證回水壓差穩定，不僅有利于工藝系統溫度正常，還能保證回水溫度維持穩定。

參考文獻

[1] GB/T17954-2007.工業鍋爐經濟運行[S].

[2] 田麗.工業蒸汽鍋爐自動化控制的探析[J].現代商貿工業，2006（6）：314-316.

[3] 唐啓濱.淺析工業蒸汽鍋爐的自動化控制[J].黑龍江科技信息，2008（3）：23.

[4] 曹桂琴，周燁，徐萍.蒸汽鍋爐水位控制裝置的改進[J].河北建筑工程學院報，2007（4）：47-48，51.

[5] 李桂龍.幾種除氧器除氧效果的分析[J].電力建設，2004（4）：44-46.

[6] 周世梁.現代控制理論在除氧器水位控制中的應用[D].上海交通大學，2009.

[7] 雷金莉.基于模糊理論的除氧器溫度控制系統的研究[D].西安：西安科技大學，2002.

[8] 王永生.除氧器水位和凝汽器水位多變量模糊控制系統[J].東南大學學報，1998（11）：22-28.