低溫甲醇洗裝置再沸器疏水閥后管道水錘現(xiàn)象的分析與消除

王 濤

(恒力石化(大連)煉化有限公司,遼寧大連 116318)

恒力石化(大連)煉化有限公司煤制氫甲醇車間有2個系列低溫甲醇洗裝置(一系列低溫甲醇洗裝置簡稱低甲一,二系列低溫甲醇洗裝置簡稱低甲二),2個系列低溫甲醇洗裝置所采用的技術(shù)均為林德低溫甲醇洗工藝技術(shù),工程設(shè)計任務(wù)由中國天辰工程有限公司承擔(dān)。

低溫甲醇洗崗位的主要任務(wù)是脫除變換氣中的CO2、H2S及有機硫雜質(zhì),同時也脫除變換氣中帶入的飽和水,制得φ(CO2)<0.5%、φ(H2S+COS)<0.1×10-6的合格凈化氣送往變壓吸附(PSA)工段進一步精制凈化。

低甲一脫除部分變換氣中的CO2、H2S及有機硫雜質(zhì),并脫除部分變換氣中帶入的飽和水,制得φ(CO2)=2.5%、φ(H2S+COS)<0.1×10-6的合格凈化氣送往甲醇合成工段;同時為CO2裝置提供合格的CO2原料氣(φ(CO2)≥98.5%);濃縮H2S餾分,為煉化硫回收裝置提供適宜濃度的H2S氣體(φ(H2S)>25%);處理外排尾氣、甲醇水混合物,在回收甲醇的同時符合環(huán)保要求。

低甲二除了將合格的凈化氣送PSA工段制氫,還脫除未變換氣中的CO2、H2S及有機硫雜質(zhì),并脫除未變換氣中帶入的飽和水,制得φ(CO2)=10×10-6、φ(H2S+COS)<0.1×10-6的合格凈化氣送往CO分離及壓縮裝置;同時處理外排尾氣、甲醇水混合物,在回收甲醇的同時符合環(huán)保要求。

低溫甲醇洗是一種物理吸收法,低溫、高壓下在甲醇洗滌塔中完成低溫甲醇對CO2、H2S、COS的吸收;吸收了CO2、H2S、COS等氣體的甲醇溶液(無硫富甲醇和含硫富甲醇)分別經(jīng)過節(jié)流降壓(少量的H2和CO在吸收過程中也被吸收,經(jīng)節(jié)流降壓閃蒸、壓縮后得以回收),釋放出CO2、H2S,再在熱態(tài)下將CO2、H2S從甲醇溶液中完全再生出來,得到完全再生的甲醇(貧甲醇)循環(huán)使用。甲醇熱再生過程中需要用蒸汽進行加熱再生。在熱再生環(huán)節(jié),低低壓蒸汽(0.5 MPa飽和蒸汽)經(jīng)甲醇熱再生塔再沸器(E012)加熱甲醇后變成高溫冷凝液送到凝液收集罐(V017)。2個系列低溫甲醇洗裝置的此股冷凝液進入凝液收集罐(V017)的管線后,都出現(xiàn)明顯的水錘現(xiàn)象,低甲二冷凝液管線水錘現(xiàn)象特別嚴(yán)重。

1 蒸汽冷凝液流程

煤制氫甲醇車間2個系列低溫甲醇洗裝置分別于2019年2月和2019年4月投入運行。本文以低甲二疏水閥后冷凝液管線調(diào)整及改造過程進行說明。該低溫甲醇洗裝置甲醇熱再生塔使用的0.5 MPa飽和蒸汽經(jīng)再沸器(E012)與塔內(nèi)甲醇換熱后,經(jīng)蒸汽疏水閥組(2個并連的疏水閥組及公用1組旁路閥)分離出冷凝液后,與來自管網(wǎng)0.5 MPa飽和蒸汽伴熱疏水和來自CO分離及壓縮裝置的再生氣加熱器(44143E003)產(chǎn)生的冷凝液匯合后,進入凝液收集罐(V017)。凝液收集罐(V017)產(chǎn)生的閃蒸汽送變換除氧器(43132V008),凝液收集罐(V017)的冷凝液經(jīng)冷凝液泵(44142P012)加壓至1.0 MPa后送到冷凝液管網(wǎng)。低甲二甲醇/水分離塔再沸器(44142E015)用1.0 MPa蒸汽加熱后,經(jīng)疏水閥組進入凝液閃蒸槽(44142V016),凝液閃蒸槽(44142V016)產(chǎn)生的高壓閃蒸汽送到0.5 MPa的飽和蒸汽管網(wǎng),冷凝液經(jīng)液位自調(diào)閥(44142LV2812)送到凝液收集罐(V017)[1-2]。產(chǎn)生水錘振動現(xiàn)象的位置是再沸器(E012)疏水閥后管道與來自管網(wǎng)0.5 MPa飽和蒸汽伴熱疏水,以及來自CO分離與壓縮裝置的再生氣加熱器(44143E003)產(chǎn)生的冷凝液匯合后的總管匯合處。蒸汽冷凝液流程見圖1。

