賈國華

（神華包頭煤化工有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

0 引言

氣化裝置采用GE 水煤漿加壓氣化技術(shù)，本技術(shù)采用氣化爐頂部單燒嘴設(shè)計，60%的水煤漿和高壓氧氣通過燒嘴入爐燃燒，爐膛溫度1200℃～1300℃，燃燒反應(yīng)產(chǎn)生的合成氣沿著下降管進(jìn)入激冷室水浴后沿上升管經(jīng)折流板出氣化爐進(jìn)入下游進(jìn)化裝置處理。同時，系統(tǒng)產(chǎn)生的黑水送入閃蒸系統(tǒng)，通過閃蒸、沉降達(dá)到閃蒸汽、熱量回收，灰水再生重復(fù)利用達(dá)到節(jié)能降耗的目的，產(chǎn)生的出渣、細(xì)渣送出界外。

氣化裝置壓力高、溫度高、介質(zhì)沖刷嚴(yán)重、腐蝕性強(qiáng)，工況嚴(yán)苛，儀表設(shè)備故障頻繁。因部分儀表設(shè)備原始選型、材質(zhì)等問題導(dǎo)致合成氣等易燃易爆介質(zhì)外漏、內(nèi)漏、高壓竄低壓等風(fēng)險偏高，針對氣化裝置頻繁出現(xiàn)故障的關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，是保障氣化爐長穩(wěn)安滿優(yōu)的必要條件。

1 氣化裝置實際運行過程中存在的故障難點問題及解決思路

1）由于水煤漿特殊的物理特性，使其測量難度很大。它含有65%左右的極細(xì)的煤固體顆粒，再加上輔助添加劑，在高壓工況下，因介質(zhì)對襯里的擠壓和對電極的沖刷環(huán)境，要求對電磁流量計傳感器的襯里與測量導(dǎo)管的附著性能以及電極的抗噪聲和防滲漏性能有著很高的要求，而且水煤漿是非牛頓流體，成分復(fù)雜、測量難度大，又有腐蝕性。依據(jù)同行業(yè)煤漿流量測量經(jīng)驗，目前的煤化工行業(yè)中德士古氣化爐中的煤漿流量計大部分設(shè)計和選型中都采用的是電磁流量計，但實際使用效果差異很大，這一問題一直是煤化工行業(yè)專業(yè)人員討論的難題。

2）氣化爐出口合成氣溫度原設(shè)計為同一套管中三支熱電阻，三取二聯(lián)鎖停車。由于氣化爐出口合成氣管線振動大，溫度波動，造成氣化爐停車的事故，所以為了避免此類事故發(fā)生，需對氣化爐出口合成氣溫度進(jìn)行改造優(yōu)化。

3）氣化裝置渣池泵黑水流量控制調(diào)節(jié)閥介質(zhì)為氣化爐黑水，該介質(zhì)對金屬材料具有較強(qiáng)的沖刷、腐蝕作用，在用的儀表調(diào)節(jié)閥頻繁出現(xiàn)閥體穿孔、閥內(nèi)件損毀性故障，閥門平均無故障周期只有45 天左右，閥門維修費用高，影響氣化爐長周期運行。

2 針對氣化裝置出現(xiàn)的故障的解決方案

2.1 針對氣化爐摻燒工況以及水煤漿自身特點，如何解決煤漿流量的測量難題，從而為氣化爐安穩(wěn)長滿優(yōu)運行提供保障

氣化爐采用60%的水煤漿與高壓氧氣入爐燃燒，水煤漿介質(zhì)成分復(fù)雜、脈動信號強(qiáng)烈、測量難度大。在這種復(fù)雜工況下，行業(yè)內(nèi)優(yōu)選的測量方式還是電磁流量計，電磁流量計雖然大多數(shù)時間內(nèi)滿足了氣化裝置水煤漿流量的測量要求，但是也存在很多問題，經(jīng)過多年使用總結(jié)出了一些提升電磁流量計穩(wěn)定運行的方法。

水煤漿電磁流量計是氣化裝置非常關(guān)鍵的測量設(shè)備，首先氣化爐水煤漿電磁流量計三取中間值參與氧煤比控制，其次氣化爐水煤漿電磁流量計三取二參與氣化爐聯(lián)鎖邏輯停車。所以，對水煤漿電磁流量計測量的及時性、準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性提出了較高要求，這些性能指標(biāo)也是選型時重點考慮的因素。

