石化企業加氫設備換熱器故障分析方法

趙大雷

（中國石油哈爾濱石化分公司，黑龍江哈爾濱 150056）

0 引言

由于存在著諸如氫氣、油類等介質的雙重作用，所以在加氫設備中存在著高度的危險。而且，由于加氫過程本身就是一種強烈的放熱反應，所以在高溫和壓力下，有些管線會發生氫化，導致發生爆炸。而且，除了氫氣之外，在加氫過程中，也存在著其他易燃和爆炸的危險。從這一點可以看出，氫氣設備的換熱器故障是極其危險的，如果發生這種情況，將會給周圍的環境帶來巨大的破壞。因此，在實際使用這類換熱器時，必須重視對其進行故障的診斷和分析，從而能夠迅速地找到并處理這些問題。只有如此，才能保證氫氣設備的使用，從而防止因設備的失效而造成的安全隱患。

1 加氫式換熱器失效原因分析

（1）由于循環氫的流動對熱交換器的溫度產生了作用而引起的失效。在操作過程中，循環氫氣又稱為“急冷氫氣”，它的流動速度較高，使熱交換機內的溫度下降，從而使設備的轉換效率下降；但循環氫氣的流速過小，就會影響到整個裝置的冷卻，造成裂解過程中的過量反應，使床內的溫度持續上升，最后造成設備的失效。

（2）由于供給的流量對熱交換器的溫度產生了影響而造成的失效。在此設備操作過程中，如果其他情況都相同，物料的用量就會增大，并且每小時的催化物料的通過率也會相應增大，使物料與催化劑的反應速度加快，不但會對產品的品質產生不利的效果，而且還會引起換熱設備的溫度升高，進而引起設備失效。

（3）由于原料的溫度對交換器的溫度產生作用而引起的失效。在特定的換熱器工作過程中，當加熱爐的加熱溫度增加時，其末端的反應速度就會增加，使其本身的熱量增加，使其處于較高的溫度下，使其在較高的溫度下易于結炭，進而引起熱交換器失效[2]。

（4）由于冷卻介質的干擾而造成的失效。當塔頂部的冷卻液突然停止供給，隨著反應的進行和熱積累，塔尖的溫度會急劇升高，一旦超過了設計值，不但會影響到產品的品質，還會引起裝置的失效，從而引起安全問題。

（5）由頂部回流末端對頂部的溫度產生的作用而引起的失效。在使用中，當塔頂部回流發生中斷時，會使塔頂部的溫度急劇上升，使煤油和柴油的回收量增大，不但會對塔底部的成品造成不利的影響，而且極有可能由于過熱引起的熱交換器失效，造成火災、爆炸等安全問題。

2 加氫式換熱器的故障診斷模式的構建

2.1 換熱器的主成分和反應產品

在石化工業中，對加氫氣設備的換熱器進行建模時，必須確定其主要成分及反應產品，并據此進行分析，以便為以后的建模打下堅實的理論基礎。就現有的制氫工藝而言，它的基本原則是將氫氣、油中的硫、沸點比汽油高的噻吩類等物質分離出來，從而達到提高原油的質量，達到符合當前環保要求的目的。在實際的加氫法中，加氫裂化和加氫精致是兩大類技術。氫氣、油及其所含氮、氧、硫、重金屬等的雜質是氫氣和油，其主要產品為低分子量產物。

2.2 換熱器的故障特性

根據加氫設備中熱交換材料和反應產物特性，在構建該系統時，可以將該系統分成若干個虛擬群，并根據其用途將該系統分成若干個集合。根據熱交換機所具備的動力學理論，可以分為原料油、航空煤油、柴油、輕石腦油、重石腦油和煤氣等原料。在該裝置工作時，柴油、輕石腦油、重石腦油和煤氣都會在同一時間產生，而在反應器內，液態的混合速度也不會改變。在這種情況下，根據熱交換器與氫的壓力輸出關系，可以得到如下的結論：

其中，Ki表示換熱器的溫度以及氫的壓力；Ai表示反應總量的前期因素；e 表示虛擬的因子，Ei表示活性，R 表示污染因子，T 表示溫度[4]。采用恩氏蒸發技術對熱交換器內的油及反應劑進行分離，從而達到了對虛擬成分進行科學分割的目的。

2.3 熱交換機的故障分析程序的制定

根據以上各項動態響應的指標，調整各部件的流速、壓強，從而達到了科學地建立故障診斷的過程。在此過程中，可以將其分為4 大部分：①過程體系，其主要檢查的是設備進口部位的溫度和進氣濾清器過高的壓力；②系統故障，主要檢查系統進水，部件損壞，振動和部件的溫度；③裝置監測，其主要功能有控制電路、儀表型號、控制信號的穩定；④公共設備，包括蒸汽溫度、循環氫供應中斷、儀器故障等。

