蒸汽系統(tǒng)運(yùn)行故障分析及對(duì)策

黃敬利

摘 要：針對(duì)某天然氣處理終端蒸汽系統(tǒng)在投產(chǎn)初期及正常生產(chǎn)時(shí)運(yùn)行不穩(wěn)定現(xiàn)象，通過分析蒸汽系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行原理并跟蹤運(yùn)行數(shù)據(jù)，找出蒸汽系統(tǒng)運(yùn)行的故障原因，針對(duì)不同的原因提出對(duì)應(yīng)的解決方案。通過在兩列除氧器之間增加氣相平衡管，將除氧器補(bǔ)水控制方式由間歇式補(bǔ)水改為連續(xù)式補(bǔ)水，蒸汽供熱系統(tǒng)運(yùn)行問題得到有效改善，保證了蒸汽系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：天然氣 蒸汽系統(tǒng) 除氧器 氣相平衡管 控制方式

中圖分類號(hào)：TL353；TH165.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）11（b）-0095-04

Abstract：During the pilot running and the error-free running period of the steam system in a gas terminal，there are something instable to use the boiler system safely，by analyzing the working principle of steam equipments and keeping track of the operating data， identify the causes of the troubles to run the steam system， put forward the corresponding methods for different reasons.By adding a vapor phase balance pipe between two deaerators and adjusting the demineralized water supply mode from batch to continuous replenishment，the operational problems have been effectively settled，it is safe and stable to running the steam system.

Key Words：Nature Gas；Steam System；Deaerator；Vapor Phase Balance Pipe；Control Mode

珠海某天然氣終端是為中海油深水氣田配套建設(shè)的陸上油氣處理終端，項(xiàng)目一期天然氣處理能力為80億m3/年，是國內(nèi)第一座深水天然氣和處理規(guī)模最大、裝置最復(fù)雜、設(shè)計(jì)理念最先進(jìn)的海上油氣陸岸處理終端。終端部分系統(tǒng)使用蒸汽加熱，2014年投產(chǎn)運(yùn)行以來，蒸汽系統(tǒng)出現(xiàn)過很多運(yùn)行問題，對(duì)蒸汽系統(tǒng)本身運(yùn)行及工藝系統(tǒng)正常運(yùn)行造成了一定的影響。通過對(duì)蒸汽系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行原理分析及運(yùn)行參數(shù)的跟蹤，提出改善蒸汽系統(tǒng)運(yùn)行狀況的有效措施，保障系統(tǒng)生產(chǎn)安全穩(wěn)定進(jìn)行。

1 蒸汽系統(tǒng)概況

1.1 終端用熱裝置及熱負(fù)荷

該終端蒸汽供熱裝置主要有：

（1）脫碳系統(tǒng)MDEA再生流程采用飽和蒸汽供熱。一期第一階段天然氣脫碳裝置規(guī)模為50×108 m3/a，按兩個(gè)系列設(shè)計(jì)，單套裝置處理規(guī)模為25×108 m3/a，適應(yīng)的波動(dòng)范圍15×108 m3/a～33×108 m3/a。

（2）循環(huán)水污水處理流程。

（3）蒸汽鍋爐系統(tǒng)自用汽以及管網(wǎng)熱損耗。

以上用熱裝置及工藝熱負(fù)荷見表1。

1.2 終端蒸汽供熱裝置及供氣量

該終端有外輸氣壓縮機(jī)3×25MW（一期一階段最大氣量時(shí)兩運(yùn)一備），單臺(tái)壓縮機(jī)外輸壓力波動(dòng)范圍7～9 MPa.G煙氣量約119 000～166 000 m3/h，燃機(jī)排煙溫度450 ℃～516 ℃，設(shè)計(jì)余熱鍋爐排煙溫度為150 ℃，回收余熱量在20～35 t/h之間，見表2。

2 蒸汽供熱系統(tǒng)前期問題及解決措施

2.1 除氧器不能同時(shí)投用

鍋爐系統(tǒng)調(diào)試初期，兩個(gè)除氧器液位不平衡，除氧器供水控制難以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)，兩列除氧器不能同時(shí)投用。經(jīng)觀察分析，兩列除氧器難以同時(shí)運(yùn)行的根本原因在于兩列除氧器的壓力不一，導(dǎo)致兩列除氧器液位不一致，難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。后經(jīng)改造，在兩列除氧器之間增加氣相連通管，平衡兩列除氧器壓力，通過液相連通管，兩列除氧器液位得以平衡，最終實(shí)現(xiàn)兩列除氧器同時(shí)投用，且可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

