石油化工行業加氫裝置換熱器故障診斷分析

黎宇仲 黎蔭棠

（佛山市南海安科咨詢服務有限公司）

隨著國家對環境問題的逐漸重視，節能減排任務不斷加重，因此降低油品中的硫含量已成為現代石油化工產業發展的主要方向［1］。目前，降低油品硫含量主要是通過加氫技術對油中硫醇性硫、 沸點高于油品的噻吩和其他雜質進行脫離，以得到符合環保標準的中間餾分油和高品質油。加氫技術在使用過程中主要分為加氫裂化與加氫精制兩種工藝， 該技術主要將油中存在的硫、氧、氮等物質以及重金屬等雜質，在高壓氫氣與催化劑的作用下轉化成低分子量產物。

石油化工生產中加氫裝置換熱器因其優異性能得到了廣泛應用，但裝置有著特有的危險特性［2］。加氫裝置換熱器由于介質因素影響，氫氣與油都有著易燃易爆的特性；加氫反應作為一種強放熱反應，設備在高溫高壓條件下部分管線易發生氫催反應；催化劑反應過程與活化過程中易發生爆炸；加氫反應尾氣中含有部分氫氣與其他物質，若人員操作不當，引起設備泄漏，則容易引發爆炸、火災等事故。 由于加氫裝置換熱器處于高溫高壓、易燃易爆且有毒介質的環境中，因此將它歸類于甲類火災危險裝置，其工作環境處于爆炸危險區［3］。基于裝置特有的危險特性，一旦發生危險事故會對石油化工企業造成巨大的人員傷害與財產損失， 同時也會產生嚴重的環境影響。因此，為了更加高效、安全地檢測加氫裝置換熱器運行狀態下的參數變化，需對石油化工生產加氫裝置換熱器故障診斷進行分析。

1 加氫裝置換熱器故障診斷模型

1.1 故障參數分析

根據加氫裝置換熱器原料與反應產品的特點，將加氫反應體系分為若干個虛擬組，并將每個虛擬組分為一個總集，根據目的的不同，其劃分總集也不同［4］。根據加氫裝置換熱器動力原理，將原料主要分為氣體、 重石腦油、 輕石腦油、柴油、航空煤油和原料油。 在設備正常工作狀態下，會同時生成氣體、重石腦油、輕石腦油和柴油，反應器液體混合物流速不變。 根據加氫裝置換熱器溫度與氫氣出壓函數，可以得到：

其中，Ki為換熱裝置溫度與氫氣的壓力值，Ai為反應總集前因子，e為虛擬組系數，Ei為活性能，R為污垢系數，T為水溫。 將加氫裝置換熱器原料油與反應物按照恩氏蒸餾進行切割后，劃分虛擬組分。 若總集為單一分組，其中輕石腦油平均分子量為93u、密度為664.1g/cm3，重石腦油平均分子量為110u、密度為750.9g/cm3，煤油餾分平均分子量為150u、密度為796.0g/cm3，柴油餾分平均分子量為253u、密度為822.7g/cm3，原料油平均分子量為412.6u、密度為913.5g/cm3。 根據總集劃分原則和加氫實際工況，建立包括化學反應在內的反應網絡集合［5］，其反應動力參數見表1。

表1 反應動力參數

根據各動力反應參數，通過調節各部位物料的壓力、流量來建立故障診斷流程，具體如圖1所示。

圖1 加氫裝置換熱器故障診斷流程框圖

根據加氫裝置換熱器故障診斷流程，主要針對裝置中各部位壓力、流量進行診斷，其診斷標準見表2。

表2 壓力、流量診斷標準

由于加氫裝置換熱器內部構造較為復雜，考慮到整體物性參數、反應動力學參數誤差等影響因素，允許在實測過程中數據值與實際值之間存在一定誤差［6］。

1.2 故障診斷模型

石油化工企業加氫裝置換熱器主要針對焦化柴油、焦化汽油和直餾柴油進行加工，其加氫裝置換熱器故障診斷模型如圖2所示。

圖2 加氫裝置換熱器故障診斷模型

加氫裝置換熱器主要分為混合進料高壓換熱器與低分油換熱器兩種，在運行過程中其設備工況與腐蝕情況見表3。

表3 加氫裝置換熱器工況與腐蝕情況

加氫裝置換熱器故障主要分為加氫反應器超溫、加熱爐熄火引發爐膛閃爆、高/低壓分離器液位控制故障、循環氫壓縮機故障及安全儀表故障等［7］。 加氫裝置換熱器在進行、加氫裂化、加氫脫硫及加氫脫氧等反應過程中，催化劑發生強放熱反應，因此需要注入急冷氫使催化劑床層溫度達到穩定。 如果急冷氫流量較小，無法及時帶走反應放出的熱量，則會出現反應床層溫度升高的現象。 加氫換熱裝置長期處于這一環境下，易發生泄漏，引發火災、爆炸等事故；在裝置反應階段，高壓分離器控制系統壓力，如果出現液面過高的情況，高壓氫氣進入低分系統，則會發生系統超壓爆炸事故［8］。若低壓分離器液位過高，低分氣液位過低，會造成脫丁烷塔壓力過高，引起設備損壞；循環氫壓縮機在運行過程中氣體產生高溫高壓等，易對儀表、壓縮機缸體及管線等造成損壞并發生泄漏，從而引發火災、爆炸事故；加氫裝置換熱器中設有有害氣體報警裝置、可燃氣體報警裝置等，若報警裝置所處位置不當，或未對報警裝置進行定期檢驗等，會導致報警裝置無法正常運行。 同時，由于加氫裝置換熱器中的主要介質具有易燃易爆、易腐蝕性，所以當換熱器內部發生變形時，會出現物料泄漏、設備損壞等情況，從而導致火災、爆炸等事故的發生［9］。

