氨汽提尿素工藝中壓系統(tǒng)故障分析及處理

孫豐澤, 李羅真

(海洋石油富島有限公司, 海南東方 572600)

海洋石油富島有限公司化肥一期尿素裝置采用斯那姆氨汽提法尿素生產(chǎn)工藝,設(shè)計產(chǎn)能為1 765 t/d。生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)中壓系統(tǒng)存在中壓吸收塔(C-101)塔頂溫度高、中壓甲銨冷凝器(E-106)出口溫度(TIC41026)超標(biāo)、中壓分解塔溫度(TIC41021)低的問題。筆者針對這3種故障產(chǎn)生的原因進行分析,并采取相應(yīng)的措施,以保證設(shè)備的安全運行。

1 中壓系統(tǒng)工藝流程

NH3和CO2進入高壓系統(tǒng)反應(yīng)生成尿素,從汽提塔(E-101)底部出來的尿液進入中壓分離器(V-102),將減壓閃蒸出來的NH3和CO2分離出來;尿液經(jīng)填料下到中壓分解塔(E-102A/B)管側(cè)進行加熱分解。中壓分離器(V-102)出氣與碳銨液泵(P-103A/B)來的液體混合后進入真空預(yù)濃縮器(E-113)殼側(cè),在此部分冷凝吸收,反應(yīng)熱用于加熱真空預(yù)濃縮器(E-113)管側(cè)的尿液。真空預(yù)濃縮器(E-113)殼側(cè)出來的氣液混合物進入中壓甲銨冷凝器(E-106)殼側(cè),大部分氣體被冷凝吸收,反應(yīng)熱被管側(cè)的冷卻水帶走。從中壓甲銨冷凝器(E-106)來的混合物流入中壓吸收塔(C-101)進一步吸收,中壓吸收塔(C-101)頂部出來的氣氨和惰氣進入氨冷器(E-109)殼側(cè)冷凝,惰氣和冷凝的液氨分別經(jīng)氣相管和液相管進入氨受槽(V-105),從氨受槽(V-105)頂部出來的含殘余NH3的惰氣送到中壓氨吸收塔(E-111)/中壓惰氣洗滌塔(C-103)進一步吸收。洗滌后的惰氣含NH3體積分?jǐn)?shù)<1%,經(jīng)壓力控制閥(PV41026)放空至中低壓放空煙囪[1-2]。中壓系統(tǒng)工藝流程見圖1。

E-105—高壓甲銨冷凝器; V-103—低壓分離器; V-109—汽提塔蒸汽冷凝液分離器; TV41026—中壓甲銨冷凝器(E-106)出口溫度調(diào)節(jié)閥;LV41009B—液位控制閥;LS—增壓蒸汽;CW—冷卻水。

2 原因分析及處理

2.1 中壓甲銨冷凝器(E-106)出口溫度高

2020年以來中壓甲銨冷凝器(E-106)出口溫度(TIC41026)持續(xù)上漲,甚至已經(jīng)超出正常控制溫度(83 ℃)。2020年6月10日裝置大修前,中壓甲銨冷凝器(E-106)出口溫度調(diào)節(jié)閥(TV41026)已達到100%開度,無調(diào)節(jié)余量。2020年1月—5月中壓甲銨冷凝器(E-106)出口溫度及調(diào)節(jié)閥具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 2020年1月—5月中壓甲銨冷凝器(E-106)出口溫度及調(diào)節(jié)閥開度

2.1.1 原因分析

導(dǎo)致中壓甲銨冷凝器(E-106)出口溫度(TIC41026)高有以下2個原因:

(1) 真空預(yù)濃縮器(E-113)換熱效果差。

真空預(yù)濃縮器(E-113)換熱效果變差,當(dāng)其出口溫度高時,進入中壓甲銨冷凝器(E-106)的工藝物料溫度也高,導(dǎo)致中壓甲銨冷凝器(E-106)出口溫度(TIC41026)上漲。2019年6月—2020年6月真空預(yù)濃縮器(E-113)出口溫度趨勢見圖2。由圖2可以看出:真空預(yù)濃縮器(E-113)殼側(cè)出來的氣液混合物進入中壓冷凝器殼側(cè)前溫度持續(xù)上漲,說明氣液混合物在真空預(yù)濃縮器(E-113)殼側(cè)沒有得到充分換熱,大量熱量帶到中壓甲銨冷凝器(E-106),導(dǎo)致甲銨冷凝器出口溫度(TIC41026)超標(biāo)。

