超聲波防除垢技術(shù)在烯烴裝置的應用

許金林

(中國石化上海石油化工股份有限公司烯烴部，上海 200540)

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超聲波防除垢技術(shù)在烯烴裝置的應用

許金林

(中國石化上海石油化工股份有限公司烯烴部，上海 200540)

摘要：分析了中國石化上海石油化工股份有限公司2#烯烴裝置部分換熱設備結(jié)垢的原因，并采用超聲波防除垢技術(shù)在相應設備上進行了技術(shù)改造。結(jié)果表明：超聲波防除垢技術(shù)有效延長了換熱設備的運行周期，節(jié)省了循環(huán)水與蒸汽用量，達到了節(jié)能增效的目的。

關(guān)鍵詞：乙烯裝置結(jié)垢換熱設備超聲波節(jié)能

中國石化上海石油化工股份有限公司(以下簡稱上海石化)2#烯烴裝置約有250臺換熱器，由于換熱器使用的工況不同，有部分換熱器在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)了結(jié)焦和結(jié)垢情況，必須切出系統(tǒng)進行清洗。由于部分換熱器使用時間較長，導致結(jié)垢較嚴重，不具備切出清洗的條件，換熱效果明顯下降，已成為裝置長周期運行的瓶頸問題；而部分可以切出清洗的換熱器，結(jié)垢造成清洗周期明顯縮短，增加了檢維修費用。

1換熱設備結(jié)垢情況分析

上海石化2#烯烴裝置在生產(chǎn)過程中，各種換熱設備的運行能力對生產(chǎn)工藝至關(guān)重要，對裝置的能耗和長周期安穩(wěn)運行影響較大。以急冷水初級冷卻器E-EA2140A為例，其管束中積聚了黏泥等雜質(zhì)(其結(jié)垢情況見圖1)，影響換熱效果和流通量。

圖1　E-EA2140A結(jié)垢情況

水冷器用循環(huán)水做冷卻介質(zhì)，帶走物料的余熱，以滿足物料的工藝要求，保證生產(chǎn)的安全運行。當冷卻能力下降時，通常通過加大通水量來保證冷卻冷凝效果。循環(huán)水使用成本低，蓄熱能力強，是優(yōu)良的冷質(zhì)，但循環(huán)水在涼水、輸送和使用過程中，攜帶了大量添加劑、堿性離子、泥沙，甚至生長微生物細菌，這些都可以附著在設備管束上形成污垢。

每次大修時，從水源到用戶，都進行了清洗更新(冷卻水管路高壓沖洗、局部更換)，但隨著運行的時間加長，循環(huán)水的濃縮倍率增加，水中的雜質(zhì)含量增加(1～3 mm鈣鎂離子垢、泥沙、微生物黏泥等都對水質(zhì)有影響)。如有管束發(fā)生泄漏，物料將進入循環(huán)水中，尤其是有機物料，為微生物的繁殖提供了養(yǎng)分，當這些微生物粘附在管束上時，形成氧濃差電池，發(fā)生電化學腐蝕，損壞設備，同時有更多的物料進入循環(huán)水中參與循環(huán)，對整個系統(tǒng)的用水設備形成威脅。結(jié)垢對設備的威脅主要表現(xiàn)為：降低生產(chǎn)負荷、增加蒸汽消耗量、影響產(chǎn)品質(zhì)量、增加循環(huán)水消耗、造成垢下腐蝕、縮短設備使用壽命、額外增加了維護費用等。

2換熱器結(jié)垢造成的損失分析

生產(chǎn)過程中，換熱器傳熱性能的優(yōu)劣嚴重影響能源的使用效率和產(chǎn)品的產(chǎn)量，而影響換熱器性能及壽命的關(guān)鍵問題就是污垢的存在。污垢是一種導熱能力很低的物質(zhì)，是熱傳導的主要阻力。例如，銅的導熱系數(shù)為393 W/MK，鋼的導熱系數(shù)為46 W/MK，而積垢的平均導熱系數(shù)僅為0.93 W/MK，相差幾十倍甚至上百倍。圖2是污垢熱阻隨時間變化的數(shù)學模型。