2 加氫裝置換熱器的故障因素

2.1 循環氫流量對換熱器溫度的影響

加氫裝置換熱器內反應氫量主要包括反應床打進急冷氫與爐前混氫兩部分［10］。 由于爐前混氫需要通過裝置加熱后與原料油混合后送入反應器入口，所以這一過程允許氫氣流量在小幅度范圍內對溫度平衡產生影響。 整個加氫裂化反應、加氫精制反應均為放熱反應，若床層溫度超過12～13℃，裂變速度將增加1倍［11］；若正常溫度超過25℃，則裂變速度增加4倍。 急冷氫注入時對反應催化劑床層的反應溫度影響較大［12］，在考慮到其他操作條件固定的條件下， 保證急冷氫流量浮動變化的同時， 循環氫流量與換熱器溫度的關系如圖3所示。 可以看出，換熱器的溫度隨著急冷氫流量的增加而降低。急冷氫反應器流量的增加，首先促進了加氫裂化反應， 裂化反應增加的同時換熱器溫度升高，而隨著急冷氫流量的持續增加，換熱器溫度開始降低，加氫裂化反應速率降低［13］。因此，在實際運行過程中急冷氫流量的增加，能夠提高換熱器中氣相流速， 延長操作安全滯留反應時間，影響設備轉換率。急冷氫流量的增加導致加氫反應裝置轉化率降低，設備內循環氫量增加，循環壓縮機能耗不斷增加［14］。 另一方面，如果氫流量過低， 則無法及時降低床層溫度， 使裂化反應過度，引起床層升溫，導致設備故障。

圖3 循環氫流量與換熱器溫度的關系曲線

2.2 進料量對換熱器溫度的影響

加氫裝置換熱器運行中，如果其他操作條件不變，則進料量與換熱器溫度的關系如圖4所示。可以看出， 隨著加氫反應裝置進料量的不斷增加，裝置內空速增大，導致單位時間內通過的催化原料增加［15］，原料與催化劑反應時間短，不僅影響產品質量， 而且會導致換熱器溫度增加，設備出現故障。

圖4 進料量與換熱器溫度的關系曲線

2.3 進料溫度對換熱器溫度的影響

加氫裝置換熱器運行中，如果其他操作條件不變，設定進料溫度為370～410℃，則其進料溫度與換熱器溫度的關系如圖5所示。 可以看出，隨著進料溫度的增加， 換熱器溫度不斷上升［16］。 主要原因為加氫裂變作為放熱反應，進料溫度的增加會導致末端反應速率提高，使得換熱器溫度升高。 如果出現進料溫度過高的現象，容易使催化劑床層結焦，引起飛溫，造成機械故障。

圖5 進料溫度與換熱器溫度的關系曲線

2.4 冷劑中斷對塔頂溫度的影響

假設加氫裝置換熱器中其他控制器正常工作，且其他參數正常，塔頂冷劑中斷，引起塔頂超溫，其冷劑中斷與塔頂溫度的關系如圖6所示。 可以看出，塔頂冷劑持續供應時，塔頂溫度保持在130℃左右，第87min時，塔頂冷劑中斷，塔頂溫度急速上升，當塔頂溫度超過設計溫度時，塔頂產品組分變重，導致塔頂產品不合格。

圖6 冷劑中斷與塔頂溫度的關系曲線

2.5 塔頂回流中斷對塔頂溫度的影響

加氫裝置換熱器運行中，在保證其他操作條件不變的情況下，塔頂回流中斷與塔頂溫度的關系如圖7所示。 可以看出，在56min時，塔頂回流中斷，塔頂溫度由135.0℃升高至208.3℃，隨后升溫到214.9℃，且維持在這一溫度［17］。 塔頂回流中斷后塔頂溫度的升高導致柴油與煤油回收量增加，塔底尾油輕質油產品質量降低， 導致產品不合格。

圖7 塔頂回流中斷與塔頂溫度的關系曲線

3 仿真實驗

為了對加氫裝置換熱器故障診斷模型的性能進行測試，將加氫裝置換熱器故障診斷模型與傳統診斷方法進行對比，以循環氫流量、進料量、進料溫度、冷劑中斷和塔頂回流中斷的故障（故障類型編號1~5）因素作為實驗對象，分析加氫裝置換熱器故障診斷模型與傳統診斷方法的差異性。 選擇同一加氫裝置換熱器作為實驗對象，加氫裝置換熱器故障診斷模型設為實驗組，傳統故障診斷方法作為對照組。

根據實驗參數， 對同一加氫裝置換熱器驗證樣本進行測試， 對實驗組與對照組故障診斷準確率進行對比，其結果如圖8所示。 可以看出，相對于對照組來說，實驗組具有更高的故障診斷準確率，因此可以證明實驗組能夠更好地診斷加氫裝置換熱器故障，從而得到更好的故障診斷結果，降低加氫裝置換熱器故障診斷錯誤率。相對于對照組，實驗組有著更優異的性能，提高了故障診斷準確率，獲得了理想的故障診斷結果且可信度高。

圖8 故障診斷準確率對比

4 結束語

加氫裝置換熱器作為石油化工生產中常見的單元設備，由于介質因素影響一旦發生故障則會出現易燃易爆現象，因此筆者對石油化工生產加氫裝置換熱器故障診斷進行分析。 通過對加氫裝置換熱器故障原因分析與故障參數診斷，確定整體故障診斷流程后，按照這一流程對循環氫流量、進料量、進料溫度、冷劑中斷和塔頂回流中斷的故障因素進行分析，為加氫裝置換熱器的正常運行提供了預警參數，保證了裝置的安全平穩運行。