一段爐高壓蒸汽過(guò)熱盤(pán)管翅片脫落分析與改造

許茂深

（中海石油化學(xué)股份有限公司，海南 東方 572600）

中海石油化學(xué)股份有限公司二期裝置年產(chǎn)450kt合成氨、800kt尿素，合成氨裝置采用美國(guó)KBR（Kellogg ＆Brown Root）公司深冷凈化技術(shù)，一段爐采用頂燒式，分為輻射段和對(duì)流段，并以燃?xì)廨啓C(jī)乏氣為燃燒空氣，進(jìn)一步回收熱量。

一段爐高壓蒸汽過(guò)熱盤(pán)管（101BCS2）由日本長(zhǎng)崎鋼業(yè)所于2002年制造，2003年安裝、投運(yùn)，盤(pán)管規(guī)格為4″，10排，每排18根，共180根，翅片材質(zhì)為SS410，為高頻電阻焊螺旋翅片盤(pán)管；此盤(pán)管的作用是回收煙道氣熱量，給高壓蒸汽加熱和過(guò)熱。一段爐對(duì)流段流程示意如圖1。

圖1 一段爐對(duì)流段流程示意

1 翅片脫落的初判和確認(rèn)

2010年5月，由于系統(tǒng)高壓蒸汽產(chǎn)量以及高壓蒸汽溫度均出現(xiàn)下降，因而對(duì)高壓蒸汽過(guò)熱盤(pán)管前后工藝數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，高壓蒸汽過(guò)熱后的溫度已由510～505℃降至500～495℃；前后煙道氣溫差降至143.41℃（設(shè)計(jì)值221℃），下降趨勢(shì)明顯；冷空氣盤(pán)管和原料氣盤(pán)管均出現(xiàn)超溫現(xiàn)象，整個(gè)一段爐對(duì)流段熱量后移嚴(yán)重，初步判斷為高壓蒸汽過(guò)熱盤(pán)管換熱出現(xiàn)問(wèn)題。

2010年10月9日，利用裝置停車檢修機(jī)會(huì)，對(duì)高壓蒸汽過(guò)熱盤(pán)管進(jìn)行了檢查，發(fā)現(xiàn)101BCS2盤(pán)管螺旋翅片出現(xiàn)較大面積的脫落。從翅片的表面來(lái)看，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)過(guò)燒、腐蝕掉皮現(xiàn)象。其狀貌如圖2所示。

圖2 101BCS2盤(pán)管翅片脫落照片

2 翅片脫落對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響及風(fēng)險(xiǎn)分析

2.1 對(duì)合成氨系統(tǒng)的影響

101BCS2盤(pán)管翅片脫落后，高壓蒸汽與煙道氣換熱效率下降，高壓蒸汽的溫度及產(chǎn)量逐步降低，嚴(yán)重影響高壓蒸汽透平的安全運(yùn)行與整個(gè)裝置的蒸汽平衡；煙道氣熱量向后續(xù)盤(pán)管轉(zhuǎn)移，工藝空氣預(yù)熱盤(pán)管和原料氣預(yù)熱盤(pán)管均出現(xiàn)超溫現(xiàn)象，存在嚴(yán)重的安全隱患。

2.2 翅片脫落后的風(fēng)險(xiǎn)分析

隨著盤(pán)管翅片脫落，換熱效率將持續(xù)下降，原料氣預(yù)熱溫度逐步上升，若超過(guò)420℃，鎳鉬加氫反應(yīng)器發(fā)生設(shè)備毀壞事故的風(fēng)險(xiǎn)增大；原料氣預(yù)熱盤(pán)管和工藝空氣預(yù)熱盤(pán)管溫度將繼續(xù)上漲，若超過(guò)設(shè)計(jì)溫度，盤(pán)管將發(fā)生蠕脹變形，甚至爆管，嚴(yán)重危及裝置的安全運(yùn)行。

3 翅片脫落的原因分析

經(jīng)過(guò)對(duì)翅片管細(xì)致檢查，發(fā)現(xiàn)101BCS2模塊翅片焊接的溶深不夠，損壞的管子溶深約0.04mm；另外，從焊接后的飛濺上可以驗(yàn)證溶深過(guò)淺，幾乎沒(méi)有飛濺物停在光管上。在新的模塊翅片管上可以看見(jiàn)，且該飛濺物是不會(huì)脫落的，并在一段爐其他沒(méi)有損壞的翅片管上可以看見(jiàn)。過(guò)熱蒸汽盤(pán)管翅片損壞的直接原因?yàn)椋崞馁|(zhì)可焊性差，翅片焊接電流過(guò)小，焊接溶深太淺；在開(kāi)停車期間由于溫度變化較大，導(dǎo)致翅片脫落。

4 改造方案的分析與確定

4.1 改造的必要性與方案

隨著101BCS2盤(pán)管換熱效率持續(xù)下降，對(duì)高壓蒸汽盤(pán)管、原料氣預(yù)熱盤(pán)管、工藝空氣預(yù)熱盤(pán)管、鎳鉬加氫脫硫單元的安全運(yùn)行以及系統(tǒng)蒸汽平衡等帶來(lái)一系列問(wèn)題，嚴(yán)重影響裝置的安全運(yùn)行，并隨生產(chǎn)周期的延長(zhǎng)，日趨嚴(yán)重。經(jīng)過(guò)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的研究分析，決定對(duì)盤(pán)管進(jìn)行更新改造，并采取以下五種方案之一實(shí)施。