2.2 蒸汽鍋爐運(yùn)行模式切換

蒸汽供熱系統(tǒng)運(yùn)行初期，蒸汽鍋爐承擔(dān)主要供熱負(fù)荷，設(shè)定鍋爐出口蒸汽壓力值以控制蒸汽鍋爐負(fù)荷值。余熱鍋爐與蒸汽鍋爐控制方式一致，通過鍋筒出口蒸汽壓力控制余熱鍋爐煙道三通擋板開度實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，壓力設(shè)定值高于蒸汽鍋爐壓力設(shè)定值10 kPa.G。這種運(yùn)行模式下，蒸汽鍋爐提供大部分蒸汽，余熱鍋爐補(bǔ)充蒸汽缺口，蒸汽鍋爐日消耗的燃料氣量大，而余熱鍋爐卻不能充分釋放熱負(fù)荷，三通擋板閥開度在30%～50%之間，外輸氣壓縮機(jī)尾氣熱量沒有得到充分利用。

通過跟廠家溝通，用蒸汽管網(wǎng)壓力的開關(guān)量控制蒸汽鍋爐間歇性啟停，當(dāng)蒸汽管網(wǎng)壓力降低到啟爐設(shè)定值時(shí)，蒸汽鍋爐啟動(dòng)，并在管網(wǎng)壓力到達(dá)停爐設(shè)定值時(shí)，停運(yùn)蒸汽鍋爐。余熱鍋爐仍用壓力控制并承擔(dān)主要供熱負(fù)荷。在這種運(yùn)行模式下，余熱鍋爐承擔(dān)主要供熱負(fù)荷，三通擋板閥保護(hù)開度90%以上（大部分時(shí)間全開），蒸汽鍋爐根據(jù)管網(wǎng)壓力值實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。當(dāng)蒸汽管網(wǎng)壓力低至啟爐設(shè)定值時(shí)，蒸汽鍋爐啟動(dòng)，補(bǔ)充蒸汽缺口。當(dāng)蒸汽管網(wǎng)壓力上升到停爐設(shè)定值時(shí)，蒸汽鍋爐停運(yùn)。相比于初期運(yùn)行模式，減少了運(yùn)行時(shí)間，降低了運(yùn)行負(fù)荷，從而減少了燃料氣消耗，也增加了外輸氣壓縮機(jī)尾氣的利用率。

由圖2可以看出，二月底蒸汽鍋爐切換運(yùn)行模式之后，余熱鍋爐承擔(dān)主要的熱負(fù)荷，平均每外輸一萬方天然氣蒸汽鍋爐消耗的燃料氣量急速降低。四月中下旬，隨著終端外輸氣量不斷增加，余熱鍋爐供給的最大熱負(fù)荷已經(jīng)不能滿足蒸汽用熱要求，此時(shí)平均每外輸一萬方天然氣蒸汽鍋爐消耗的燃料氣量開始逐漸增加，但仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于初期運(yùn)行模式的燃?xì)庀牧俊?/p>

3 蒸汽供熱系統(tǒng)當(dāng)前問題及解決方案

3.1 除氧器除氧效果不好

3.1.1 問題分析

根據(jù)道爾頓定理（氣體分壓定律）可知：某一氣體在氣體混合物中產(chǎn)生的分壓等于它單獨(dú)占有整個(gè)容器時(shí)所產(chǎn)生的壓力；而氣體混合物的總壓強(qiáng)等于其中各氣體分壓之和。另外，亨利定律指出：當(dāng)溫度一定時(shí)，氣體在液體中的飽和濃度與液面上該氣體的平衡分壓成正比。當(dāng)水被定壓加熱時(shí)，水蒸發(fā)的蒸汽量不斷增加，使液面上水蒸氣的分壓力升高，其他氣體的分壓力不斷降低，從水中逸出后及時(shí)排出。當(dāng)水加熱至除氧器壓力下的飽和溫度時(shí)，水蒸氣的壓力就會(huì)接近水面上的全壓力，此時(shí)水面上其他氣體的分壓力將趨近于零，于是溶解在水中的氣體將會(huì)從水中逸出而被除去。

