蒸汽過熱爐在高負荷運行中的瓶頸因素及分析

贠瑞龍, 熊 杰, 馬永虎

(1 中海油東方石化有限責任公司, 海南 東方 572600;2 國家能源集團寧夏煤業公司煤制油分公司合成油廠, 寧夏 寧東 750003)

蒸汽過熱爐作為苯乙烯裝置最關鍵的設備之一, 將0.25 MPaG 飽和蒸汽加熱為800℃左右的過熱蒸汽, 過熱蒸汽不僅是供給反應熱的載熱體還提供了乙苯負壓脫氫所需的能量, 對苯乙烯裝置的長周期穩定運行至關重要, 隨著苯乙烯裝置逐漸優化生產需要調整負荷, 在運行期間出現了較多工藝、設備上的瓶頸問題, 需要一一解決。

1 蒸汽過熱爐(H3001)結構

H3001 為自然通風、 雙輻射爐膛公用一個對流段的立式方箱爐, 通過煙道擋板調節爐膛負壓控制燃燒。 根據乙苯絕熱脫氫制苯乙烯工藝的需要, 0.25 MPaG 過熱蒸汽需要兩次加熱,爐管位于爐膛中央, 爐管兩側布置燃燒器, 爐管為雙面輻射傳熱, 輻射段爐管采用立管式, 爐膛A 室為U 型管, 進、 出口都在爐頂并采用集合管分配, 集合管與支管連接采用π 型柔性連接, 彎頭與支管等直徑、 等壁厚, 避免高溫狀態下爐管的熱膨脹應力; 爐膛B 室為單程管, 進口在爐頂, 出口在爐底, 爐管的吊架位于爐頂上部, 爐管可以向下自由膨脹, 采用平衡錘式的平衡系統, 爐管的重量由平衡錘采用杠桿原理平衡, 熱態下爐管的熱膨脹由吊桿自由調節。 對流段位于輻射段的頂上, 根據不同溫度區域的要求, 排列不同材質的換熱管, 換熱管除遮蔽管采用光管外, 其他采用翅片管, 對流段的寬度, 由回彎頭的尺寸、 及換熱管的程數確定, 對流段長度由煙氣質量流速確定。 煙囪位于對流段的頂上, 為了節能及減少占地面積, 不采用引風機強制通風, 同時還避免了引風機位于爐頂引起的震動, 采用煙囪自然排煙的形式, 由煙囪擋板調節爐膛負壓, 使得爐膛處于負壓狀態下操作。

2 蒸汽過熱爐(H3001)參數數據

H3001 設計參數見表1。

表1 蒸氣過熱爐(H3001)設計參數Table 1 Design parameters of steam superheater(H3001)

3 工藝運行現狀分析

苯乙烯裝置蒸汽過熱爐初期、 末期工藝運行參數與實際工況進行對比存在很大的差異, 在裝置初期、 低負荷運行周期中還可以滿足, 而隨著裝置提升負荷及工藝優化, H3001 出現了很多無法突破的瓶頸問題, H3001 工藝參數指標以及現階段運行參數見表2、 表3。

表2 H3001 工藝參數指標Table 2 H3001 Process parameter index

表3 H3001 現階段運行參數Table 3 H3001 Operating parameters at current stage

苯乙烯裝置脫氫反應系統現階段負荷在102%, H3001 已經出現了許多瓶頸問題需要一一解決, 將面臨的問題列舉如下:

(1)脫氫系統進料在現有負荷下, H3001A 室出口溫度偏高。 脫氫系統乙苯進料負荷為25.8 t/h, 脫氫催化劑運行初期反應器溫度為610/612 ℃, A 室出口聯鎖溫度測溫點已經達到810 ~815 ℃達之間, 再考慮脫氫系統運行過程中燃料氣壓力、蒸汽波動帶來的爐溫波動, 爐出口溫度偶爾可達820 ~825 ℃(聯鎖值850 ℃), 因此后續催化劑長周期運行過程中考慮催化劑活性下降需提溫保持穩定的轉化率, 爐出口溫度還需繼續提高, 短期內提高脫氫系統生產負荷, 蒸汽加熱爐長周期運行壓力明顯增加[1]。

(2)現階段H3001 主蒸汽流量為26.8 t/h, 超出初期設計值22.9 t/h 以及H3001 爐管設計運行末期蒸汽流量26.4 t/h,若繼續提量, 在目前的運行負荷下, 過量的0.25 MPaG 蒸汽對H3001 爐管產生的沖刷腐蝕也是威脅, H3001A、 B 室因過量蒸汽沖刷腐蝕而導致的非計劃性停工也同類裝置已經出現過。

(3)為保證現階段運行負荷下蒸汽過熱爐H3001 出口溫度安全可控, 脫氫反應系統主蒸汽與一次蒸汽的配比已充分優化, 但乙苯過熱器(E3001)管程出口溫度已高于設計值, 若此溫度繼續升高, 長時間高溫運行會造成E3001 泄漏, 這樣裝置會被迫出現較長時間非計劃停工, E3001 泄漏導致裝置非計劃性停工在同類裝置已經出現過多次。

(4)由于乙苯裝置中循環苯塔塔頂蒸汽發生器管程泄漏導致苯泄漏進0.25 MPaG 蒸汽管網系統, 0.25 MPaG 蒸汽帶苯進入H3001 爐管, 苯在高溫爐管中結焦、 裂解降低爐管的原有特性, 還導致乙苯脫氫反應的副產物增多、 苯乙烯選擇性降低,最終影響精餾系統的穩定操作。

