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(chē)間有2個(gè)系列低溫甲醇洗裝置(一系列低溫甲醇洗裝置簡(jiǎn)稱低甲一,二系列低溫甲醇洗裝置簡(jiǎn)稱低甲二),2個(gè)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(jì)任務(wù)由中國(guó)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(jī)硫雜質(zhì),同時(shí)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(jìn)一步精制凈化。

低甲一脫除部分變換氣中的CO2、H2S及有機(jī)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(shí)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(shí)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(jī)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(shí)處理外排尾氣、甲醇水混合物,在回收甲醇的同時(shí)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(duì)CO2、H2S、COS的吸收;吸收了CO2、H2S、COS等氣體的甲醇溶液(無(wú)硫富甲醇和含硫富甲醇)分別經(jīng)過(guò)節(jié)流降壓(少量的H2和CO在吸收過(guò)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(lái),得到完全再生的甲醇(貧甲醇)循環(huán)使用。甲醇熱再生過(guò)程中需要用蒸汽進(jìn)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(gè)系列低溫甲醇洗裝置的此股冷凝液進(jìn)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(chē)間2個(gè)系列低溫甲醇洗裝置分別于2019年2月和2019年4月投入運(yùn)行。本文以低甲二疏水閥后冷凝液管線調(diào)整及改造過(guò)程進(jìn)行說(shuō)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(gè)并連的疏水閥組及公用1組旁路閥)分離出冷凝液后,與來(lái)自管網(wǎng)0.5 MPa飽和蒸汽伴熱疏水和來(lái)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(jìn)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(jìn)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(dòng)現(xiàn)象的位置是再沸器(E012)疏水閥后管道與來(lái)自管網(wǎng)0.5 MPa飽和蒸汽伴熱疏水,以及來(lái)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(jiàn)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(mén)突然關(guān)閉、水泵機(jī)組突然停車(chē))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(gè)能無(wú)需外界幫助,自動(dòng)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(dòng)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(huì)產(chǎn)生冷凝水;蒸汽在管道內(nèi)高速的流動(dòng)從而帶動(dòng)冷凝水一起流動(dòng)造成了漣漪,隨著蒸汽的帶動(dòng)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(qiáng)風(fēng)引起的巨大海浪,高速的冷凝水突然進(jìn)入管道內(nèi),當(dāng)冷凝水猛烈地撞擊到彎頭或一個(gè)關(guān)閉著的閥門(mén)時(shí),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(huì)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(jìn)入接觸到低溫的冷凝水從而發(fā)生冷凝時(shí),蒸汽的體積立刻發(fā)生巨大的變化。當(dāng)蒸汽在冷凝過(guò)程中,由于體積減小會(huì)暫時(shí)形成真空狀態(tài),因此管道內(nèi)的冷凝水會(huì)被吸到這個(gè)真空的空間。這種情況就會(huì)形成水錘,冷凝水在管道內(nèi)形成浪涌互相撞擊。

簡(jiǎn)而言之,管道內(nèi)的低溫冷凝水與蒸汽混合是非常危險(xiǎn)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(huì)出現(xiàn)在冷凝水回收系統(tǒng)中,還會(huì)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(huì)導(dǎo)致管道振動(dòng)大,甚至管道閥門(mén)破裂。低甲二就出現(xiàn)蒸汽疏水閥后閥門(mén)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(hù)系統(tǒng)正常運(yùn)行,只能對(duì)泄漏的法蘭進(jìn)行帶壓堵漏,以維持運(yùn)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(jìn)口公司的杠桿浮球式疏水閥。經(jīng)過(guò)觀察,凝液收集槽(V017)的冷凝液進(jìn)入冷凝液泵(44142P012),泵入口處安裝了現(xiàn)場(chǎng)壓力表,當(dāng)此處的壓力波動(dòng)劇烈時(shí)(從0.15 MPa波動(dòng)到0.32 MPa),容易出現(xiàn)管道異響(水錘現(xiàn)象)。

