基于MTO裝置蒸汽凝結水系統運行問題的分析及優化

緱彥杰

摘 要：針對某MTO裝置凝結水系統管路介質互相頂流、水擊振動及換熱設備泄漏的現象，經過實際運行和設備檢修積累的經驗，從而找出問題的主要原因。實際結果表明，疏水閥漏氣、凝液匯合發生頂流并二次閃蒸、換熱設備熱應力過大是導致凝結水系統運行不良的主要原因，依據分析結果對凝結水系統進行改造升級，根本上解決存在的問題。

關鍵詞：蒸汽凝結水;流程優化;疏水閥

引言

甲醇制烯烴（Methanol to Olefins，簡稱MTO）是以甲醇為原料，經流化催化反應后生產以乙烯和丙烯為主的輕烯烴混合氣的工藝過程，甲醇可通過煤炭制取，因此MTO工藝是除以石油為原料之外的又一條制備乙烯和丙烯的新型工藝路線，經過數年實踐發展，工藝技術不斷走向成熟。在現代MTO裝置，穩定運行及節能降耗成為裝置持之以恒的發展目標，而凝結水系統做為MTO裝置的唯一熱媒產物，直接影響裝置的生產及穩定。本文依據某MTO裝置存在的問題，列舉具體事例，經過分析優化，取得了較好的效果，旨在能為類似情況提供有益的借鑒。

1 MTO裝置凝結水系統簡介

MTO裝置蒸汽凝結水由中壓、低壓、低低壓蒸汽進行熱交換后形成， 各等級蒸汽參數見表1。

蒸汽凝結水管路背壓升高，雖不至于引起伴熱蒸汽凝結水管路發生水擊， 但由于此系統流程設計的特殊性（見圖1），不同等級蒸汽凝液共同增壓回收，繼而會對后路0.46MPa蒸汽凝液系統回收產生較嚴重的汽阻現象。

低壓蒸汽（1.1MPa）用于污水汽提塔底重沸器熱源及工藝伴熱，低壓蒸汽作為重沸器汽提脫除凈化水中有機物（甲醇、二甲醚、醛、酮等）的熱源，其蒸汽凝液同4.5MPa蒸汽凝液自壓至凝結水管網，工藝伴熱凝結水則進入凝結水罐V-03。

低低壓（0.46Mpa）蒸汽用于E-02AB，在運行過程中低低壓蒸汽通過與甲醇換熱釋放潛熱后變為近似同溫同壓下的飽和凝結水，由自壓進入凝結水罐（V-03）。

各等級蒸汽作為熱媒換熱后形成不同壓力的凝結水，0.46MPa和1.1MPa蒸汽工藝伴熱凝液匯集至同一凝結水罐（V-03），經凝結水泵增壓后與4.5MPa蒸汽凝液合并，同其他冷換設備降溫至90攝氏度后回收再利用。而0.46MPa蒸汽承擔著MTO裝置近70%汽化甲醇量，是甲醇由液相轉為氣相的主要熱源，4.5Mpa蒸汽也是保證進料溫度不低于200度的唯一途徑，進料負荷及進料溫度的穩定完全取決于蒸汽系統的運行良性，而凝結水系統的運行良性便是體現核心進料系統穩定的關鍵指標之一。

2 MTO 裝置蒸汽凝結水系統運行問題及分析

運行過程中出現核心進料系統（進料量、進料溫度）頻繁波動、凝結水界區流量大幅波動、管線多處存在水擊、部分管線支撐架松脫、彎頭及閥門變徑處出現泄漏等現象，通過分析總結，列舉出以下問題和原因分析。

2.1 0.46MPa蒸汽凝結水系統的波動

低壓蒸汽凝液帶汽。疏水器作為汽液兩相間屏障，它不僅能自動排除蒸汽管道中的凝結水及不凝氣，防止蒸汽的逸出，還可以有效的提高設備熱效率。最初蒸汽伴熱系統均采用倒吊桶疏水閥，主要用于冬季防凍期間，在使用過程中逐漸出現以下問題：（1）倒吊桶頂部排氣孔較小，蒸汽管線長時間沖刷腐蝕，不可避免會出現焊渣等雜質，易造成疏水閥排氣孔堵塞，需要切除排氣疏通，如果不能及時發現處理，會造成后路管線凍凝。（2）疏水閥的閥芯與閥座接觸面頻繁工作，磨損較為嚴重，疏水器無法正常疏水，出現水過汽也過的失效現象。（3）其正常工作時閥體必須存有足夠水來形成水封，實際過程中部分疏水閥因為蒸汽壓力的變化，在浮桶處會使水封出現部分閃蒸現象，致使倒吊桶浮力下降，出現失效現象。