(5)0.25 MPaG 主蒸汽調節閥FIC30001 卡澀滯后, 當乙苯進料調整負荷時相應就要對主蒸汽與一次蒸汽進行匹配調整,而FIC30001 卡澀滯后導致主蒸汽流量無法量化調節, 給脫氫系統調節負荷帶來了一定操作波動。

(6)脫氫系統進料現有負荷下, H3001B 室爐膛溫度偏高?，F階段B 室爐膛溫度在1018 ~1025 ℃階運行, 而爐膛的設計溫度為1100 ℃, 因此考慮脫氫系統運行過程中提升乙苯進料負荷、 燃料氣壓力波動、 蒸汽正常波動帶來的爐溫波動有可能達到B 室爐膛設計值, 給蒸汽加熱爐長周期運行造成明顯壓力, 嚴重影響了工藝優化的條件。

4 設備運行現狀分析

(1)H3001 煙道擋板執行機構存在執行機構與DCS 輸出值不匹配的問題, DCS 畫面調整輸出值, 現場閥門不動作, 當輸出值到一定程度的閾值時, 繼續調整輸出值, 滯后嚴重的現場閥門才開始動作。

(2)H3001 煙道擋板手操閥HC30001 存在運行不穩定的問題, 當DCS 輸出值變化時, 現場執行機構存在突然關閉的情況, 這種突發事件已經出現過3 次, 不僅影響H3001 的穩定運行, 還有可能導致嚴重的爐膛火嘴熄滅閃爆的安全事故。

(3)H3001A、 B 室中 A3、 B2、 B3、 B4、 B6 各火盆中部分耐火磚傾倒, 各火嘴火焰存在嚴重偏燒現象, 給H3001 的穩定燃燒造成很大影響。

(4)H3001A、 B 進出口爐管位移變化現狀, H3001A、 B 爐管熱膨脹余量達到了一定的上限值, A、 B 室集合管的位移量已經達到最高限值, 這也是裝置運行末期的隱患之一, 如表4所示[2]。

表4 H3001 高溫集合管位移測量Table 4 H3001 high temperature collllecting pipe displacement measurement

(5)H3001 爐外壁的設計溫度為80 ℃, 看火孔周圍有漆膜脫落明顯, 有的看火孔周圍溫度現場測溫接近80 ℃, 火盆中耐火磚傾倒火嘴偏燒導致A、 B 室燃燒效果不好, 如圖1 所示。

圖1 H3001 爐壁看火孔漆膜脫落Fig.1 H3001 Furnace wall firehole paint peeling off

(6)平衡錘在整個爐管伸縮范圍內提供真實可靠的恒定載荷支承。 A 室為U 型爐管, 進出口都在爐頂, 采用平衡錘吊架, 在較高負荷下, 爐管的熱膨脹應力受到平衡錘吊架的限制, 得不到有效的釋放, 對平衡錘構成較大的考驗, 對H3001整體設備結構、 現階段工藝運行狀況是一個很大的考驗, 如圖2所示。

圖2 H3001A 室平衡錘吊架Fig.2 H3001A Balance hammer hanger

(7)彈簧吊架、 平衡錘吊架都對爐管有一定的應力, 爐管的自由膨脹受到一定的限制; 進、 出蒸汽過熱爐工藝管線的彈簧吊架, 彈簧形變達到最大限度, 如圖3 所示。

圖3 H3001 工藝管線彈簧吊架Fig.3 H3001 Process line spring hanger

(8)H3001 相關儀表的引壓管線出現了應力腐蝕, 由于脫氫反應系統反應階段都在高溫區域, 導致各儀表管線的應力釋放不徹底或無法釋放, 最終導致泄漏的安全隱患, 這也是H3001 在運行中的瓶頸因素之一[3]。

(9)H3001A、 B 室爐出口管線存在保溫效果不佳而出現裸露在外的現象, 導致了脫氫系統大量的熱量損失, 造成苯乙烯裝置能耗增加。

5 保持H3001 在高負荷運行工況下穩定運行的應對措施

(1)在苯乙烯裝置穩定運行情況下, 保持脫氫系統進料負荷較低運行, 微調H3001 燃料氣壓力、 保持水比在1.41, 若由于環境溫度、 循環水溫度高導致脫氫進料負荷維持不了需及時降負荷生產;

(2)H3001 操作過程中對爐膛溫度、 氧含量、 爐出口溫度、負壓、 熱效率等參數嚴密監控, 對主蒸汽閥、 煙道擋板閥的現狀進行風險交底、 應急演練, 提高操作人員應對突發事件的處理能力;

(3)H3001A3、 B2、 B3、 B4、 B6 各火盆周圍有耐火磚傾倒, 現階段只能維持裝置運行, 每班巡檢對各火盆底部測溫記錄, 待停工檢修時對傾倒嚴重的耐火磚進行更換處理;

(4)現場巡檢時, 對H3001 的平衡錘、 彈簧吊架、 平衡錘吊架做好巡檢記錄, 發現有異常及時上報并處理;

(5)對加熱爐進出口管線保溫效果不佳及破損的部位, 采取及時修復或重新保溫并增加厚度的處理措施, 減少熱量損失。

(6)針對H3001 煙道擋板執行機構及HC30001 運行不穩定或卡澀的問題, 通過現場維修和后續維護, 保持傳動機構的靈活性, 并增設限位部件, 避免擋板完全閉合導致爐膛火嘴熄滅而發生閃爆的安全事故。

6 結 論

現階段苯乙烯裝置的穩定運行離不開工藝、 設備等各環節的精細處理與協同配合, 通過分析蒸汽過熱爐在高負荷運行中的瓶頸因素并做出相應的應對措施, 在實際生產中確保裝置的安全平穩運行, 也為公司的經濟效益帶來了保證。