蒸汽过热炉在高负荷运行中的瓶颈因素及分析

贠瑞龙, 熊 杰, 马永虎

(1 中海油东方石化有限责任公司, 海南 东方 572600;2 国家能源集团宁夏煤业公司煤制油分公司合成油厂, 宁夏 宁东 750003)

蒸汽过热炉作为苯乙烯装置最关键的设备之一, 将0.25 MPaG 饱和蒸汽加热为800℃左右的过热蒸汽, 过热蒸汽不仅是供给反应热的载热体还提供了乙苯负压脱氢所需的能量, 对苯乙烯装置的长周期稳定运行至关重要, 随着苯乙烯装置逐渐优化生产需要调整负荷, 在运行期间出现了较多工艺、设备上的瓶颈问题, 需要一一解决。

1 蒸汽过热炉(H3001)结构

H3001 为自然通风、 双辐射炉膛公用一个对流段的立式方箱炉, 通过烟道挡板调节炉膛负压控制燃烧。 根据乙苯绝热脱氢制苯乙烯工艺的需要, 0.25 MPaG 过热蒸汽需要两次加热,炉管位于炉膛中央, 炉管两侧布置燃烧器, 炉管为双面辐射传热, 辐射段炉管采用立管式, 炉膛A 室为U 型管, 进、 出口都在炉顶并采用集合管分配, 集合管与支管连接采用π 型柔性连接, 弯头与支管等直径、 等壁厚, 避免高温状态下炉管的热膨胀应力; 炉膛B 室为单程管, 进口在炉顶, 出口在炉底, 炉管的吊架位于炉顶上部, 炉管可以向下自由膨胀, 采用平衡锤式的平衡系统, 炉管的重量由平衡锤采用杠杆原理平衡, 热态下炉管的热膨胀由吊杆自由调节。 对流段位于辐射段的顶上, 根据不同温度区域的要求, 排列不同材质的换热管, 换热管除遮蔽管采用光管外, 其他采用翅片管, 对流段的宽度, 由回弯头的尺寸、 及换热管的程数确定, 对流段长度由烟气质量流速确定。 烟囱位于对流段的顶上, 为了节能及减少占地面积, 不采用引风机强制通风, 同时还避免了引风机位于炉顶引起的震动, 采用烟囱自然排烟的形式, 由烟囱挡板调节炉膛负压, 使得炉膛处于负压状态下操作。

2 蒸汽过热炉(H3001)参数数据

H3001 设计参数见表1。

表1 蒸气过热炉(H3001)设计参数Table 1 Design parameters of steam superheater(H3001)

3 工艺运行现状分析

苯乙烯装置蒸汽过热炉初期、 末期工艺运行参数与实际工况进行对比存在很大的差异, 在装置初期、 低负荷运行周期中还可以满足, 而随着装置提升负荷及工艺优化, H3001 出现了很多无法突破的瓶颈问题, H3001 工艺参数指标以及现阶段运行参数见表2、 表3。

表2 H3001 工艺参数指标Table 2 H3001 Process parameter index

表3 H3001 现阶段运行参数Table 3 H3001 Operating parameters at current stage

苯乙烯装置脱氢反应系统现阶段负荷在102%, H3001 已经出现了许多瓶颈问题需要一一解决, 将面临的问题列举如下:

(1)脱氢系统进料在现有负荷下, H3001A 室出口温度偏高。 脱氢系统乙苯进料负荷为25.8 t/h, 脱氢催化剂运行初期反应器温度为610/612 ℃, A 室出口联锁温度测温点已经达到810 ~815 ℃达之间, 再考虑脱氢系统运行过程中燃料气压力、蒸汽波动带来的炉温波动, 炉出口温度偶尔可达820 ~825 ℃(联锁值850 ℃), 因此后续催化剂长周期运行过程中考虑催化剂活性下降需提温保持稳定的转化率, 炉出口温度还需继续提高, 短期内提高脱氢系统生产负荷, 蒸汽加热炉长周期运行压力明显增加[1]。

(2)现阶段H3001 主蒸汽流量为26.8 t/h, 超出初期设计值22.9 t/h 以及H3001 炉管设计运行末期蒸汽流量26.4 t/h,若继续提量, 在目前的运行负荷下, 过量的0.25 MPaG 蒸汽对H3001 炉管产生的冲刷腐蚀也是威胁, H3001A、 B 室因过量蒸汽冲刷腐蚀而导致的非计划性停工也同类装置已经出现过。

(3)为保证现阶段运行负荷下蒸汽过热炉H3001 出口温度安全可控, 脱氢反应系统主蒸汽与一次蒸汽的配比已充分优化, 但乙苯过热器(E3001)管程出口温度已高于设计值, 若此温度继续升高, 长时间高温运行会造成E3001 泄漏, 这样装置会被迫出现较长时间非计划停工, E3001 泄漏导致装置非计划性停工在同类装置已经出现过多次。

(4)由于乙苯装置中循环苯塔塔顶蒸汽发生器管程泄漏导致苯泄漏进0.25 MPaG 蒸汽管网系统, 0.25 MPaG 蒸汽带苯进入H3001 炉管, 苯在高温炉管中结焦、 裂解降低炉管的原有特性, 还导致乙苯脱氢反应的副产物增多、 苯乙烯选择性降低,最终影响精馏系统的稳定操作。

