水煤漿制氫氣裝置典型現場問題分析

陳冬景（中石化寧波工程有限公司 浙江寧波315103）

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水煤漿制氫氣裝置典型現場問題分析

陳冬景
（中石化寧波工程有限公司 浙江寧波315103）

0　前言

近年來，水煤漿氣化技術在國內得到廣泛應用，根據下游裝置不同的用氣需求，配套相應的凈化技術，生產氫氣、合成氣等。現以國內建成投產的某套煤制氫氣裝置為例，對該裝置在建設過程中出現的不同類型問題，選擇其中7個問題分析發生原因和整改方案。

1　施工工程量變化

（1）施工方案變化的主要原因是施工條件和施工環境的不確定性。例如，儲運系統布置在拆除的老廠房處，施工單位原方案使用螺旋樁機進行地下樁基施工，開挖后發現地下存在大量舊基礎及砼地坪等障礙物，對原施工方案進行了調整，導致產生額外施工費用。

（2）施工范圍變化的主要原因是基礎設計階段與供貨商、業主或第3方對接不清導致。例如，裝置用于卸壓的火炬管線（DN1 200 mm），設計選材為碳鋼加內防腐，且為供貨商整體供貨，可現場到貨后發現這些管線未做內防腐處理，考慮到施工進度等原因，最后由施工單位在現場對這批管道補做內防腐處理，產生了額外的施工工程量。

2　黑水管線角閥組振動問題

角閥因其結構簡單、耐高壓差性能好、適用于含固體顆粒介質等特點，在水煤漿氣化裝置黑水處理系統中應用廣泛。由于黑水介質含固體顆粒，為防止固體顆粒在角閥兩側積聚，角閥組在配管時，通常要比旁路閥高。由于黑水經過角閥后降壓明顯，可能出現部分閃蒸繼而形成兩相流，造成管系的波動。例如，洗滌塔的液位控制黑水管線上，設置了1組角閥組，整改前角閥組管線和支架設置見圖1。現場開車準備階段，通過控制角閥開度給洗滌塔建立液位時，發現角閥處發出巨大噪聲，角閥組管線振動明顯，且角閥的開度不穩定，特別開度在30%以下時，角閥開度波動更大，管線振動及噪聲情況更加嚴重，無法正常運行。停泵拆開角閥檢查，發現角閥的閥芯和閥座已被撞壞。

圖1　整改前角閥組管線和支架布置

根據上述情況，經設計方和供貨商進一步核實，認為發生此問題主要原因如下。

（1）角閥存在設計缺陷。在設計時，只考慮了正常操作工況，未考慮開車工況。正常操作工況下，閥前壓力為7.2 MPa，閥后壓力為6.5 MPa，前后壓差為0.7 MPa，閥門最大關閉壓差為8.9 MPa。開車工況下，洗滌塔還沒有建立液位，因此，角閥下游為常壓，閥前壓力為7.2 MPa，閥后壓力為0.1 MPa，壓差達7.1 MPa，與操作工況下角閥前后壓差偏差較大，角閥的定位器和導向杠等元件設計過于單薄，引起角閥開度不穩定等問題。

（2）管線支架設置不合理。從圖1可以看出，角閥組處只在旁路管線上設置了2根彈簧支架（支架1和支架2），由于角閥自身質量達1.2t，導致閥組的重心偏高。經過應力核算，角閥組管線的固有頻率偏低，如果角閥稍受外力作用，就會引起管線搖晃。現場用手推角閥閥體，的確有引起閥組的搖晃現象。

（3）黑水介質的波動。黑水的操作溫度為170℃，飽和蒸汽壓為0.8 MPa，因此黑水經角閥減壓后會出現閃蒸，黑水中夾雜著閃蒸氣，形成小氣泡，隨著小氣泡爆破，造成灰水紊流，使角閥成了激震源，帶動管線振動。