圖2　污垢熱阻隨時間變化的數(shù)學模型

從圖2可以看到：即使剛剛清除完結(jié)垢，一旦設備開機運行，設備結(jié)垢就會繼續(xù)，污垢熱阻持續(xù)增加，直到嚴重到威脅正常生產(chǎn)時，再進行一次檢修除垢。如此重復循環(huán)，使得設備在實際運行期間始終處于帶垢作業(yè)狀態(tài)。而由于換熱器一直處于帶垢運行狀態(tài)，裝置生產(chǎn)效率會隨換熱效率下降而降低，直至停機檢修除垢。在整個生產(chǎn)運行過程中，由于換熱設備帶垢運行直接或間接造成裝置能耗的增加、降負荷運行、產(chǎn)品產(chǎn)量的減少、質(zhì)量的下降等問題都比較明顯。

通過對該裝置在檢修前后的數(shù)據(jù)以及現(xiàn)場換熱設備打開清洗時的結(jié)垢情況進行分析，該裝置因換熱設備結(jié)垢造成的各方面的損失如下。

2.1多消耗中壓及低壓蒸汽

該裝置的中壓蒸汽通過丙烯壓縮機的抽出汽而獲得，該蒸汽主要供給乙烯裝置的裂解燃料油汽提塔、中壓蒸汽/稀釋蒸汽換熱器、稀釋蒸汽過熱器、脫戊烷塔再沸器、一段循環(huán)冷卻器和開車加熱器、二段進料加熱器；低壓蒸汽通過乙烯致冷壓縮機的抽出蒸汽透平來獲得，或從用于急冷油冷卻器、來自中壓蒸汽凝液閃蒸罐的閃蒸蒸汽以及其他蒸汽透平排氣獲得，它主要用于工藝水汽提塔、輕烴進料、預熱器、工藝水汽提塔再沸器、凝液汽提塔再沸器、凝液加熱器、脫乙烷塔再沸器、炔反應器進料加熱器、脫丙烷塔再沸器、脫丁烷塔再沸器、乙烯產(chǎn)品出料汽化器、丙二烯轉(zhuǎn)化器出料冷卻器、高壓脫丙烷再沸器等。在中壓、低壓蒸汽缺乏時，可以通過來自工廠的蒸汽總管來補充。該裝置中壓和低壓蒸汽主要通過各換熱設備來傳遞熱量，一旦這些換熱設備結(jié)垢，勢必會造成中壓和低壓蒸汽的消耗增加，根據(jù)大修前后同時期的數(shù)據(jù)進行對比，其因換熱設備結(jié)垢造成的蒸汽消耗見表1。

表1　大修前后同時期的蒸汽消耗對比　t

根據(jù)清洗前后統(tǒng)計數(shù)據(jù)對比可以看出：在裝置的生產(chǎn)負荷變化不大的情況下，僅一個季度，清洗前比清洗后中壓蒸汽多消耗6 809 t、低壓蒸汽多消耗4 952 t。全年僅因換熱設備結(jié)垢將多消耗中壓蒸汽6 809×4=27 236 t，低壓蒸汽多消耗4 952×4=19 808 t。

2.2循環(huán)水量增加

換熱設備帶垢運行，換熱效率下降，必須加大閥門開度，通過加大循環(huán)水用量來保障冷卻效果。

2.3耗電量增加

該裝置絕大部分的耗電量都用于進料泵、循環(huán)泵、回流泵、輸送泵、風機和壓縮機。在裝置負荷一定且滿足工藝要求的前提下，它們的功率是恒定的，用電量也相差不大。該裝置用電量增加主要是由于污垢造成的泵、換熱設備和管線的流通阻力增大以及換熱設備結(jié)垢后造成各單元操作的改變引起的，也就是說污垢間接的造成了裝置在用電量方面的增加。

2.4額外增加清洗費用

大修期間換熱設備清洗統(tǒng)計見表2。由表2可以看出:因換熱設備結(jié)垢僅清洗費用這項就高達257.5萬元。

表2　大修期間換熱設備清洗統(tǒng)計

2.5增加更換管束費用

大修期間換熱設備更換統(tǒng)計見表3。由表3可以看出:因換熱設備結(jié)垢更換管束費用高達790.8萬元。

表3　大修期間換熱設備更換統(tǒng)計

3超聲波防除垢技術(shù)的應用

針對部分結(jié)垢和結(jié)焦比較嚴重的換熱設備采用超聲波防、除垢技術(shù)，以提高換熱效率，降低能耗、生產(chǎn)成本,解決裝置長周期運行的瓶頸，實現(xiàn)節(jié)能減排的目的。