(5)0.25 MPaG 主蒸汽调节阀FIC30001 卡涩滞后, 当乙苯进料调整负荷时相应就要对主蒸汽与一次蒸汽进行匹配调整,而FIC30001 卡涩滞后导致主蒸汽流量无法量化调节, 给脱氢系统调节负荷带来了一定操作波动。

(6)脱氢系统进料现有负荷下, H3001B 室炉膛温度偏高。现阶段B 室炉膛温度在1018 ~1025 ℃阶运行, 而炉膛的设计温度为1100 ℃, 因此考虑脱氢系统运行过程中提升乙苯进料负荷、 燃料气压力波动、 蒸汽正常波动带来的炉温波动有可能达到B 室炉膛设计值, 给蒸汽加热炉长周期运行造成明显压力, 严重影响了工艺优化的条件。

4 设备运行现状分析

(1)H3001 烟道挡板执行机构存在执行机构与DCS 输出值不匹配的问题, DCS 画面调整输出值, 现场阀门不动作, 当输出值到一定程度的阈值时, 继续调整输出值, 滞后严重的现场阀门才开始动作。

(2)H3001 烟道挡板手操阀HC30001 存在运行不稳定的问题, 当DCS 输出值变化时, 现场执行机构存在突然关闭的情况, 这种突发事件已经出现过3 次, 不仅影响H3001 的稳定运行, 还有可能导致严重的炉膛火嘴熄灭闪爆的安全事故。

(3)H3001A、 B 室中 A3、 B2、 B3、 B4、 B6 各火盆中部分耐火砖倾倒, 各火嘴火焰存在严重偏烧现象, 给H3001 的稳定燃烧造成很大影响。

(4)H3001A、 B 进出口炉管位移变化现状, H3001A、 B 炉管热膨胀余量达到了一定的上限值, A、 B 室集合管的位移量已经达到最高限值, 这也是装置运行末期的隐患之一, 如表4所示[2]。

表4 H3001 高温集合管位移测量Table 4 H3001 high temperature collllecting pipe displacement measurement

(5)H3001 炉外壁的设计温度为80 ℃, 看火孔周围有漆膜脱落明显, 有的看火孔周围温度现场测温接近80 ℃, 火盆中耐火砖倾倒火嘴偏烧导致A、 B 室燃烧效果不好, 如图1 所示。

图1 H3001 炉壁看火孔漆膜脱落Fig.1 H3001 Furnace wall firehole paint peeling off

(6)平衡锤在整个炉管伸缩范围内提供真实可靠的恒定载荷支承。 A 室为U 型炉管, 进出口都在炉顶, 采用平衡锤吊架, 在较高负荷下, 炉管的热膨胀应力受到平衡锤吊架的限制, 得不到有效的释放, 对平衡锤构成较大的考验, 对H3001整体设备结构、 现阶段工艺运行状况是一个很大的考验, 如图2所示。

图2 H3001A 室平衡锤吊架Fig.2 H3001A Balance hammer hanger

(7)弹簧吊架、 平衡锤吊架都对炉管有一定的应力, 炉管的自由膨胀受到一定的限制; 进、 出蒸汽过热炉工艺管线的弹簧吊架, 弹簧形变达到最大限度, 如图3 所示。

图3 H3001 工艺管线弹簧吊架Fig.3 H3001 Process line spring hanger

(8)H3001 相关仪表的引压管线出现了应力腐蚀, 由于脱氢反应系统反应阶段都在高温区域, 导致各仪表管线的应力释放不彻底或无法释放, 最终导致泄漏的安全隐患, 这也是H3001 在运行中的瓶颈因素之一[3]。

(9)H3001A、 B 室炉出口管线存在保温效果不佳而出现裸露在外的现象, 导致了脱氢系统大量的热量损失, 造成苯乙烯装置能耗增加。

5 保持H3001 在高负荷运行工况下稳定运行的应对措施

(1)在苯乙烯装置稳定运行情况下, 保持脱氢系统进料负荷较低运行, 微调H3001 燃料气压力、 保持水比在1.41, 若由于环境温度、 循环水温度高导致脱氢进料负荷维持不了需及时降负荷生产;

(2)H3001 操作过程中对炉膛温度、 氧含量、 炉出口温度、负压、 热效率等参数严密监控, 对主蒸汽阀、 烟道挡板阀的现状进行风险交底、 应急演练, 提高操作人员应对突发事件的处理能力;

(3)H3001A3、 B2、 B3、 B4、 B6 各火盆周围有耐火砖倾倒, 现阶段只能维持装置运行, 每班巡检对各火盆底部测温记录, 待停工检修时对倾倒严重的耐火砖进行更换处理;

(4)现场巡检时, 对H3001 的平衡锤、 弹簧吊架、 平衡锤吊架做好巡检记录, 发现有异常及时上报并处理;

(5)对加热炉进出口管线保温效果不佳及破损的部位, 采取及时修复或重新保温并增加厚度的处理措施, 减少热量损失。

(6)针对H3001 烟道挡板执行机构及HC30001 运行不稳定或卡涩的问题, 通过现场维修和后续维护, 保持传动机构的灵活性, 并增设限位部件, 避免挡板完全闭合导致炉膛火嘴熄灭而发生闪爆的安全事故。

6 结 论

现阶段苯乙烯装置的稳定运行离不开工艺、 设备等各环节的精细处理与协同配合, 通过分析蒸汽过热炉在高负荷运行中的瓶颈因素并做出相应的应对措施, 在实际生产中确保装置的安全平稳运行, 也为公司的经济效益带来了保证。