為此，作出如下調整，由角閥供貨商更換定位器和導向套等元件，使角閥能正常工作；重新計算管線應力，在角閥兩側立管上增設導向支架（見圖2），增加管線剛度和固有頻率。現場整改完成后，角閥運行較為穩定。

圖2　整改后角閥組管線和支架布置

3　高壓煤漿泵出口管線振動問題

高壓煤漿泵為電動隔膜泵，出口介質流態呈脈沖形式，介質為水煤漿，脈沖介質會對管線產生較大的激振力，容易使管線振動。在設計時，為避免管道出現振動，所有支架均選用減振支架。原設計管線走向及支架設置示意如圖3所示。

圖3　原設計管線走向及支架設置示意

從圖3可以看出，節點10為高壓煤漿泵出口，管口高度為4.5 m，由于管線去氣化框架前需要跨過道路，因此，從節點85開始，將管線高度抬高到7.5 m。圖中節點85，110，120和130處均設置了減振和導向支架，結構立柱為單柱形式。在高壓煤漿泵單試時，管線和結構立柱振動嚴重。現場觀察，節點110處振動最為明顯，軸向振幅可達10 mm。

從上述情況看，單柱形式的立柱太單薄，在設計時未充分考慮煤漿介質脈沖產生的激振力，僅按照管線應力計算的受力值進行設計。由于水煤漿介質壓力高、密度大，產生的激振力遠大于管線的一次、二次應力，造成原設計結構立柱剛度不夠。另外，脈沖形式的流態只有在改變流向或流形變化時才會產生激振力，而從圖3可以看出，節點85和110距離彎頭均較遠，導致彎頭處激振力沒有得到控制而使管線振動。因此，為增加立柱強度，改原單立柱支撐型式為框架式支撐，同時將彎頭位置移至節點110和120之間，在彎頭上新增設減振支架（見圖4）。現場整改完成后，管線運行非常平穩。

4　鎖斗排渣管線振動問題

氣化爐爐底的煤渣通過鎖斗排渣系統周期排放，每30 min完成一次排渣循環，屬于劇烈循環工況。鎖斗排渣管線示意見圖5。鎖斗排渣時，鎖斗沖洗水罐的沖洗水流至鎖斗，然后將鎖斗中的煤渣排出，排渣完成后，排渣閥關閉，完成一個排渣過程。現場鎖斗排渣系統試運行時，在排渣閥關閉瞬間，排渣管線和上游的沖洗水管線振動嚴重、噪聲大，且鎖斗容易充壓過度。管線的瞬間振動造成管線上的膨脹節變形失效。

從上述情況分析，當排渣線正在排渣時，管內充滿沖洗水，由于排渣閥突然關閉，使沖洗水流速急劇變化，對上、下游均形成巨大壓力，而沖洗水幾乎無法壓縮，就引起管內介質的波動和管線振動，俗稱“水錘效應”。因此，只要消除或減弱水錘，即可使管線振動減弱。設計所用排渣閥為氣動球閥，閥門的關閉時間為3.3 s，關閉速度較快，據水錘效應產生的原理，只要延長閥門的關閉時間，即可減弱水錘效應。因此在排渣閥氣缸的進氣管線上設置限流孔板，使排渣閥的關閉時間延長至6.8 s，減弱水錘效應。整改完成后，排渣過程較為穩定。

圖4　整改后管線和支架

圖5　鎖斗排渣管線示意

5　氣化爐預熱燒嘴和工藝燒嘴更換問題

氣化爐被預熱到1 300℃左右，在投料前需將預熱燒嘴更換為工藝燒嘴，在更換過程中，由于爐內溫度會慢慢下降，為保證氣化爐順利投料，爐內溫度需維持在900℃以上。根據現場爐溫的下降速度，工藝燒嘴的更換過程應在50 min內完成。但現場初次更換完工藝燒嘴后，發現煤漿管線和氧氣管線上的法蘭接口比工藝燒嘴管口法蘭低45 mm左右，法蘭錯位較大，導致螺栓無法緊固，無法在50 min內順利完成更換燒嘴。