從多方面進(jìn)行分析和處理,最初懷疑蒸汽疏水閥有問(wèn)題,懷疑蒸汽疏水閥漏汽造成水錘。現(xiàn)場(chǎng)查看并拆檢蒸汽疏水閥發(fā)現(xiàn)蒸汽疏水閥無(wú)異常,工作期間運(yùn)行正?！，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)整了從凝液閃蒸槽(44142V016)來(lái)的蒸汽冷凝液量,將液位自調(diào)閥(44142LV2812)改成手動(dòng)調(diào)節(jié),穩(wěn)定在一定開(kāi)度,保持冷凝液流量穩(wěn)定、無(wú)大幅度波動(dòng)。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間觀察,變換除氧器(43132V008)的壓力穩(wěn)定在0.18 MPa時(shí),凝液收集罐(V017)壓力依然波動(dòng),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(kāi)度、開(kāi)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(kāi)度的操作方式,均不能消除水錘振動(dòng)現(xiàn)象。

根據(jù)蒸汽疏水閥廠家現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)造成蒸汽疏水閥背壓,即蒸汽疏水閥下游壓力波動(dòng),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(huì)升高。由于冷凝液收集罐(V017)壓力波動(dòng)較大,會(huì)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(chǎng)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(duì)設(shè)備、管道、閥門(mén)等的保護(hù)作用,并消除水錘現(xiàn)象。

借鑒其他再沸器運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn),計(jì)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(jì)院設(shè)計(jì)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(chē)時(shí)實(shí)施,同時(shí)這也是一種嘗試手段,并不能保證一定會(huì)解決該項(xiàng)問(wèn)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(dòng)現(xiàn)象。由于凝液收集罐(V017)沒(méi)有備用管口,只能利用遠(yuǎn)傳和現(xiàn)場(chǎng)液位計(jì)根部閥;考慮冷凝液管道設(shè)計(jì)通徑較大(DN80),2020年2月25日首先改造了低甲二遠(yuǎn)傳液位計(jì)(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(kāi)直接去凝液收集罐(V017)液位計(jì)新配管道上的閥門(mén)(該閥門(mén)開(kāi)2到3扣,太大易出現(xiàn)水錘振動(dòng)),通過(guò)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(yuǎn)傳液位計(jì)的下口,導(dǎo)致遠(yuǎn)傳液位波動(dòng)。經(jīng)過(guò)觀察,投用該管線后,凝液收集罐(V017)壓力相對(duì)穩(wěn)定,波動(dòng)較小(冷凝液泵(44142P012)入口壓力在0.23～0.25 MPa波動(dòng))。2020年3月18日,又對(duì)低甲一甲醇熱再生塔再沸器(E012)蒸汽疏水閥后管道進(jìn)行改造,將該管道配到凝液收集罐(V017)現(xiàn)場(chǎng)液位計(jì)的根部閥(DN40)后,投用后,遠(yuǎn)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(jiàn)圖2。

圖2 改造后蒸汽凝液流程

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)冷凝液管道出現(xiàn)水錘振動(dòng)的現(xiàn)象,應(yīng)該查找振動(dòng)源,多方面總結(jié)分析調(diào)整,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,在不影響系統(tǒng)正常運(yùn)行的情況下,大膽摸索實(shí)踐。本改造是一個(gè)成功的案例,投資少(1臺(tái)DN80-150LB和1臺(tái)DN50-150LB閥門(mén),20 m的DN80鋼管),施工簡(jiǎn)單,操作方便,有效消除了水錘隱患,維護(hù)了生產(chǎn)的安全長(zhǎng)周期運(yùn)行。蒸汽凝液管道的水錘問(wèn)題不僅僅發(fā)生在單個(gè)裝置內(nèi),對(duì)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(huì)出現(xiàn)水錘的問(wèn)題,該改造思路可為同類型裝置的前期設(shè)計(jì)、安全穩(wěn)定運(yùn)行提供參考。