煉廠儲運罐區蒸汽伴熱與凝結水回收系統研究

蔣敦藝(中國石油廣西石化公司儲運一部，廣西 欽州 535008)

0 引言

實踐中，煉廠儲運重質油罐區的儲罐內經常出現儲罐加熱用蒸汽及凝結水管線與罐體相連接的金屬軟管頻繁泄漏現象，并時常伴有“咚咚”[1]的管道敲擊聲音，即蒸汽加熱管線及凝結水管線發生水擊現象。管線長時間打水擊，嚴重時造成管線斷裂。同時，該系統配備一套凝結水回收撬裝設施，該凝結水回收撬裝將儲罐加熱產生的凝結水回收，后送至全廠凝結水管網系統回收再利用。但是多年來該凝結水回收撬無法做到完全回收，二次冷凝效果差，一直存在就地排放“小白龍”的頑疾。即有高溫凝結水夾雜蒸汽在撬裝泄壓口排放，給現場操作人員的操作環境帶來嚴重的不安全因素，容易造成燙傷等意外事故發生，同時也造成蒸汽及凝結水的浪費。

1 原因分析

1.1 蒸汽伴熱與凝結水回收系統打水擊的直接原因

蒸汽和凝結水管線中形成蒸汽及凝結水兩相混合流，蒸汽推動凝結水向前流動，造成管線內水位逐漸升高，最終管線內形成水堵，此時管線內形成的水堵相當于管線上一臺瞬間關閉的閥門，阻礙蒸汽向前流動。流動速度突然發生變化，管線內蒸汽被壓縮，凝結水被擠壓，在管壁彈性力作用下，管線內發生反復的、急劇的壓力波動。最終連續產生劇烈的管線振動及被錘擊的聲響。發生的沖擊力，可達到額定工作壓力的幾十倍，甚至幾百倍，嚴重時易破壞管道及其附件[2]。

1.2 疏水器選型不當的設計原因

重質油罐區疏水器按其工作原理分為三種：機械型、熱靜力型、熱動力型。機械型疏水器的工作原理為利用蒸汽和凝結水之間的密度差，來排放凝結水；熱靜力型疏水器的工作原理為利用蒸汽和凝結水之間的溫度差，來排放凝結水；而熱動力型疏水器的工作原理為利用蒸汽和凝結水之間的相變，來排放凝結水。儲罐加熱盤管，具有排水量大、換熱溫度要求嚴格等特點，需要盤管后端的蒸汽疏水閥根據水量的變化實時調節排水能力，迅速及時地排除換熱中產生的蒸汽凝結水。因此應當選擇排水量大，工作穩定，性能卓越，使用壽命長的杠桿浮球式疏水閥或自由浮球式疏水閥。熱靜力型疏水閥只能排放具有一定過冷度的凝結水。熱靜力型疏水閥應用在加熱盤管中會造成加熱盤管飽和凝結水排水困難的問題，從而影響儲罐加熱效率，還會造成蒸汽管網積水而產生水擊。而某煉廠的重質油罐區罐加熱及管線伴熱疏水器多采用雙金屬片，屬于熱靜力型疏水器，存在選型不當問題。

1.3 罐區加熱及凝結水配管存在不完善的設計原因

1.3.1 沒有設計儲罐凝結水排放旁通管

儲罐凝結水排放旁通管的作用為在加熱設備投用時，在較短時間內產生大量的凝結水，這些凝結水必須在短時間內排放掉，如凝結水不能及時排放掉，同時加上原設備內滯留的空氣，造成疏水器排放堵塞，凝結水無法正常排放，出現水擊現象。目前在該煉廠重油罐區均無此設計。

1.3.2 沒有設計過濾器、止回閥

過濾器的設計主要目的是過濾掉水垢和銹渣，蒸汽和凝結水夾帶水垢和銹渣在管道內流動，會堵塞疏水器及相關閥門。止回閥目的是防止系統管網水擊對疏水器的傷害。目前在該煉廠重油罐區加熱盤管疏水器前均未過濾器和止回閥，造成凝結水無法正常排放、水擊現象。