圖1 蒸汽冷凝液流程

2 蒸汽疏水閥原理及水錘現(xiàn)象

在有壓力的管路中,某種外界原因(如閥門突然關(guān)閉、水泵機組突然停車)使水的流速突然發(fā)生變化,從而引起水擊的水力現(xiàn)象稱為水擊或水錘[3]。

蒸汽疏水閥是一個能無需外界幫助,自動從設(shè)備或管道中排出冷凝水的裝置。蒸汽疏水閥的作用是自動排除加熱設(shè)備或蒸汽管道中的蒸汽凝結(jié)水及空氣等不凝氣體,且不漏出蒸汽[4]。由于蒸汽疏水閥具有阻汽排水的作用,可使蒸汽加熱設(shè)備均勻給熱,充分利用蒸汽潛熱防止蒸汽管道中發(fā)生水錘。

蒸汽系統(tǒng)和冷凝水回收系統(tǒng)中發(fā)生的水錘,通常分為兩大類:

(1) 在蒸汽主管上由于輻射散熱的原因,會產(chǎn)生冷凝水;蒸汽在管道內(nèi)高速的流動從而帶動冷凝水一起流動造成了漣漪,隨著蒸汽的帶動冷凝水在管道內(nèi)慢慢形成了一定的規(guī)模。在這種情況下,類似于強風(fēng)引起的巨大海浪,高速的冷凝水突然進入管道內(nèi),當(dāng)冷凝水猛烈地撞擊到彎頭或一個關(guān)閉著的閥門時,發(fā)生水錘現(xiàn)象。

(2) 蒸汽急速冷凝,發(fā)生相互撞擊。當(dāng)蒸汽損失了熱量,它會轉(zhuǎn)變?yōu)槔淠?其體積是蒸汽體積的千分之一。因此,當(dāng)蒸汽進入接觸到低溫的冷凝水從而發(fā)生冷凝時,蒸汽的體積立刻發(fā)生巨大的變化。當(dāng)蒸汽在冷凝過程中,由于體積減小會暫時形成真空狀態(tài),因此管道內(nèi)的冷凝水會被吸到這個真空的空間。這種情況就會形成水錘,冷凝水在管道內(nèi)形成浪涌互相撞擊。

簡而言之,管道內(nèi)的低溫冷凝水與蒸汽混合是非常危險的,但這樣的情況又是非常普遍的。在冷凝水回收系統(tǒng)或類似的系統(tǒng)中,這是一種非常難以解決的水錘形式。值得注意的是,這種類型的水錘形式不僅會出現(xiàn)在冷凝水回收系統(tǒng)中,還會發(fā)生在蒸汽配送管道和蒸汽用設(shè)備中。低甲二出現(xiàn)的水錘現(xiàn)象符合第2種現(xiàn)象。

水錘現(xiàn)象破壞力很大,它會導(dǎo)致管道振動大,甚至管道閥門破裂。低甲二就出現(xiàn)蒸汽疏水閥后閥門壓蓋泄漏,閥后壓力表多次損壞,壓力表根部閥前法蘭泄漏。為了維護系統(tǒng)正常運行,只能對泄漏的法蘭進行帶壓堵漏,以維持運行,這也給裝置埋下安全隱患。

3 工藝調(diào)整及改造

該低溫甲醇洗裝置使用的蒸汽疏水閥是進口公司的杠桿浮球式疏水閥。經(jīng)過觀察,凝液收集槽(V017)的冷凝液進入冷凝液泵(44142P012),泵入口處安裝了現(xiàn)場壓力表,當(dāng)此處的壓力波動劇烈時(從0.15 MPa波動到0.32 MPa),容易出現(xiàn)管道異響(水錘現(xiàn)象)。