2.1.1 水煤漿電磁流量計存在的主要問題

1）測量值失真現(xiàn)象嚴(yán)重

在氣化爐實際正常運行過程中，水煤漿電磁流量計經(jīng)常出現(xiàn)實際值與測量值偏差大、零點漂移、波動大等測量值失真現(xiàn)象。水煤漿電磁流量計存在波動、測量值不穩(wěn)定等問題直接會影響氣化爐的正常操作，由于此問題曾經(jīng)引發(fā)過氣化爐誤停車的事故。

2）對實際流量變化測量響應(yīng)的速度慢

氣化爐對水煤漿流量測量的及時性是有較高要求的，因為這關(guān)系氣化爐的正常安全運行。通過搜集氣化爐水煤漿電磁流量計實際運行過程中的測量數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，水煤漿電磁流量計在實際擾動發(fā)生的情況下，測量值的變化比實際流量的變化滯后約25s。這意味著實際的水煤漿流量降低時，測量值并沒有很及時快速地反映實際流量降低的變化。這個現(xiàn)象就比較可怕，因為在固定氧煤比的控制策略下，煤漿流量測量值在滯后的這段時間沒有變化，那么氧氣流量也不會變化，而實際的煤漿流量已經(jīng)降低，這會導(dǎo)致氣化爐過氧，嚴(yán)重時存在爆炸的安全隱患。

3）煤漿質(zhì)量造成測量擾動

氣化裝置煤漿流量計測量介質(zhì)為水煤漿和含污泥廢水、MTO 廢堿液，普通型流量計受水煤漿中含有固體顆粒對電極的撞擊、油膜干擾、絮狀物干擾，會產(chǎn)生脈沖和噪聲干擾，波動比較大，同時水煤漿流量參與氧煤比計算并聯(lián)鎖停車，影響氣化爐的長周期穩(wěn)定運行。

2.1.2 針對以上水煤漿電磁流量計存在的問題，進(jìn)行原因分析并提出解決方案

電磁流量計在測量水煤漿時出現(xiàn)測量值失真、測量響應(yīng)速度慢的原因有很多，如：安裝不符合規(guī)范、接地不符合要求、參數(shù)設(shè)置不合理，高壓煤漿泵（往復(fù)泵）對煤漿流量測量的影響，摻燒工況對煤漿流量測量的影響，煤漿成分的變化等。下面就影響水煤漿流量測量的主要原因分析如下：

1）電磁干擾

高壓煤漿泵廠房內(nèi)有很多動設(shè)備的大電機(jī)，電機(jī)的運行會釋放大量的電磁信號，電磁流量計對周圍的電磁信號很敏感，因為電磁流量計的測量信號很微弱，一般只有2.5mV ～8mV。所以，對電磁流量計的要求，工作接地必須要可靠、牢固，符合接地規(guī)范的要求。

2）高壓煤漿泵

高壓煤漿泵的運行穩(wěn)定與否對煤漿流量的測量有很大影響。因為高壓煤漿泵是往復(fù)泵，在正常運行過程中煤漿流體呈規(guī)律的脈動流，脈動較小，容易過濾。當(dāng)高壓煤漿泵故障運行時，煤漿流體會出現(xiàn)較大脈動，脈動流會造成煤漿流量測量值的大幅波動。所以，在平時高壓煤漿泵運行過程中，及時巡檢，發(fā)現(xiàn)異常及時處理。

3）煤漿成分

氣化爐摻燒污泥水導(dǎo)致煤漿成分更為復(fù)雜，含有污泥水的水煤漿呈酸性，酸性的水煤漿對電磁流量計有較強(qiáng)的腐蝕性，這會對煤漿流量的測量有較大影響；水煤漿中的氣泡也是對電磁流量計測量造成影響的不可忽視的因素；水煤漿是含固量很高的流體，固體顆粒撞擊電極產(chǎn)生的噪聲表現(xiàn)為煤漿流量測量值的波動。其解決方案如下：

① 對電磁流量計的電極提出要求，使用光滑而且表面積較小的電極，可以大幅減少顆粒物撞擊電極的頻率，并且電極表面不會輕易產(chǎn)生劃痕。

② 使用低噪型噪聲屏蔽新技術(shù)，在電極表面采用分子級陶瓷隔離傳感器，有效屏蔽鐵屑、油膜、氣泡、絮狀物、顆粒物撞擊等測量噪聲。實踐證明，采用低噪聲型電極測量效果較好。