法蘭錯位的原因為煤漿管線和氧氣管線均為冷態安裝，在冷態下可以與工藝燒嘴管口法蘭順利連接，但是氣化爐經過預熱后，氣化爐頂部管口從鞍座開始往上膨脹，導致工藝燒嘴的管口被抬高，此時煤漿管線和氧氣管線還未投料，仍處在冷態，因此才產生了45 mm的法蘭錯位。為保證燒嘴更換順利完成，現場重新調整煤漿管線和氧氣管線的標高，將其管端法蘭口抬高45 mm，同時重新整定支撐管線的彈簧支架，既耽誤工期又耗費財力。

為避免出現上述問題，需從兩方面著手。①在管道預制安裝時，煤漿管線和氧氣管線的安裝標高需在設計圖紙的管線高度上增加氣化爐的膨脹量，膨脹量可在氣化爐烘爐時進行標定。②在設計過程中，由于工藝燒嘴的管口允許受力很小，管口初始位移對管線應力影響較大，因此，在計算煤漿管線和氧氣管線的應力時，需增加氣化爐為熱態、管道為冷態的工況，滿足管口受力要求。

6　三偏芯蝶閥的安裝方向問題

變換單元的變換氣管線為高溫、高壓管線，管線上的切斷閥為三偏芯硬密封蝶閥。三偏芯蝶閥的結構見圖6。由于蝶閥的密封原理為扭力密封，導致蝶閥兩側的密封效果不一樣，分為主密封和次密封。安裝時需根據工藝要求，使閥門關閉時，主密封朝向高壓側。但現場按照閥體上的流向箭頭全部正向安裝，未考慮工藝操作和檢修要求，導致現場15只（≥DN400 mm）高壓三偏芯蝶閥重新調整安裝方向。例如，調節閥組的前、后切斷閥，在調節閥進行檢修時，兩側切斷閥關閉，2只閥門的高壓側剛好相反，下游切斷閥需要反向安裝。

圖6　三偏芯蝶閥的結構

7　設備保冷施工問題

低溫甲醇洗單元的大部分管線和設備需要進行保冷，設計的保冷結構為聚氨酯保冷層+CPU聚氨酯防水卷材防潮層+20 mm巖棉和鋁皮保護層。采用CPU聚氨酯防水卷材進行施工時，先需要在保冷材料上涂1層膠水，然后進行卷材安裝，且安裝時接縫也需要進行涂膠水黏結。由于部分設備直徑較大、設備本體上有許多平臺、管道支架和管口，使CPU聚氨酯防水卷很難完全與設備保冷材料緊密貼合；現場施工時，聚氨酯卷材出現褶皺，密封效果比較差。設計在鋁皮保護層前包裹20 mm厚巖棉，主要為鋁片保護層進行捆扎時，防止自攻螺釘破壞CPU聚氨酯防水卷材，由于巖棉質地很軟，固定自攻螺釘時，很難保證不穿透CPU聚氨酯防水卷材；而且晝夜空氣溫差變化大，保護層表面容易結露，致使巖棉容易吸水而被損壞。特別是低溫甲醇洗系統的再吸收塔直徑達3.8 m，高度達98.0 m，高空作業加上環境因素影響，施工難度大，不僅施工工期長，而且很難保證施工質量。

考慮到現場所有的保冷材料均已到貨，為減少材料浪費和保證施工質量，將設備上的防潮層結構由原CPU聚氨酯防水卷材防潮層+20 mm巖棉和鋁皮保護層調整為瑪蹄脂防潮層+鋁皮保護層，管道上的保冷結構維持不變。

8　結語

自水煤漿制氫技術引進中國后，國內已建成投產多套煤制氫氣裝置。但在設計和建設每套裝置過程中總會出現類似問題和新問題，不僅拖延了裝置的建設進度，也造成了一定經濟的損失。從以往裝置建設中吸取經驗教訓，舉一反三，提升設計質量和施工質量，保證裝置建設的健康發展尤為重要。

（收到修改稿 2015-10-09）