從多方面進行分析和處理,最初懷疑蒸汽疏水閥有問題,懷疑蒸汽疏水閥漏汽造成水錘?，F(xiàn)場查看并拆檢蒸汽疏水閥發(fā)現(xiàn)蒸汽疏水閥無異常,工作期間運行正?！，F(xiàn)場調(diào)整了從凝液閃蒸槽(44142V016)來的蒸汽冷凝液量,將液位自調(diào)閥(44142LV2812)改成手動調(diào)節(jié),穩(wěn)定在一定開度,保持冷凝液流量穩(wěn)定、無大幅度波動。經(jīng)過一段時間觀察,變換除氧器(43132V008)的壓力穩(wěn)定在0.18 MPa時,凝液收集罐(V017)壓力依然波動,水錘現(xiàn)象依然頻繁發(fā)生。嘗試采用調(diào)整蒸汽疏水閥前后切斷閥開度、開蒸汽疏水閥旁路閥,調(diào)整凝液收集罐(V017)液位滿液位、關(guān)閉蒸汽疏水閥組,以及調(diào)整旁路閥開度的操作方式,均不能消除水錘振動現(xiàn)象。

根據(jù)蒸汽疏水閥廠家現(xiàn)場工程技術(shù)人員的考察,分析可能是凝液收集罐(V017)壓力波動造成蒸汽疏水閥背壓,即蒸汽疏水閥下游壓力波動,從而影響疏水閥的正常使用。蒸汽疏水閥入口(一次側(cè))的壓力和背壓之間的差值為工作壓差;如果有冷凝水流入的閃蒸罐的壓力升高,背壓也會升高。由于冷凝液收集罐(V017)壓力波動較大,會使疏水閥失去正常功能(按照疏水閥廠家的要求疏水閥前后壓差必須大于0.1 MPa)。蒸汽疏水閥廠家現(xiàn)場工程技術(shù)人員建議在蒸汽疏水閥后冷凝液管上增加止回閥,以消除冷凝液逆流現(xiàn)象,起到對設(shè)備、管道、閥門等的保護作用,并消除水錘現(xiàn)象。

借鑒其他再沸器運行的經(jīng)驗,計劃增加再沸器的液位自調(diào)閥,以控制再沸器保持一定液位,減少液擊現(xiàn)象發(fā)生。為此,設(shè)計院設(shè)計出了自調(diào)閥的安裝配管方案并提供了自調(diào)閥技術(shù)規(guī)格要求。但該方案需要在系統(tǒng)停車時實施,同時這也是一種嘗試手段,并不能保證一定會解決該項問題。

為了能早日解決當(dāng)前正常生產(chǎn)狀況下水錘現(xiàn)象的安全隱患,考慮到水錘現(xiàn)象主要發(fā)生在疏水閥后和冷凝液總管匯合處,提出從疏水閥后新配1條去凝液收集罐(V017)的管道,避免各種溫度不同的冷凝液相遇出現(xiàn)水錘振動現(xiàn)象。由于凝液收集罐(V017)沒有備用管口,只能利用遠傳和現(xiàn)場液位計根部閥;考慮冷凝液管道設(shè)計通徑較大(DN80),2020年2月25日首先改造了低甲二遠傳液位計(DN80),并投用了1組蒸汽疏水閥,即關(guān)閉該蒸汽疏水閥去原冷凝液總管的后切斷閥,打開直接去凝液收集罐(V017)液位計新配管道上的閥門(該閥門開2到3扣,太大易出現(xiàn)水錘振動),通過該管線的投用,完全消除了水錘現(xiàn)象。由于新配管線是安裝在遠傳液位計的下口,導(dǎo)致遠傳液位波動。經(jīng)過觀察,投用該管線后,凝液收集罐(V017)壓力相對穩(wěn)定,波動較小(冷凝液泵(44142P012)入口壓力在0.23～0.25 MPa波動)。2020年3月18日,又對低甲一甲醇熱再生塔再沸器(E012)蒸汽疏水閥后管道進行改造,將該管道配到凝液收集罐(V017)現(xiàn)場液位計的根部閥(DN40)后,投用后,遠傳液位穩(wěn)定,水錘現(xiàn)象完全消失。

改造后的蒸汽凝液流程見圖2。

圖2 改造后蒸汽凝液流程

4 結(jié)語

針對冷凝液管道出現(xiàn)水錘振動的現(xiàn)象,應(yīng)該查找振動源,多方面總結(jié)分析調(diào)整,根據(jù)現(xiàn)場實際情況,在不影響系統(tǒng)正常運行的情況下,大膽摸索實踐。本改造是一個成功的案例,投資少(1臺DN80-150LB和1臺DN50-150LB閥門,20 m的DN80鋼管),施工簡單,操作方便,有效消除了水錘隱患,維護了生產(chǎn)的安全長周期運行。蒸汽凝液管道的水錘問題不僅僅發(fā)生在單個裝置內(nèi),對于系統(tǒng)管廊上多股凝液匯合后因各工藝凝液溫度不同也會出現(xiàn)水錘的問題,該改造思路可為同類型裝置的前期設(shè)計、安全穩(wěn)定運行提供參考。