圖2 真空預(yù)濃縮器(E-113)出口溫度趨勢

(2) 中壓甲銨冷凝器(E-106)結(jié)垢,換熱效果差。

裝置距離上次大修已經(jīng)超過2 a,由于換熱列管在長時間工作中會慢慢結(jié)垢,在列管結(jié)垢達到一定量時,換熱效果將會大大降低,甚至無法滿足生產(chǎn)需求。2019年6月—2020年6月中壓甲銨冷凝器(E-106)換熱進、出口冷卻水溫度趨勢見圖3。

由圖3可以看出:中壓甲銨冷凝器(E-106)換熱進口冷卻水溫度較為平穩(wěn),出口冷卻水溫度呈下降趨勢。由此判斷中壓甲銨冷凝器(E-106)列管結(jié)垢嚴(yán)重,需要在大修中進行機械水射流處理。

2.1.2 處理措施

2020年6月10日裝置停車進入大修階段,聯(lián)系機修人員拆卸中壓甲銨冷凝器(E-106)上下封頭,發(fā)現(xiàn)其列管結(jié)垢嚴(yán)重(見圖4)。

圖4 中壓甲銨冷凝器(E-106)換熱管結(jié)垢

聯(lián)系外委單位對中壓甲銨冷凝器(E-106)進行處理,采用120 MPa的高壓水射流前后反復(fù)清洗6次達到了驗收標(biāo)準(zhǔn)。

大修期間對真空預(yù)濃縮器(E-113)進行內(nèi)部檢查,發(fā)現(xiàn)進液折流板有1處裂紋、管板局部結(jié)垢嚴(yán)重、溢流堰底部排液孔堵塞、升氣管旋流孔堵塞嚴(yán)重,這些問題的存在使得真空預(yù)濃縮器(E-113)列管負(fù)荷分配不均,嚴(yán)重影響了其換熱效果。隨即將裂縫進行焊接,并徹底清理結(jié)垢、疏通孔堵。

2020年7月31日大修結(jié)束恢復(fù)系統(tǒng)正常運行后,中壓系統(tǒng)各項指標(biāo)運行正常,真空預(yù)濃縮器(E-113)出液溫度由大修前的110.5 ℃恢復(fù)至正常溫度(104.5 ℃),中壓甲銨冷凝器(E-106)出口溫度調(diào)節(jié)閥(TV41026)閥位下降至30%左右,其出口溫度(TIC41026)恢復(fù)正常控制溫度(83 ℃)。

2.2 中壓吸收塔(C-101)塔頂溫度高

從2016年5月下旬開始,中壓吸收塔(C-101)塔頂溫度經(jīng)常出現(xiàn)異常升高的現(xiàn)象,有時甚至超過了廠控指標(biāo)(≤44 ℃),導(dǎo)致廠控指標(biāo)合格率下降,見圖5。同時,溫度高可能導(dǎo)致CO2竄到氨受槽(V-105)中,從而損壞高壓氨泵機封,嚴(yán)重影響裝置的安全穩(wěn)定運行。

圖5 中壓吸收塔(C-101)塔頂溫度變化

2.2.1 原因分析

導(dǎo)致中壓吸收塔(C-101)塔頂溫度高的原因有2個,分別為合成塔(R-101)出液閥(HV41006)故障和中壓吸收塔(C-101)塔頂組分異常。

工藝人員對影響中壓吸收塔(C-101)塔頂溫度因素進行排查,初步判斷合成塔(R-101)出液閥(HV41006)出現(xiàn)故障。裝置停車期間,對合成塔(R-101)出液閥(HV41006)進行解體檢查,發(fā)現(xiàn)其閥板3根卡銷斷了2根(見圖6)。合成塔(R-101)出液閥(HV41006)故障導(dǎo)致高壓系統(tǒng)汽提塔液位控制閥(LIC41011)和中壓吸收塔(C-101)液位控制閥大幅度波動,從而造成中壓吸收塔(C-101)塔頂溫度上升。

圖6 合成塔出液閥(HV41006)斷裂示意圖

對中壓吸收塔(C-101)塔頂組分進行分析,結(jié)果見表2。和2016年1月的分析數(shù)據(jù)進行對比,發(fā)現(xiàn)中壓吸收塔(C-101)塔頂組分多了芳香烴化合物。由于芳香烴化合物的存在,改變了正常情況下中壓吸收塔(C-101)內(nèi)部各項組分的分壓,從而影響了泡罩塔餾段吸收的氣液相平衡,造成吸收效率下降,從而使溫度不斷上升。