由此可知，要除去水中的氧氣必須滿足3個(gè)條件：

（1）水必須加熱到除氧器工作壓力下的飽和溫度。

（2）必須把水中逸出的氣體及時(shí)排走，以保證液面上氧氣及其他氣體的分壓力減至零或最小。

（3）被除氧的水與加熱蒸汽應(yīng)有足夠的接觸面積，蒸汽與水應(yīng)逆向流動(dòng)。

終端采用大氣式熱力噴霧除氧器，除氧器由脫氣塔（除氧頭）和貯水箱（除氧水箱）組成，脫鹽水（軟化水）經(jīng)管道送入除氧頭由噴頭噴成霧狀細(xì)滴，再經(jīng)填料層落至除氧水貯水箱，蒸汽由下而上與霧狀水滴逆流接觸并加熱水滴。由于除氧水噴成霧狀，蒸汽與水的接觸面增大，加熱效果明顯。除氧頭換熱傳質(zhì)傳熱之后，除氧水能夠達(dá)到除氧器工作壓力下的飽和溫度，水蒸氣的壓力接近水面上的全壓力，氧氣等其他氣體的分壓基本上為零，能夠順利地從脫鹽水中分離，除去的氧氣等氣體和部分蒸汽由頂部排氣管排出。

但是，由于除氧器補(bǔ)水控制方式為開關(guān)量控制。當(dāng)除氧器液位達(dá)到低液位時(shí)，通過液位控制器控制凝結(jié)水泵或者除鹽水泵給除氧器補(bǔ)水。補(bǔ)水或來自凝結(jié)水罐的蒸汽凝結(jié)水，或來自除鹽水罐的除鹽水。補(bǔ)水在短時(shí)間內(nèi)流量過大，蒸汽不能充分加熱霧狀水滴，且大量補(bǔ)水進(jìn)入除氧水箱，加熱蒸汽短時(shí)間內(nèi)不能充分加熱水箱內(nèi)除鹽水，會(huì)造成整個(gè)除氧水箱內(nèi)的脫鹽水的溫度降低，達(dá)不到工作壓力下的飽和溫度，造成除氧器除氧效率降低，從而導(dǎo)致除氧水含氧量不滿足要求（國標(biāo)要求值：≤0.1，化驗(yàn)值：2.0）。可能會(huì)增加管線、設(shè)備的腐蝕速率。

3.1.2 解決措施

由問題分析可知，正常情況下，大氣式熱力噴霧除氧器除氧效果明顯，能夠滿足鍋爐水的氧含量要求。然而，由于除氧器補(bǔ)水控制問題（液位開關(guān)量控制凝結(jié)水泵/除氧水泵啟停），導(dǎo)致在補(bǔ)水時(shí)，短時(shí)間內(nèi)補(bǔ)充水量過大，造成除氧頭中蒸汽不能充分加熱噴霧水滴。工作壓力下，除氧水箱內(nèi)的溫度達(dá)不到操作條件下的飽和溫度，水蒸氣壓力不能無限接近水面全壓力，影響除氧器除氧效果。要改善除氧器除氧效果，需要保證除氧器補(bǔ)水量恒定，且量不能太大。

措施一：將除氧器補(bǔ)水控制改為模擬量控制，除氧器液位輸出的模擬量來控制凝結(jié)水泵（或除氧水泵）的變頻運(yùn)行頻率，從而維持除氧器液位在一個(gè)恒定的液位值附近，進(jìn)而可以保證除氧器補(bǔ)水量恒定。

措施二：將除氧水泵、凝結(jié)水泵出口管線匯集到一根匯管上，并在除氧器補(bǔ)水匯管上增加一臺(tái)液位調(diào)節(jié)閥，通過除氧器液位變送器傳輸?shù)囊何恢的M控制該液位調(diào)節(jié)閥的開度以保證除氧器液位維持在恒定值，從而保證除氧水補(bǔ)水量恒定。