3.1超聲波防除垢技術(shù)技術(shù)機理

3.1.1機理

污垢形成需要有兩個必要條件：第一，要有垢質(zhì)；第二，要有附著條件。超聲波防除垢技術(shù)，是打破污垢的附著條件來阻止污垢的形成[1]。超聲波脈沖震蕩波在換熱器管和板壁傳播，在金屬管、板壁和附近的液態(tài)介質(zhì)之間產(chǎn)生高速微渦和剪切應力效應，破壞垢粒的附著條件，防止換熱設備在運行過程中結(jié)垢，提高換熱設備的傳熱系數(shù)，降低并達到同樣的工藝要求所需的能耗量，實現(xiàn)節(jié)能目的。

3.1.2優(yōu)勢

超聲波防除垢的技術(shù)優(yōu)勢如下：

(1)可以實現(xiàn)在線連續(xù)防除垢，不影響生產(chǎn)；

(2)運行成本低，不需要人工操作；

(3)采用純物理方式，不損害、腐蝕設備，不會污染環(huán)境，無水資源浪費；

(4)使用介質(zhì)廣，適應設備多(管殼式換熱器、板式換熱器等等)，防除垢徹底，全面覆蓋換熱設備。

3.2改造內(nèi)容

加裝超聲波防除垢技術(shù)改造涉及2#烯烴新區(qū)400 kt/a乙烯裝置裂解氣壓縮機透平表面冷印器E-EA-2703等9臺換熱設備，改造過程包括換熱設備調(diào)研、超聲波防除垢設備配置方案設計、工程施工方案設計、項目驗收等階段。

改造后換熱設備的特征如下：

(1) 換熱器外部安裝超聲波防除垢設備，換熱器整體工藝結(jié)構(gòu)不改變；

(2) 管板外部焊接超聲波防除垢設備換能器波導底座，波導底座和換能器旋接；

(3) 換能器通過高頻電纜與超聲波防除垢裝置主機相連，主機接220 V電源。

3.3改造方案

3.3.1配置方案

根據(jù)每臺換熱器的設備參數(shù)、兩側(cè)介質(zhì)的工藝條件、結(jié)垢物質(zhì)的組成與結(jié)垢周期，對每臺換熱器進行超聲波防除垢改造，主機型號為CMII-H-06ZB，配備了中環(huán)信科超聲波脈沖防(除)垢裝置軟件V1.0,設備具體配置情況見表4。

表4　超聲波防除垢設備配置

3.3.2實施方案

(1)主機安裝

主機安裝在換熱設備管板對應位置附近的墻壁或架構(gòu)上。工作電源的電壓為 198～242 V，電源電纜由配電箱接至超聲波防、除垢裝置的電源開關(guān)，電源的提供和安裝由用戶負責。

(2)換能器安裝

每臺主機控制一定數(shù)量的換能器，換能器的分布位置見圖3。

安裝方法:將波導用手工電焊分別堆焊于換熱器管板的外緣上，換能器通過螺紋連接擰固在波導上(見圖4)，如遇有障礙時，換能器安裝位置可做適當調(diào)整。

圖3　換能器分布位置示意

圖4　換能器安裝示意

(3)波導安裝

波導的焊接采用手工電弧焊接，焊縫不得有裂

紋、咬邊、夾渣、未焊透、氣孔等缺陷。波導的焊接由用戶持證焊工來完成。

3.4應用效果

3.4.1裂解氣壓縮機表面冷凝器E-EA2703

表5和表6分別為投用超聲波除垢設備前后冷卻水出口閥門開度。由表5與表6對比可以看出:在投用超聲波防除垢裝置前為保證換熱效果，需要調(diào)整冷卻水出口閥門開度，在同樣溫差的情況下可以看出投用超聲波除垢裝置后，冷卻水出口開度較小，而出口開度直接影響到循環(huán)用量。由此可見超聲波除垢裝置對于延長換熱器運行周期及節(jié)約循環(huán)水用量起到一定的作用。