利用此模式對氫氣設備的換熱器進行故障分析時，采用以上方法對各部件進行流量和壓力的檢測。在具體的檢查中，重點檢查了下列物質的流動和壓力：主分餾塔的進料、汽提進料、塔頂冷卻塔、酸液排出、塔頂油、塔底排油、塔底排油、最后排油、煤油、二次回流、超氣化油的回流、塔頂回流、煤油汽提塔、柴油汽提塔。

由于加氫換熱器的結構較為復雜，因此在進行特定的檢查時，為了綜合反映動態和物理性能的各種因素，可以使實測得到的結果與真實的結果存在一些偏差。

2.4 熱交換機的故障診斷模式的構建

在石化工業中，一般采用加氫氣交換器來處理直餾柴油、焦化汽油和焦化柴油。故障分析模式的原理如圖1 所示。

這類熱交換器有兩種主要的類型，一種是高壓的混合供給型，另一種是低分油型，兩種不同類型的熱交換器的比較見表1。

表1 兩種類型的熱交換器比較

在加氫廠的換熱器實際使用中，存在的問題有：反應爐內的溫度超過限值，加熱爐的停爐引起的爐膛閃爆，高壓或低壓分離器的水位控制故障，安全儀表故障，循環氫氣壓縮機故障等。加氫脫氧、加氫脫硫、加氫、加氫裂化等過程，都會產生劇烈的放熱現象，這種狀況下，必須向加氫設備內加入急冷氫，才能保證催化劑床層的溫度不變。在這個階段，若加載的急冷氫氣流量不夠，則會導致大量的熱無法被及時地排出，導致反應床內的氣溫持續升高。若長期處于這種工作狀態，氫氣設備的換熱器極易產生漏油現象，造成火災、爆炸等嚴重的安全隱患；當設備在反應期間，系統的壓力是由一個高壓分離機來完成的，這時，當液體的高度超過限制，就會有大量的高壓氣體流入到低壓系統中，導致整個系統因為超壓而產生爆炸。若低壓分流裝置中的液體水平較高或氣體水平較低，則會導致脫丁烷塔內的高壓，造成裝置的損傷；循環式壓縮機在使用過程中，如果溫度和壓力太大，很容易損壞管道、壓縮機和儀器，引起泄漏，嚴重時會引起火災和爆炸。在加氫爐的換熱器中，已經安裝了危險的、易燃性的警報設備，但如果警報設備沒有安裝到位，或是操作人員沒有對其進行定期的檢測，就會造成警報系統的工作狀態不正常，不能根據需要進行報警。而且，由于它的主要媒介是易燃的、腐蝕的，如果其內部發生了變化，很可能會導致裝備的破損和材料泄漏，從而引發爆炸、火災等嚴重的安全問題。

3 加氫換熱器模擬試驗與研究

3.1 試驗目標

利用此方法，對石化企業加氫換熱器進行了故障診斷建模，從而對其實際使用情況進行分析，并對其進行模擬分析。在這一模擬試驗中，主要試驗思想是利用新的故障診斷模式，來模擬石化工業中使用的氫氣換熱器的故障，并將其與常規的故障檢測結果進行比較，從而達到可靠性判定的目的。

3.2 試驗方案

在試驗中，以上重要的原因作為試驗目標，以不同的因子進行了分類：①由于供給率對換熱裝置的溫度造成的失效；②由于原料溫度對換熱裝置溫度造成的失效；③由于冷卻介質干擾對塔尖的溫度造成的失效；④由于頂部回流末端對塔尖的溫度造成的失效。將此模式設置為試驗組，將常規故障檢測法設置為控制點。此次模擬試驗選取了100 個樣品。

3.3 試驗成果

根據以上的故障分析模式，分析了由于不同原因引起的加氫氣設備的換熱樣品的失效原因，并將試驗組與常規診斷法得到的數據進行比較。試驗組與常規診斷的比較正確性如圖2 所示。

圖2 試驗組與常規診斷的比較正確性

3.4 試驗研究

從以上兩種方法的識別精度來看，此方法與常規方法相比，可以提高石化企業的換熱器的故障識別精度。與常規人工探測方法相比，本方法能有效提高設備的故障診斷率，并能有效地發現設備的失效和故障產生的不利后果。因此，這種方法的可靠性很高。

4 結束語

在石化工業中，加氫機的換熱裝置是重要的工藝裝備。在實際操作中，一旦發生故障，極有可能導致嚴重的安全隱患，造成無法估計的經濟損失。為了更好地保證換熱器的工作性能，防止它的失效，相關企業、科研工作者和技術工作者都要加強對它的分析和分析。針對實際的失效狀況和影響因子，科學地構建了一個基于數學建模的數學模型，并用試驗模擬方法對該數學建模進行檢驗。經過檢驗，與常規的手工診斷方法相比，采用一種更加科學、合理的診斷方法，能夠及時準確地診斷出換熱元件的失效，為及時排除故障和維護裝置的正常運轉奠定基礎。只有這樣，石化工業生產中的換熱器問題才能得到有效解決，提高生產效率、質量和安全性，使石化工業健康發展。