3.2 二次蒸汽回收利用率低

3.2.1 問題分析

由于脫碳系統(tǒng)再生塔底重沸器與凝結(jié)水分離器設(shè)計(jì)高差不足，蒸汽凝結(jié)水不能順利回流至鍋爐水處理系統(tǒng)，堵塞在管道內(nèi)的凝結(jié)水致使重沸器蒸汽通過量不足，熱負(fù)荷不能滿足MDEA再生溫度要求，MDEA再生不合格。此時(shí)，經(jīng)驗(yàn)做法是通過調(diào)整凝結(jié)水分離器頂部4”閘閥來調(diào)整重沸器管程進(jìn)出口壓差，以實(shí)現(xiàn)蒸汽流動(dòng)。但是由于調(diào)整不精確，很多時(shí)候容易調(diào)整過量，此時(shí)蒸汽通過量大，大量未換熱蒸汽進(jìn)入凝結(jié)水系統(tǒng)，跟凝結(jié)水一起回到鍋爐水處理系統(tǒng)的凝結(jié)水箱。此時(shí)的凝結(jié)水溫度很高，二次蒸汽大量進(jìn)入除氧氣，導(dǎo)致除氧器壓力升高，會(huì)造成以下3個(gè)結(jié)果。

（1）背壓太高，凝結(jié)水泵（或除鹽水泵）補(bǔ)充水進(jìn)入除氧器困難。

（2）過量的溫度較高的汽、水流進(jìn)入除氧器，產(chǎn)生自生沸騰現(xiàn)象，高溫汽、水混合物汽化產(chǎn)生的蒸汽量已滿足加熱蒸汽的需要，使進(jìn)入除氧器的主凝結(jié)水不需要回?zé)岢槠訜峋湍芊序v。除氧器內(nèi)部汽與水的逆向流動(dòng)遭到破壞，除氧器中形成蒸汽層，阻礙氣體的逸出，使除氧效果惡化。同時(shí)除氧器內(nèi)壓力升高，排汽增大，工質(zhì)和熱量損失增大。

（3）大量高溫凝結(jié)水進(jìn)入凝結(jié)水泵，也會(huì)造成凝結(jié)水泵的汽蝕。

為了避免出現(xiàn)以上問題，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作是將大部分二次蒸汽通過低點(diǎn)排凝管線直接排掉，不僅造成蒸汽熱量浪費(fèi)，也浪費(fèi)了水資源和燃料氣資源。

3.2.2 解決措施

盡快調(diào)整脫碳系統(tǒng)再生塔底重沸器與凝結(jié)水分離器之間的安裝高度差。實(shí)現(xiàn)蒸汽凝結(jié)水順利回流，從而減少人為調(diào)整凝結(jié)水分離器頂部4”閥門來控制重沸器管程進(jìn)出口壓差，以促進(jìn)蒸汽凝結(jié)水的強(qiáng)制流動(dòng)。當(dāng)回水溫度穩(wěn)定，二次蒸汽壓力穩(wěn)定，即可防止二次蒸汽進(jìn)入除氧器造成問題分析中的一系列不正常工況。

4 結(jié)語

（1）兩列除氧器同時(shí)運(yùn)行時(shí)，需要保證兩列除氧器的壓力值相等，否則會(huì)導(dǎo)致兩列除氧器的液位不平衡，不能實(shí)現(xiàn)除氧器補(bǔ)水自動(dòng)控制。

（2）要保證除氧器的除氧效果，需要保證除氧器中水的溫度達(dá)到除氧器工作壓力下的飽和溫度，使得水中溶解的氧氣能夠逸出。這就需要保證除氧器補(bǔ)水必須小量且持續(xù)，因此需要將除氧器的補(bǔ)水方式由間歇式大量補(bǔ)水改為連續(xù)式小量補(bǔ)水，實(shí)現(xiàn)的途徑是將補(bǔ)水泵的控制方式改為變頻控制，或者在補(bǔ)水泵出口設(shè)置液位調(diào)節(jié)閥，確保補(bǔ)水量恒定。

（3）二次蒸汽大量進(jìn)入除氧氣，導(dǎo)致除氧器壓力升高，導(dǎo)致除氧器背壓過高影響除氧器補(bǔ)水，其他條件不變的情況下，要保證除氧器效果需要提升除氧器的溫度，消耗大量的蒸汽。要維持除氧器正常的工作壓力則需要將大量二次蒸汽放空，不僅浪費(fèi)蒸汽余熱，還浪費(fèi)了大量的水資源。要改善這個(gè)問題需要將蒸汽回水系統(tǒng)流程進(jìn)行改造，保證回水壓差穩(wěn)定，不僅有利于工藝系統(tǒng)溫度正常，還能保證回水溫度維持穩(wěn)定。

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