2.2 氣化爐出口合成氣溫度測點振動大、元件頻繁損壞，3支溫度測量元件在同一個套管中，存在共因失效，氣化爐誤跳車風(fēng)險高

2.2.1 氣化爐出口合成氣溫度測點的原設(shè)計存在較大缺陷

1）氣化爐合成氣出口溫度風(fēng)險隱患

氣化爐合成氣出口溫度設(shè)計為三取二聯(lián)鎖儀表，三點中任意兩點高于278℃，氣化爐跳車。如其中一點指示波動超過聯(lián)鎖值，若其他兩點再出現(xiàn)波動且超過聯(lián)鎖值，氣化爐將引發(fā)停車聯(lián)鎖，且氣化爐合成氣出口溫度回路被設(shè)定為回路斷路報警聯(lián)鎖；當(dāng)兩個或兩個以上測點斷路時，將引發(fā)氣化爐停車聯(lián)鎖。所以，此溫度在運行和維護(hù)過程中存在很大的安全隱患。

氣化爐出口管上原有溫度測量元件為3 支熱電阻，并且3 支熱電阻在1 個套管里。因管線振動較大，介質(zhì)流速快，含固體顆粒，沖刷嚴(yán)重，在氣化爐運行過程中，因介質(zhì)沖刷嚴(yán)重套管穿孔導(dǎo)致氣化爐停車至少兩次。

2）處理此故障問題的難點

氣化爐合成氣出口溫度其中一點指示波動超過聯(lián)鎖值，若其他兩點再出現(xiàn)波動且超過聯(lián)鎖值，氣化爐將引發(fā)跳車聯(lián)鎖，所以需在線更換測量元件。此溫度測點測量的工藝介質(zhì)為壓力6.5Mpa、溫度230℃～260℃的氣化爐合成氣，首先將三點溫度強(qiáng)制在240℃，然后經(jīng)計算240℃對應(yīng)的PT100 熱電阻阻值為190.45Ω，將電阻箱阻值調(diào)整為190.45Ω，再將故障點現(xiàn)場至機(jī)柜間安全柵處接線斷開，把調(diào)整好后的電阻箱接入安全柵。接入后通知DCS 儀表班將回路斷路報警復(fù)位，然后依據(jù)此法，將第二只190.45Ω的電阻箱接入另一點的安全柵，并復(fù)位斷路報警。經(jīng)過以上兩步，可以確保此溫度回路斷路聯(lián)鎖“失效”，現(xiàn)場人員更換提前準(zhǔn)備好的新熱電阻測量元件。待現(xiàn)場更換完成后，機(jī)柜間處作業(yè)人員測量更換后的熱電阻阻值并做回路測試，都正常后接入安全柵，通知DCS 儀表班將斷路報警復(fù)位，觀察122TE210A/B/C 三點中控溫度指示，指示正常后解除聯(lián)鎖。

3）處理此故障的風(fēng)險辨識

2.2.2 氣化爐出口合成氣溫度測點技術(shù)改造

1） 將耐振性能差的熱電阻改進(jìn)為耐振熱電偶。熱電偶套管采用耐振設(shè)計，避免套管與工藝管線產(chǎn)生共頻振動，提高元件使用壽命，避免了聯(lián)鎖誤動停車的風(fēng)險。

表1 風(fēng)險辨識Table 1 Risk identification

T 型熱電偶具有線性度好、熱電動勢較大、靈敏度較高、穩(wěn)定性和均勻性較好，價格便宜等優(yōu)點，其穩(wěn)定性更好。熱電偶連接處有特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計抗振動，特殊耐磨制作能承受顆粒固定沖刷，保護(hù)管為破裂自鎖結(jié)構(gòu)，具有高硬度能承受高壓，法蘭及下法蘭接管為整體鍛造更加耐壓。T型熱電偶測溫范圍-200℃～350℃，正常工況測量溫度為257℃左右，依據(jù)SHT 3005-2016《石油化工自動化儀表設(shè)計選型規(guī)范》可知，T 型熱電偶的測量精度較高。