方案一 全部用光管代替現(xiàn)在的翅片管，保持管間距、排間距和原結(jié)構(gòu)不變，僅增加管排數(shù)。

方案二 全部用光管代替現(xiàn)在的翅片管，調(diào)整管間距，同時(shí)增加每排爐管數(shù)量及管排數(shù)。

方案三 在保證盤(pán)管安裝尺寸不變的前提下對(duì)其進(jìn)行整體更新。

方案四 保持現(xiàn)在的盤(pán)管狀況，在該組盤(pán)管上部新增一組光管，用以彌補(bǔ)因翅片脫落造成換熱效率下降導(dǎo)致的不足。

方案五 僅更換翅片脫落的盤(pán)管。

4.2 改造方案對(duì)比分析（表1）

從施工可行度、施工工程量、施工周期以及經(jīng)濟(jì)性多角度分析對(duì)比，確認(rèn)整體更換過(guò)熱蒸汽盤(pán)管模塊（方案三），能夠在較短的大修期間完成，并能徹底解決盤(pán)管換熱效率下降所帶來(lái)的一系列問(wèn)題，故選擇方案三。

表1 改造方案對(duì)比分析

5 改造的實(shí)施

2012年4月，利用裝置大修的時(shí)間，對(duì)一段爐對(duì)流段的高壓蒸汽盤(pán)管進(jìn)行了整體更換。在制造、安裝等過(guò)程中嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)；從設(shè)備到廠到安裝就位，并用中壓蒸汽對(duì)新盤(pán)管進(jìn)行吹掃打靶合格，施工共歷時(shí)13d。

6 改造后的效果及效益分析

6.1 高壓蒸汽過(guò)熱溫度升高

改造前高壓蒸汽經(jīng)過(guò)101BCS2過(guò)熱后溫升為84℃；改造后溫升為114℃，提高30℃，表明此盤(pán)管與煙道氣的換熱較改造前有很大的改觀。2012年高壓蒸汽經(jīng)101BCS2的溫升趨勢(shì)如圖3所示。圖中直線部分為2012年4月大修期間，從圖上來(lái)看，改造后盤(pán)管運(yùn)行穩(wěn)定。

圖3 2012年101BCS2蒸汽溫升趨勢(shì)

6.2 高壓蒸汽過(guò)熱盤(pán)管前后煙氣溫差增大

設(shè)計(jì)中，通過(guò)101BCS2的煙氣溫度將由734℃降至513℃，設(shè)計(jì)溫差值為221℃。2003年11月至2012年3月，101BCS2前后煙氣溫差逐步下降，由投產(chǎn)時(shí)的190.15℃降至2012年4月改造前的133.2℃。2012年4月改造后，現(xiàn)在溫差為191.9℃，與投產(chǎn)時(shí)的190.15℃相當(dāng)，也就是說(shuō)現(xiàn)在盤(pán)管達(dá)到了工藝運(yùn)行的要求。圖4為2012年煙氣經(jīng)過(guò)101BCS2后的溫降情況?？梢钥闯?，盤(pán)管更換后溫降明顯。

圖4 2012年煙氣溫降趨勢(shì)

6.3 原料氣預(yù)熱溫度下降

原料氣預(yù)熱盤(pán)管出口溫度設(shè)計(jì)值371℃。2006年1月1日該溫度為382℃，盤(pán)管更新前該溫度已升至421℃；現(xiàn)設(shè)定為383℃，與2006年相當(dāng)，具有一定的可調(diào)性。改造前，由于高壓蒸汽過(guò)熱段換熱效率下降，熱量后移，迫使原料氣預(yù)熱溫度上升，并且失去了可調(diào)手段，對(duì)脫硫等造成了一定的影響。圖5為2012年原料氣預(yù)熱溫度情況。從圖中可以看到，預(yù)熱溫度有了明顯的下降，更為重要的是其處于可調(diào)范圍，確保了裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。

圖5 2012年原料氣預(yù)熱溫度趨勢(shì)

6.4 乏氣回收

101BCS2整體更換后，一段爐出來(lái)的煙道氣的熱量不再存在后移情況。改造后PIC1855一直處于70%的開(kāi)度，PZ1021擋板開(kāi)度下降3%，引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速有400r／min的上升，這些都表明改造后一部分的乏氣被回收利用（即實(shí)現(xiàn)了減排），但此部分乏氣的量較為難估（大約可回收430℃的乏氣5t／h），經(jīng)濟(jì)效益核算時(shí)未計(jì)算在內(nèi)。

6.5 經(jīng)濟(jì)效益分析

101BCS2更新前后蒸汽參數(shù)如表2。

表2 101BCS2更新前后蒸汽參數(shù)

經(jīng)計(jì)算，更換前101BCS2熱負(fù)荷為60841782.6kJ／kg，更換后101BCS2熱負(fù)荷為89650368kJ／kg；即在96.1%的負(fù)荷下，可增產(chǎn)蒸汽11038kg／h。據(jù)市場(chǎng)結(jié)算價(jià)，12.7MPa的高壓蒸汽約160元／t；裝置年運(yùn)行以330d計(jì)，則增產(chǎn)蒸汽的效益為11038kg／h／1000kg／t×24h／d×330d／a×160元／t＝13987353.6元／a。

其社會(huì)效益以節(jié)約標(biāo)煤（標(biāo)準(zhǔn)煤發(fā)熱值29270kJ／kg）計(jì)，則可節(jié)約標(biāo)煤（89650368－60841782.6）×24×330／29270＝7795.1t／a。

7 結(jié) 語(yǔ)

自2010年5月發(fā)現(xiàn)過(guò)熱蒸汽盤(pán)管換熱效率下降問(wèn)題，到2012年4月更換上新模塊，歷時(shí)1年10個(gè)月。過(guò)熱蒸汽盤(pán)管的更新改造，提高了裝置運(yùn)行的安全性，降低了操作難度，為裝置高負(fù)荷運(yùn)行創(chuàng)造了條件；消除了隱患，降低了能耗，達(dá)到了既定的改造目標(biāo)。