疏水閥不僅會因以上失效現象出現水過汽也過的現象，正常運行疏水閥也不可避免的存在水汽同過而造成低壓蒸汽凝液帶汽的現象。迫使低壓蒸汽凝結水管路背壓升高，雖不至于引起伴熱蒸汽凝結水管路發生水擊，但由于此系統流程設計的特殊性（見圖1），不同等級蒸汽凝液共同增壓回收，繼而會對后路0.46MPa蒸汽凝液系統回收產生較嚴重的汽阻現象。

2.2 高等級蒸汽凝液降壓閃蒸

（1）1MPa蒸汽凝液帶汽主要由伴熱疏水閥漏汽引起，帶汽的伴熱凝結水并入0.46MPa凝液后進入V-03，而高壓高溫凝結水進入低壓低溫系統時，出現閃蒸產生體積膨脹會形成系統內的沖擊，在匯集處造成較為嚴重的水擊汽阻現象，對0.46MPa系統產生影響，使得此系統經常出現換熱器（E-02）凝結水側出口壓力大幅波動，造成換熱器熱源（0.46MPa蒸汽）流量大幅波動。

對正常生產運行造成以下影響：（1）氣相甲醇進料量大幅波動，導致反應器壓力波動，嚴重時兩器壓差急劇波動，催化劑跑損加重;（2）凝結水罐液位波動，出現罐液位過高、過低，嚴重時凝結水泵抽空等生產波動現象;（3）V-03壓力只能通過現場放空閥調節平穩，導致蒸汽外逸，熱能沒有充分利用，增加了裝置能耗并造成白色污染;（3）兩路凝結水匯聚處管線水擊嚴重，造成管線管托、支撐架松脫，管線基本處于懸空狀態，對換熱器法蘭、管線彎頭產生的橫向、縱向應力，均有一定的損壞。

2.3 4.5MPa中壓蒸汽凝液對換熱設備的影響

E-01換熱器為U型管換熱器，管程介質為4.5MPa蒸汽，殼程介質為0.2MPa氣相甲醇，管程為高溫高壓環境，運行中多次出現管束泄漏、管束與管板焊縫拉裂現象，以及后路管線水擊磨穿泄漏。

（1）換熱過程中對換熱器產生沖刷腐蝕，蒸汽凝液漏入工藝側;換熱器（E-01）管程為高溫高壓環境，運行中多次出現管束泄漏、管束與管板焊縫拉裂，為減少甲醇進入換熱器后在管束彎頭處形成過熱現象，在彎頭周邊沉積結垢腐蝕，使換熱效率大幅降低，為防止出現換熱不均等短路現象，特針對性的將此管束縮短并增加拉桿數量來保證管束的牢固程度，對管板裂紋處采用多層堆焊。在高溫高壓條件下雖然U型管熱補償性能好、承壓能力較強，但實際效果仍然不佳，依舊出現管束變形泄漏、管板焊縫出現裂紋。根據現場換熱器存在較大異響分析，可確定蒸汽側有持續兩相流并產生阻塞流，導致高頻振動，由凝結水罐V-01液位忽滿忽空可知管程凝液間斷性流動，嚴重時在管束內部發生輕微水擊，殼程換熱便存在短路，管束彎管段支撐件較少也容易發生震動，在此處又一次形成流動死區，造成管束局部長期存在過熱、水擊現象。再由于管束換熱溫差不同，膨脹不同，出現換熱器管束局部過度疲勞損壞造成的部分管束撕裂、管束整體變形等引起的換熱器泄漏，管程為中壓態、殼程為低壓態，管束和管板焊縫內外應力差相當大，拉脫應力是形成換熱器管束、管束和管板之間多次泄漏的主要原因，并造成蒸汽大量漏入氣相甲醇側，對甲醇進料溫度有較大且持續的影響，嚴重時此溫度會降至90攝氏度（進料溫度正常200攝氏度）左右，出現反應溫度快速下降，引起反應器低溫連鎖觸發等一系列惡性生產波動現象。

（2）高等級蒸汽凝液降壓過程中閃蒸，形成氣液混合體，造成管線水擊、沖刷磨損;蒸汽凝結水在形成過程中，由于U型管換熱器管束彎頭曲率不同，管束長度不一，所以與甲醇物料換熱存在不均勻、偏流等局部現象，會因偏流引起管束內部分蒸汽不能充分釋放潛熱便進入凝結水罐，在凝結水罐內無法充分冷凝，加之在V-102閃蒸后蒸汽不能及時有效排出，蒸汽會伴隨A路凝結水進入凝結水管線系統，凝液中存有蒸汽隨凝液流動，在氣泡破裂過程中產生極大的沖擊力，此過程不斷反復出現，導致A路凝結水管線出現持續水擊現象。

水擊壓力計算：根據儒可夫斯基水擊壓強公式：

ΔP=ρα（V-V0） 式（1）

式（1）中：ρ-水的密度，取1000kg/m3;α-管內水機波的傳播速度，一般取10m/s;V-正常介質流速;按HG/r20570-75《管道壓力降計算表》中DN=100mm時，介質流速為10m/s;V0-改變后的介質流速，在水擊瞬時0m/s;代入式（1）中得出水擊壓強10MPa。

