燃氣透平廢熱輔助鍋爐二十五年改造更新回顧

陳新振，符君

（海洋石油富島有限公司，海南 東方 572600）

1 前言

海洋石油富島有限公司化肥一期合成氨裝置設計生產能力為合成氨1000t/d，采用英國ICI—AMV生產工藝，以組分含高二氧化碳的天然氣為生產原料。燃氣透平廢熱鍋爐（設備位號02B001）為意大利MACCHI制造，高壓蒸汽設計產能為100t/h，操作壓力12.6MPa。燃氣透平廢熱鍋爐有2種運行方式：FDF方式和TEG方式。燃氣透平（驅動空壓機）故障或停運時廢熱鍋爐在FDF方式運行向裝置提供高壓蒸汽。在燃氣透平開車正常時，F(xiàn)DF切換為TEG方式運行，不但可提高燃氣透平的熱效率，也提高了燃氣透平廢熱鍋爐運行的安全穩(wěn)定性。自1996年5月1日點火運行到現(xiàn)在已運行超過27年，由于各方面的原因經過多次技術改造及更新。燃氣透平廢熱鍋爐流程簡圖如圖1所示。

圖1 燃氣透平廢熱鍋爐流程簡圖

2 廢熱鍋爐燃料氣管線改造

2.1 燃料氣管線改造的原因

由于02B001運行方式FDF與TEG互相切換時，點火燒咀將點燃。主燒咀減負荷至25%，即燃氣控制閥FV02055將關至25%，且TEG運行方式切換至FDF運行時2#燒嘴熄。常導致燃氣管線壓力高聯(lián)鎖與燒咀燃氣壓力低聯(lián)鎖動作，引起02B001跳車。

2.2 改造舉措

針對1.1提到的狀況，在燃氣管線壓力與流量控制閥之間增設一條放空管線，改進后總控在DCS上操作壓力控制閥及燃氣放空閥干預燃氣壓力調節(jié)，保證燃料氣壓力在合適范圍內。即在02B001 FDF與TEG互相切換時，將部分天然氣放空，避免了引起壓力高聯(lián)鎖。且在切換時人為將燒咀背壓提高，解決了鍋爐切換跳車的問題。改造前與改造后的流程圖如圖2所示。

圖2 燃氣管線流程簡圖

2.3 改造效果

對燃氣系統(tǒng)增加放空閥，完全避免了輔助鍋爐兩種方式切換過程中因燃氣壓力高高聯(lián)鎖引起的停車。對于操作人員日常面對外界天然氣壓力大幅度波動的操作提供了多樣性應對手段，保證輔助鍋爐的穩(wěn)、長、優(yōu)的運行。

3 FDF/TEG切換擋板FV02033與FV02034儀表改造

3.1 FV02033與FV02034儀表改造的原因

FV02033是煙囪擋板，F(xiàn)V02034是燃氣透平與輔助鍋爐的通道擋板。FV02033與FV02034兩個擋板從建廠以來，曾多次出現(xiàn)開關不到位、誤動作等故障，導致輔助鍋爐多次非計劃停車。

3.2 改造舉措

在2005年利用合成氨裝置大修契機，在鍋爐原設計的聯(lián)鎖保護功能和FDF與TEG切換功能不改變的基礎上，保留擋板原有氣動執(zhí)行器，改造執(zhí)行器的儀表氣路，將擋板開關定位器用兩位閥替代，避免了因定位器膜片破裂隱患導致?lián)醢彘_關異常。同時，將執(zhí)行器的聯(lián)鎖電磁閥功能和保護斷氣功能繼續(xù)使用，只是另外增加一個電磁閥的滑閥組以實現(xiàn)擋板開/關的氣路功能，儀表在軟件方面將原來的FV02033、FV02034的PLC模擬量輸出改為開關量輸出，如果出現(xiàn)開的條件滿足，則相應的電磁閥帶電擋板開。改造如圖3所示。

圖3

3.3 改造效果

此改造后，在鍋爐連續(xù)運行250天未出現(xiàn)擋板位置開關故障、擋板位置調試不合格、擋板定位器膜片易破裂、擋板定位器滑閥卡澀的故障，為裝置在當年連續(xù)運行214天的長周期奠定了基礎。

4 燃料氣替代改造

4.1 燃料氣替代改造原因

2007年前，輔助鍋爐燃料氣是由崖13-1氣田提供的高熱值天然氣6000～7000m3/h，天然氣組分如表1所示。由于2007年后崖13-1天然氣產量衰減，供氣計劃減少5000萬m3/a且購氣合同即將到期。為了避免裝置的生產運行負荷減少，決定對輔助鍋爐燃料氣進行替代改造。