表2 耐振熱電偶選型表Table 2 Selection of vibration resistant thermocouple

2）將3 支測溫元件獨立分開，重新開孔。

對氣化爐合成氣出口管道實地察看并且查閱原設(shè)計資料發(fā)現(xiàn)，在原有測溫元件的旁邊分別有氣化爐與氣化爐出口合成氣壓差表、氣化爐出口合成氣壓力表、氣化爐與鎖斗壓差表的取壓點。直管段上沒有足夠的開孔位置，只能在彎管后進(jìn)行開孔，經(jīng)過對氣化爐合成氣溫度流速進(jìn)行計算，以及氣體的特性和在相同的環(huán)境溫度條件下，判定3支溫度計不會有溫差。在使用過程中的事實也證明，3 支溫度元件指示穩(wěn)定，基本沒有偏差。

3）溫度套管進(jìn)行硬化，噴涂硬質(zhì)合金，316L+堆焊鈷基合金。

鈷基合金兼具耐磨損、耐高溫、耐腐蝕等性能，是適應(yīng)復(fù)雜工況的很好的合金材料。氣化爐出口合成氣帶灰份顆?？焖倭鲃?，壓力為6.5MPa，溫度為257℃。套管表面堆焊鈷基硬質(zhì)合金，硬度可達(dá)HRC40 以上，抗磨損、耐沖刷、耐高溫，完全滿足此工況的使用要求。

2.3 出渣池泵黑水流量控制閥閥門頻繁損壞，閥門需頻繁下線維修及在線更換的問題

2.3.1 出渣池泵黑水流量控制閥

氣化裝置渣池泵黑水流量控制調(diào)節(jié)閥，本廠使用的是偏心旋轉(zhuǎn)閥，介質(zhì)為氣化爐黑水，該介質(zhì)對金屬材料具有較強(qiáng)的沖刷、腐蝕作用。所以，在儀表選型中對閥內(nèi)件的材質(zhì)提出了特殊要求，閥芯、閥座采用316+碳化鎢，閥體還是WCB，此閥在運行過程中，頻繁出現(xiàn)閥體穿孔、閥內(nèi)件損毀性故障，閥門平均無故障周期只有60 天左右，閥門維修費用高，影響氣化爐長周期運行。

2.3.2 尋找新型材料，解決沖刷、腐蝕工況共存情況對材質(zhì)相互制約的矛盾

采用氧化鋯陶瓷解決了在氣化爐黑水工況下閥內(nèi)件耐沖刷與耐腐蝕不能同時解決的矛盾。閥體鑲嵌陶瓷襯里，實現(xiàn)了對閥體的有效防護(hù)。采用V 型球結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了球閥精細(xì)的調(diào)節(jié)功能。

圖1 陶瓷閥結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of ceramic valve

此陶瓷閥結(jié)構(gòu)上為雙向密封的完全對稱設(shè)計，密封副獨立結(jié)構(gòu)加上特有的彈性補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，密封等級高，新材料應(yīng)用，選用氧化鋯陶瓷閥，球體采用先進(jìn)研磨設(shè)備及工藝制造，球圓度精度高，表面質(zhì)量好，有很好的密封性能。氧化鋯陶瓷球閥除具有金屬球閥的絕大多數(shù)優(yōu)點外，更具有超強(qiáng)的耐腐蝕、耐高溫、耐磨損及耐沖蝕等顯著特點，閥球、閥座及內(nèi)襯均采用氧化鋯結(jié)構(gòu)陶瓷材料，洛氏硬度高達(dá)HRA87 以上，因而能承受高速流體及硬顆粒介質(zhì)的沖蝕，具有優(yōu)異的耐磨損性，解決了腐蝕/沖刷工況共存導(dǎo)致材質(zhì)選擇的矛盾。

陶瓷閥門廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、電力、污水處理等工業(yè)領(lǐng)域，陶瓷閥門優(yōu)越的性能主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

陶瓷閥門在高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕、高磨損等惡劣工況下使用，對比金屬閥門凸顯出陶瓷閥卓越的性能，主要表現(xiàn)在陶瓷閥使用周期長、性價比高、維修量小等方面。而且，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，陶瓷閥將更加趨于完善和成熟，是腐蝕、高溫、磨損及沖蝕等惡劣工況設(shè)備選型的絕佳選擇。

3 結(jié)束語

通過對水煤漿氣化爐在運行過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行深入分析，從設(shè)計選型、安裝、問題原因排查等方面深刻了解并理解問題的本質(zhì)，從而提出行之有效的解決方案。為實現(xiàn)氣化爐安穩(wěn)長滿優(yōu)運行的目標(biāo)提供了一定的保障，同時也為同類煤化工裝置提供了良好的解決方案。