表2 中壓吸收塔(C-101)塔頂組分分析結(jié)果對比

2.2.2 處理措施

2016年,合成裝置進行原料氣改造,導(dǎo)致尿素裝置除了使用合成脫碳單元的CO2外,還使用了合成預(yù)脫碳單元的CO2。為進一步確認(rèn)尿素裝置芳香烴的來源,對原料CO2進行取樣分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn),從合成預(yù)脫碳單元來的原料CO2存在著芳香烴。隨后聯(lián)系儀表維修人員對合成塔(R-101)出液閥(HV41006)進行檢修,恢復(fù)閥門的正常狀態(tài);尿素裝置不再使用合成預(yù)脫碳單元的CO2,只使用合成脫碳單元的CO2。裝置再次開車后,中壓吸收塔(C-101)塔頂溫度恢復(fù)正常,溫度在可控范圍之內(nèi)(<44 ℃)。

2.3 中壓分解塔溫度(TIC41021)低

中壓分解塔(E-102A/B)為列管式換熱器,分E-102A和E-102B 2段,列管和管板采用脹接和密封焊連接。E-102A用0.60 MPa的增壓蒸汽加熱,蒸汽冷凝液經(jīng)過疏水器回收至高壓甲銨冷凝器(E-105)。E-102B用來自汽提塔蒸汽冷凝液分離器(V-109)的蒸汽冷凝液加熱,蒸汽冷凝液壓力為1.9 MPa,換熱后的冷凝液經(jīng)過液位控制閥(LV41009B)回收至高壓甲銨冷凝器(E-105)。正常情況下,為保證中壓分解塔溫度(TIC41021),工藝上用壓力為2.15 MPa的蒸汽對E-102B進行加熱,蒸汽流量由加熱蒸汽閥門(HV41011)控制[3-4]。2021年1月尿素裝置開車后,工藝人員發(fā)現(xiàn)中壓分解塔溫度(TIC41021)偏低,加熱蒸汽閥門(HV41011)在全開的狀態(tài)下仍然多次出現(xiàn)溫度低于153 ℃的情況,正常情況下中壓分解塔溫度(TIC41021)控制在153～160 ℃。同時,出現(xiàn)增壓蒸汽壓力偏高,達到了0.68 MPa,這導(dǎo)致了中壓后系統(tǒng)負(fù)荷高、裝置耗氣量大。

2.3.1 原因分析

檢查發(fā)現(xiàn)E-102A的1個疏水器存在故障,降低了蒸汽冷凝液流通量,從而導(dǎo)致E-102A換熱效果下降、增壓蒸汽壓力高。

2.3.2 處理措施

打開E-102A疏水器副線以滿足蒸汽冷凝液流通量,下一步將對損壞的疏水器進行更換。

經(jīng)過以上措施后,中壓分解塔溫度(TIC41021)恢復(fù)正常,達到158 ℃以上,增壓蒸汽壓力恢復(fù)到0.60 MPa。同時,加熱蒸汽閥門(HV41011)在關(guān)閉的狀態(tài)下中壓分解塔溫度(TIC41021)仍能合格,降低了裝置耗氣量。

3 中壓系統(tǒng)故障日常管理

隨著尿素裝置運行年限的增加,系統(tǒng)缺陷逐年增加,因此必須要加大對中壓系統(tǒng)的日常管理,才能確保尿素裝置穩(wěn)定運行。

(1) 加強主控監(jiān)盤和現(xiàn)場巡檢,發(fā)現(xiàn)工藝參數(shù)和運行工況異常,及時排查原因。

(2) 對系統(tǒng)的換熱器換熱情況進行跟蹤,同時制定化學(xué)清洗和機械水射流作業(yè)計劃,保證換熱器的換熱效果。

(3) 定期對系統(tǒng)的蒸汽疏水器進行全面排查,建立疏水器檢查清單,如有損壞,及時更換。

(4) 裝置大修期間,對裝置系統(tǒng)的重要閥門進行檢查,保質(zhì)保量。

4 結(jié)語

通過加強中壓系統(tǒng)故障排查和設(shè)備日常維護管理,及時發(fā)現(xiàn)和處理多起故障,保證了中壓系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行,同時降低了裝置蒸汽消耗,減輕了員工的工作強度。