1.3.3 疏水器前入口段管線設計有保溫

疏水器前入口段管線設計有保溫層，當凝結水帶著蒸汽進入疏水器時，由于無法散熱，蒸汽不能迅速變為凝結水，蒸汽易形成汽鎖，造成凝結水無法正常排放，出現水擊現象。

1.3.4 儲罐凝結水排放管線與儲罐罐體之間沒有設計金屬軟管

經過排查，發現多個重質油中間罐區儲罐凝結水排放管線與儲罐罐體之間沒有金屬軟管，都為硬管線連接。當系統管網發生水擊時，存在管壁管道焊口拉裂的風險。

1.3.5 凝結水回收撬裝設施選型不合理

在用凝結水回收撬裝設施存在設計缺陷，無閃蒸汽冷卻功能，閃蒸汽出現后會在撬裝聚集，壓力升高后會超壓自動排放。無法將回收到的高溫凝結水降溫，同時由于疏水器的不好用，回收到的高溫凝結水帶有少量蒸汽，高溫凝結水在凝結水回收撬裝設備內發生二次汽化，給全廠凝結水管網外送凝結水時，帶有大量低低壓蒸汽，造成全廠凝結水管網發生打水擊現象[3]。

1.4 現場施工問題

經查少數罐區內安裝的疏水器設備與設計的閥門口徑不一致。例如某罐的設計管道為DN50，但疏水閥經過縮徑后只有DN25，排水量不能滿足現場的要求。特別是選擇雙金屬疏水閥耐背壓差，而且有一定的過冷度，產生的凝結水不是飽和凝結水。有關物質在進入凝結水系統后，和其他凝結水管的凝結水混合后由于溫度差異造成水擊現象。

1.5 疏水器設備質量原因

目前罐區使用雙金屬熱靜力型疏水器，圓形雙金屬片式疏水閥采用正向錐形密封。核心元件——感溫雙金屬片采用國產普通金屬材料。正向密封導致開閥力完全來源于內置彈簧，很可能造成疏水閥因彈簧失效而無法開閥；錐形密封面是淘汰已久的落后的密封面形式，具有集中磨損，使用壽命短；國產普通金屬材料制成的感溫雙金屬片抗疲勞性很差，新閥使用半年后普遍泄漏蒸汽。

1.6 生產操作不當原因

在日常生產過程中，由于操作人員操作不當，閥門操作太快，造成管道流體速度的極大變動，從而造成水擊。同時在疏水器首次投用過程中，軟管未預先暖管，不僅會形成氣阻而影響傳熱效率，而且不凝氣也會加快管道的腐蝕，從而對蒸汽與凝結水系統管網造成水擊等影響。

2 解決措施

2.1 疏水器配管設計要求

完善疏水器配管設計要求，一個完美的疏水器配管設計，不僅能滿足使用要求，更重要的是對設備起到本質的保護。儲罐凝結水排放應設計凝結水排放旁通管，在短時間內大量排放凝結水，減少加熱及凝結水管線內的滯留空氣，防止因空氣氣堵導致的故障。同時在儲罐疏水器前設計過濾器和止回閥，過濾使用過程中產生的水垢和銹渣，確保各種閥類和疏水器不因水垢和銹渣堵塞。并防止蒸汽回串到凝結水系統管網，減少水擊現象。取消疏水器前入口段管線保溫層，強化疏水器前散熱，使蒸汽快速變為凝結水，減少蒸汽汽鎖，使凝結水能正常進入凝結水系統管網[4]。選擇帶有冷凝設備的凝結水回收撬裝設施，將儲罐加熱及管線伴熱產生的高溫凝結水回收到凝結水回收撬裝設施，冷凝降溫后送至全廠凝結水系統管網回收再利用。

2.2 定期對疏水器設備檢測及快速的維護

良好的定期疏水器進行設備檢測，及時進行維護，保障疏水器設備的正常使用，消除因疏水器設備維護不及時對儲罐加熱及凝結水系統的沖擊。在使用過程中應定期進行檢查疏水器的設備完好性，根據相關石化企業檢測的結果來看，華北某石化公司2002年l2月對其中315臺具檢測條件的疏水器進行檢測，完好率達不到60%，東北某石化公司2010年11月15日—2011年3月24日對全部在用疏水器進行效能監測，完好率僅為81.85 %。大量在用的疏水器不完好，帶病運行，造成儲罐蒸汽加熱及凝結水回收系統的不穩定運行，各廠重質油儲罐及相關管線的伴熱經常出現水擊現象，因此確保疏水器的設備完好性尤其重要。