表1

4.2 改造舉措

通過協(xié)調決定利用樂東15-1氣田低熱值的天然氣替代崖13-1的高熱值天然氣作為輔助鍋爐燃料氣。兩個氣田的天然氣相比，熱值高低不一樣，二氧化碳含量有差異。樂東15-1天然氣通過天然氣終端脫出二氧化碳再送到輔助鍋爐進行燃燒。兩種天然氣組分對比如表1所示。經過天然氣組分對比，樂東15-1脫碳后天然氣熱值只相當于崖13-1天然氣的88.8%。在相同的負荷下，全部使用樂東脫碳氣作為輔助鍋爐燃料氣，流量增加11.2%約為700m3/h。

經過對輔助鍋爐燒嘴及燃氣管線使用新燃料氣是否能夠滿足裝置工藝生產要求進行論證，完全滿足設備本身設計及工藝生產要求。自2007年5月提出論證，2008年設計、組織施工，2009年9月投用。

2016年2月，原供氣合同到期，裝置原料氣由崖13-1替換為東方1-1中深層熱值低的天然氣，因此裝置增加一套天然氣預脫碳裝置。為保證輔助鍋爐燃料氣供應穩(wěn)定，避免因上游氣源影響鍋爐的穩(wěn)定運行，特將預脫碳裝置出口天然氣（預脫碳氣）一部分引至輔助鍋爐作為備用燃料氣，其組分見表1。輔助鍋爐燃氣管線技改工藝流程簡圖如圖4所示。

圖4

4.3 改造效果

通過輔助鍋爐燃氣改造，輔助鍋爐燃料氣全部替換為樂東15-1天然氣，且東方1—1預脫碳天然氣作為備用燃料氣。輔助鍋爐運行穩(wěn)定且完全滿足裝置的蒸汽需求，又避免了崖13-1衰減帶來的裝置減負荷問題。

5 輔助鍋爐PLC控制系統(tǒng)改造

5.1 PLC控制系統(tǒng)改造原因

（1）輔助鍋爐PLC控制系統(tǒng)是1996年美國MODICON公司E984系列可編程控制器，到2012年輔助鍋爐已運行16年，主控制器及卡件技術相對落后且出現(xiàn)老化易出現(xiàn)故障，操作界面復雜煩瑣。且E984系列控制器屬于淘汰產品，各種卡件備件已停產，無法采辦備件。若出現(xiàn)卡件故障只能單機運行，存在較大風險，無法保證工藝生產安全、裝置的穩(wěn)定運行。

（2）非雙重化的多點數(shù)字輸入輸出卡采用32點的電子卡件，這種高度集中的數(shù)據(jù)輸入輸出變量對于系統(tǒng)的可靠性有較大的影響，是較大隱患。

（3）準確判斷輔助鍋爐聯(lián)鎖信跳車第一信號。原PLC控制系統(tǒng)產生發(fā)出的信號在總控室DCS操作站上有指示，且有打印機輸出打印儀表信號，同時這些信號在PLC現(xiàn)場控制柜面板上有燈光報警。但是，舊PLC系統(tǒng)存在的掃描周期，掃描過程存在時間間隙，其捕捉到的第一故障信號不一定是導致鍋爐跳車的原因，這樣就會影響跳車事故分析數(shù)據(jù)的準確性。

5.2 改造舉措

針對于4.1所列問題，2012年改造采用橫河公司當時最先進的EDS系統(tǒng)PROSAFE-RS。該系統(tǒng)具有強大的控制功能、簡便的操作監(jiān)視畫面、安全可靠的雙重化CPU控制器和輸入輸出卡以及供電系統(tǒng)，既滿足裝置運行時操作監(jiān)視的基本需要，最主要的是極大地降低了系統(tǒng)的維護成本，提高整個系統(tǒng)的可靠性。

5.3 改造效果

2012年3月20日，輔助鍋爐PLC系統(tǒng)改造后成功點火至今，運行狀況良好穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)因PLC系統(tǒng)故障等原因停車。

6 輔助鍋爐省煤器更新改造

6.1 省煤器改造原因

（1）鍋爐省煤器改造前發(fā)生泄漏：一次是輔鍋省煤器最南側一排列管自西向東第三根光管部位腐蝕穿孔發(fā)生泄漏；一次是省煤器低點排放導淋管斷裂。省煤器若發(fā)生重大泄漏故障，整個裝置的蒸汽管網(wǎng)系統(tǒng)無法維持壓力、流量平衡，不能完全滿足生產需求，導致全裝置停產停工。泄漏部位如圖5所示。