根據GB50316-2000（2008版），管道封頭焊縫的承受壓力：

P=δ[σr]E/D 式（2）

式（2）中：δ-管子壁厚，取6mm;[σr]-許用應力，取131MPa;E-焊接頭系數，取單面焊100%無損檢測0.9;D-管子的公稱直徑100mm;代入式（2）中得出焊縫可承受的壓力P=7MPa，小于水擊產生的壓力10MPa，發生超壓破壞就在所難免。

通過以上計算，此壓力遠超一般壓力管道所能承受的等級，引起的水擊會對管壁、彎頭產生強力沖擊，造成管壁減薄、彎頭撕裂、支架松脫等現象，尤其管線閥門變徑處（DN100-DN80-DN100）、彎頭處沖刷腐蝕更為嚴重，出現泄漏迫使使用注膠卡具堵漏。因為持續水擊現象的不斷重復，致使凝結水總管流量隨之大幅波動（160-180t/h），出現極不穩定的工況。

（3）蒸汽凝液對換熱器及管路有一定的腐蝕現象。根據現場情況分析，換熱器管板出現坑洼，管線彎頭、變徑處也存在多相流體力學作用的沖刷腐蝕，管線泄露處內壁也出現管壁均勻減薄、泄露鼓包處有腐蝕點或腐蝕坑等現象，據此現象結合腐蝕機理，對本裝置蒸汽凝液腐蝕因素進行再次分析，不僅存在沖刷腐蝕，還有電化學腐蝕：氧腐蝕、二氧化碳腐蝕。

3 凝結水系統的的優化

3.1 流程優化

如圖2所示，①、將工藝伴熱蒸汽凝結水管線改至單獨進罐，避免管線內出現頂流、閃蒸現象;②凝結水罐（V-03）平衡線由DN25改為DN50，增大凝結水罐脫氣，保證凝結水罐壓力平穩;③給凝結水泵P01增加回流線，保證開停工及波動期間不發生泵連續啟停及抽空等現象。采取以上措施后，V-03壓力、液位平穩，不同等級蒸汽凝液氣阻問題順利解決，裝置處理量也更加穩定。

3.2 設備革新

換熱器E-01AB由U型管式管式換熱器更換為固定管板式換熱器，根據前期運行存在的現像，特將管程介質改為氣相甲醇，殼程介質改為1.1MPa 低壓蒸汽充當熱源來降低換熱器的操作壓力，避免凝液在殼程再次產生脈沖、下流不暢的現象，并降低管殼程壓差，也可避免管殼程存在過高的應力，此次加強設備安裝質量，嚴控工藝指標，優化后完全避免因甲醇進料溫度過低引起的反應器低溫聯鎖、凝結水系統水擊現象，加之定期檢查給換熱器長期穩定運行提供了很好的保障。

3.3 操作優化

加強疏水閥的日常管理，將運行中出現的故障疏水器更換為浮球式疏水閥和熱靜力型疏水閥，根據疏水閥現狀運行對比，相較于倒吊桶式疏水閥，杠桿浮球式疏水閥和熱靜力疏水閥后期維護更少，運行更為穩定。并且定期對疏水閥前后溫度進行測量并相應記錄，根據溫度的變化來判定疏水閥疏水的有效性，在冬季期間加強巡查，嚴禁隨意開疏水閥副線，規范操作，并將故障率較高的倒吊桶式疏水器逐步淘汰。

3.4 材質升級

根據運行狀況，管線腐蝕、管線穿孔多發生在線特殊部位，例如彎頭、變徑、直角彎，應將特殊部位材質進行升級，更換為耐蝕性更高的304或316材質的鋼材，管線彎曲半徑盡可能大，減少直角彎曲，可以有效防止管線應力、腐蝕泄漏。

3.5 檢測優化

通過實際運行工況，日常定期聯系專業的檢測隊伍，利用高溫超聲波測厚儀定期對凝結水管線彎頭、變徑、控制閥等部位進行壁厚檢測，制定規范的月檢測制度，并形成檢測記錄，對嚴重沖刷減薄部位提前加固，除定期對彎頭、變徑處焊縫進行目視檢查外，在檢修停工期間通過磁粉、超聲波、射線探傷對焊縫內部進行定期檢查，形成檢測常規化、便捷化，提前預防、提前發現，對于管線防治均有實質性的意義。

4 結束語

綜上所述，通過對MTO裝置凝結水系統的調查、分析、總結、優化， 完善凝結水回收流程，此次優化完蒸汽系統運行更加平穩，蒸汽系統不僅從根本上避免了長之以往的不穩定現象，還增加了主反應系統運行的可靠性，減少蒸汽外逸，避免蒸汽噪音和環境污染，更提高裝置熱源利用率， 節能降耗的同時有效保障裝置在運行中的安全、穩定、長期過程。

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