2.3 及時更換不適宜使用工況的疏水器

儲罐加熱盤管使用雙金屬型疏水器不僅不能滿足加溫的要求，而且很容易造成水擊，建議將儲罐加熱盤管雙金屬型疏水器全部更換成機械型疏水器。

2.4 優化生產，減少儲罐加熱

提高儲罐周轉率，減少甚至取消儲罐及管線的加熱。在儲罐具有保溫設施下，油品降溫都需要一定時間，因此提高儲罐周轉率以及定期活線是可以做到減少甚至取消儲罐及管線的加熱，減少凝結水產量，避免管道水擊現象。充分利用高溫罐儲存條件，取消中間罐的加熱。中間重質油罐都為高溫罐，因此提高餾出口出裝置溫度，不僅裝置節能，罐區也能節能，并且可以避免管道水擊現象。優化重質油儲罐加熱，統計儲罐溫降數據，摸索溫降規律，建立升降溫梯度，實現儲罐順序化加熱減少蒸汽消耗，減少凝結水產量，避免管道水擊現象。通過重質油儲罐的溫度與液位對比，發現當儲罐處于6.9 m以上時，每個罐的溫降比較均勻，溫降為0.03 ℃/h左右，依據儲罐的溫降值當儲罐加熱到90 ℃，自然降溫當降到溫度工藝報警低限值高1 ℃即82 ℃，共需要的天數為(90-82)/0.03 ×24=11.1天，當某個重質油罐區內只有213、215、220、221、222五個罐需要加熱，因此11.1天為以上5個罐的一個加熱循環周期，(11.1/5=2.2天)為每個罐的加熱時間，依次對儲罐進行加熱，儲罐溫度形成了梯度差，進而達到一個罐區只有一臺儲罐進行加熱，避免了罐區無序加熱。經過固定操作幾個周期以來，儲罐溫度梯度受控，班組勞動強度大幅降低，罐區加熱蒸汽大幅降低。

2.5 優化凝結水回收撬裝

儲罐蒸汽加熱后產生的高溫凝結水，經過疏水閥和管道沿途阻力，凝結水壓力降低，部分高溫凝結水閃蒸，順著凝結水回收管線進到冷凝水回收撬裝，凝結水回收撬裝空間的突然增大使得凝結水壓力瞬時降低，產生大量的二次蒸汽，閃蒸汽的增加，一方面影響機泵的正常運行，另一方面增加了撬裝壓力平衡閥的負荷，出現了部分蒸汽溢出，產生了小白龍的情況。

原撬裝平衡閥壓力設置0.3 MPa，閃蒸汽溢散嚴重。為了降低閃蒸汽壓力，降低撬裝負荷，在排凝口增加自力式調壓閥，降低冷凝水回收撬裝的背壓，反復摸索發現定壓閥定壓為0.1 MPa時罐內閃蒸汽量最小，并且引管至罐區內排水溝用雨水冷卻微量排放蒸汽，徹底消滅了凝結水撬裝“小白龍”。

2.6 規范操作人員操作

管網停汽后送汽時，要先充分暖管，通過旁通線排放冷凝水以及不凝氣，排盡后切入疏水器慢慢提壓。根據具體情況閥門一扣一扣緩慢打開提壓。需制定操作規程，詳細到每個操作步驟需要進行多長時間，每個時間需要操作那個閥門。

在正常運行過程中，要定期檢查每個疏水器是否正常疏水，一旦發現疏水器損壞，必須及時處理。在管網運行時，要做好巡檢記錄工作，哪段管線凝結水較多，哪段管線容易發生水擊現象，都要做好記錄。

2.7 管線發現水擊現象后，正確的操作處理方法

在水擊發生時，操作人員的正確操作處理方法，能快速消除水擊，減少對蒸汽加熱及系統凝結水系統管網的沖擊，降低因水擊出現管線斷裂泄漏的發生，確保安全生產受控。

一是立即通知關閉前段閥門，關閉蒸汽或減小來汽壓力。

二是保持引起水擊現象的疏水器正常疏水。

三是如果水擊的程度較小，可以緩慢的關小此閥門的開度，降低閥前管線的流動速度，直到全關閥門，消除水擊。

四是如果水擊強度較大，應盡量不要調整造成水擊的閥門，以免盲目關閉閥門造成水擊進一步嚴重。

五是無論任何時候，如果蒸汽及凝結水管線發生水擊現象，錯誤的做法為達到消除水擊的目的而開大導淋閥，迅速排放管線內的凝結水。這樣操作只能是加速管道內汽液兩相流的混合流動，很可能導致管道水擊越來越嚴重。

3 結語

綜上所述，煉廠重質油罐區應采用合適的疏水器，相關加熱管線的設計要合理，凝結水回收撬裝設施選擇要得當，疏水器設備要做到及時維護到位，才能減少蒸汽加熱及凝結水系統管網的水擊現象，并能起到節能降耗的效果。同時，在發生水擊現象后，操作人員采用正確的操作處理方法，快速消除水擊現象，消除因管線長時間打水擊造成出現管線斷裂泄漏情況的發生，從而確保煉廠重質油罐區安全生產受控。