圖5 省煤器泄漏情況

（2）由于省煤器原始結構及工藝設計的原因，省煤器采用翅片管，易結垢難維護清理，導致長時間結垢嚴重，內部排管翅片結垢更甚，況且有部分換熱翅片脫落，使鍋爐給水的換熱效果嚴重降低。結垢情況如圖6所示。

圖6 省煤器翅片管結垢嚴重

6.2 改造舉措

（1）2018年3月省煤器進行整體更換。（2）底部箱體增設導淋，正常運行處全開確保開車初期煙氣溫度低時產生的冷凝水及時順利排出，同時方便對發(fā)生泄漏情況時及時發(fā)現(xiàn)。（3）新省煤器管組之間的連接方式由串聯(lián)改為并聯(lián)，受熱高度降低240mm，管屏數(shù)由7組增加至8組以增加受熱面積，提高換熱效率，出口煙氣溫度有所降低。新更換省煤器如圖7所示。

圖7

6.3 改造效果

改造開車后，在同樣負荷下新舊省煤器工況對比如表2所示。

表2

（1）進出口水溫差比舊省煤器進出口水溫差增加4.3℃。（2）省煤器煙氣進出口壓差由557.4Pa下降至194.9Pa，壓差雖與煙氣量、煙氣流速等有關。但新省煤器翅片比舊設備干凈，阻力減少有利于能耗降低。（3）新省煤器煙氣出口溫度較舊設備下降20℃，溫度的下降對提高熱效率有利。（4）新省煤器投入運行后較舊設備的噸蒸汽消耗天然氣量下降1.64m3，按小時算節(jié)省天然氣147m3/h，能耗降低約2%。

7 過熱器更新改造

7.1 過熱器改造原因

（1）過熱器嚴重變形呈“S”形且整體已發(fā)生傾斜，甚至已將爐墻人孔遮擋，經過評估舊過熱器已無法繼續(xù)使用，無檢修價值。（2）1996～2018年使用過熱器年限已達22年之久，換熱管材質已老化嚴重，母材珠光體有傾向性球化，球化級別為3級。（3）通過節(jié)能減排專業(yè)節(jié)機構對該過熱器的熱效率進行評估，其效率只有91.47%，能耗及熱效率無法滿足要求。過熱器變形情況如圖8所示。

圖8 過熱器嚴重變形

7.2 改造舉措

（1）2018年3月，利用大修時間對過熱器進行更換，新過熱器仍由意大利MACCHI公司按照原設計尺寸要求制造。（2）過熱器盤管不銹鋼固定支撐管由2mm增粗至4mm，支撐管強度增加了70%。（3）將原過熱器設計右側聯(lián)箱管是平均分成兩段，中間用一個封頭進行隔斷開，兩段聯(lián)箱管長度均為3925mm。而新過熱器設計右側聯(lián)箱管采用三段設計，長度分別為2633mm、2633mm、2584mm。新過熱器如圖9所示。

圖9 新過熱器

7.3 改造效果

通過更新改造不僅避免了因過熱器材質老化導致爆管泄漏的風險，消除潛在安全隱患，還可以從表3各個參數(shù)看，新過熱器換熱效果明顯提高，達到各項技術參數(shù)指標。

8 輔助鍋爐煙氣脫硝

8.1 改造原因

隨著國家對環(huán)保標準的日趨嚴格，按GB13223-2011《火電廠大氣污染物排放標準》要求，天然氣鍋爐要滿足NOx濃度不高于100mg/m3的排放標準。富島一期輔助鍋爐的煙氣氮氧化物排放濃度最高為180mg/m3，因此必須進行煙氣脫硝改造。

8.2 改造措施

對燃氣透平燃燒器進行改造，降低燃氣透平出口至輔助鍋爐乏氣的NOx濃度，進而降低輔助鍋爐出口煙氣NOx濃度。

由于本鍋爐的工藝條件限制及設備本身結構設計限制，經過研討論證決定采用SNCR系統(tǒng)配合SCR系統(tǒng)脫硝工藝配合進行脫硝降低輔助鍋爐出口煙氣NOx濃度。

8.3 改造效果

改造點火后輔助鍋爐出口煙氣完全符合國家環(huán)保要求標準，裝置在線煙氣分析表NOx濃度基本穩(wěn)定在80mg/m3。

9 結語

燃氣輪機輔助鍋爐是富島一期合成氨裝置，自1996年5月點火至今運行25年有余，針對儀表、機械、工藝多方面存在的問題和運行過程暴露出來的問題，逐步進行了技術改造和更換，噴氨脫硝改造，氮氧化合物等指標符合大氣污染物排放標準要求，目前輔助鍋爐工況運行穩(wěn)定，各項工藝技術指標正常。