表5　E-EA2703投用超聲波除垢設備前冷卻水閥門開度

表6　E-EA2703投用超聲波除垢設備后冷卻水閥門開度

3.4.2急冷水初級冷卻器E-EA2140A

表7和表8分別是不同時間段采集的EA-2140A(安裝了CMFG超聲波防除垢裝置)與EA-2140B(未安裝CMFG超聲波防除垢裝置)冷卻水進出口溫度數(shù)據(jù)。

表7　EA-2140A冷卻水進出口測溫數(shù)據(jù)

表8　EA-2140B冷卻水進出口測溫數(shù)據(jù)

通過對比發(fā)現(xiàn)，安裝CMFG超聲波防除垢裝置后冷卻水進出口溫差明顯增大，且隨著使用時間的延長，EA-2140A并沒有出現(xiàn)換熱效果變差的現(xiàn)象，而EA-2140B冷卻水進出口溫差逐漸減小，說明換熱器存在嚴重的結(jié)垢現(xiàn)象。這說明安裝CMFG超聲波防除垢裝置后顯著改善換熱器內(nèi)結(jié)垢現(xiàn)象，延長了換熱器的除垢周期，節(jié)約了維修成本。

3.4.3高壓脫丙烷塔再沸器 E-EA-2258

高壓脫丙烷塔再沸器E-EA-2258運行18個月的蒸汽單耗，2013年9月末投用超聲波防除垢設備。投用超聲波防除垢設備后，再沸器的蒸汽單耗維持在0.151 t/t左右。而投用超聲波防除垢設備之前，再沸器的蒸汽單耗平均值為0.165 t。平均物料處理量為30.8 t/h，則投用超聲波防除垢設備后的7個月時間，共節(jié)約蒸汽為30.8×(0.165-0.151)×24×30×7=2 173.25 t。

4結(jié)論

(1)應用超聲波防除垢技術(shù)后，解決了換熱設備帶垢運行的問題，實現(xiàn)了換熱設備在線防除垢，有效延長換熱設備的使用周期。

(2)有效防止換熱設備結(jié)垢，提高換熱器的換熱效率，大幅度降低了水冷器的循環(huán)水用量。以裂解氣壓縮機表面冷凝器E-EA2703為例，投用后7個月時間的數(shù)據(jù)監(jiān)測，與前1年同時間段作對比，可節(jié)約循環(huán)水1.124 Mt。

(3)緩解了再沸器中污垢的形成，延長了使用周期，提高換熱器換熱效率，降低再沸器的蒸汽耗量。以高壓脫丙烷塔再沸器E-EA-2258為例，在投用后的7個月時間里，與上年同期的運行數(shù)據(jù)對比，單位原料蒸汽發(fā)生量由之前的平均值0.165 t/t降低至0.151 t/t，在7個月的運行時間里節(jié)約蒸汽2 173.25 t。

超聲波防除垢技術(shù)可廣泛應用于乙烯裝置，針對換熱過程中形成的循環(huán)水垢、聚合物垢、油污垢等，解決生產(chǎn)中各類換熱設備結(jié)垢問題，促進乙烯裝置的安全長周期運行。

參考文獻

[1]國家發(fā)展和改革委員會資源節(jié)約和環(huán)境保護司.國家重點節(jié)能技術(shù)推廣目錄實施指南(第一冊)[M].北京：中國財政經(jīng)濟出版社，2012.

The causes of fouling of some heat-exchange equipment in 2#olefin plant of SINOPEC Shanghai Petrochemical Co., Ltd. were analyzed, and technical reconstruction was made on the relevant equipment with ultrasonic anti-fouling technology. Result showed that the ultrasonic anti-fouling technology could effectively extend the operation period of heat-exchange equipment, save the amount of circulating water and steam so as to achieve the purpose of energy efficiency.

Keywords：ethylene plant, fouling, heat-exchange equipment, ultrasonic, energy saving

收稿日期：2016-03-30。

作者簡介：許金林，男，1964年出生，1986年畢業(yè)于上海冶金高等專科學校熱能利用專業(yè)，2003年畢業(yè)于華東理工大學工程管理專業(yè)，工程師，長期從事項目及設備管理工作。

文章編號：1674-1099(2016)03-0043-05中圖分類號：TB559

文獻標識碼：A

Application of Ultrasonic Anti-fouling Technology in the Olefin Plant

Xu Jinlin

(OlefinDivision,SINOPECShanghaiPetrochemicalCo.,Ltd.Shanghai200540)

ABSTRACT