低溫甲醇洗系統(tǒng)異常工況原因分析及解決方案

蔡 航

（陜西渭河煤化工集團有限責任公司，陜西渭南 714000）

1 概 述

陜西渭河煤化工集團有限責任公司（簡稱陜西渭化）一期大化肥項目設計產(chǎn)能為300kt／a合成氨、520kt／a尿素，1996年5月建成投產(chǎn)，生產(chǎn)線采用當時世界上先進的德士古水煤漿氣化、林德低溫甲醇洗及液氮洗、丹麥托普索氨合成以及東洋工程ACES尿素生產(chǎn)工藝。

陜西渭化合成氨裝置與尿素裝置于2019年8月進行年度計劃檢修后一次開車成功，但在隨后的加負荷過程中遇到了問題，主要表現(xiàn)為：①低溫甲醇洗系統(tǒng)甲醇換熱器（E07）前的分離罐液位居高不下，導致甲醇循環(huán)量受限，明顯低于檢修前；②E07換熱效果較檢修前遠遜，系統(tǒng)冷量不能得到有效回收，即使用于補充冷量的氨冷器的負荷已達極限，低溫甲醇洗系統(tǒng)冷區(qū)溫度仍較檢修前偏高。低溫甲醇洗系統(tǒng)的異常工況導致合成氨裝置生產(chǎn)負荷不能達到100%，當時的各項工藝調(diào)整措施均無效，且隨著系統(tǒng)運行時間的延長，E07對甲醇循環(huán)量的限制越來越大，其換熱效果也更加糟糕，迫使合成氨裝置負荷逐漸調(diào)低，系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性受到嚴重影響。

2 異?，F(xiàn)象及原因分析

甲醇換熱器（E07）為繞管式換熱器，兩股富甲醇流體逆流換熱——管程介質(zhì)為甲醇洗滌塔（C01）脫硫段來的富甲醇，換熱后進入循環(huán)氣閃蒸罐 （V02）；殼程介質(zhì)為經(jīng)CO2閃蒸罐（V07）分離出的富甲醇，由CO2給料泵（P02）送入E07殼程換熱后進入CO2解吸塔（C02）。從低溫甲醇洗系統(tǒng)檢修前后各工藝參數(shù)的比較中篩選出變化明顯的兩處，具體如下。

2.1 甲醇換熱器換熱效率下降

近年甲醇換熱器（E07）運行數(shù)據(jù)見表1。與檢修前運行數(shù)據(jù)相比，2019年9月低溫甲醇洗系統(tǒng)重啟后，E07管程進口與殼程進口／出口溫度數(shù)據(jù)變化不大，但管程出口溫度有較大回升，從檢修前后E07各溫度點的分析可以看出，其對數(shù)平均溫差增大趨勢明顯，表征其換熱效率下降。

表1 近年甲醇換熱器（E07）運行數(shù)據(jù)摘選

2.2 CO2閃蒸罐液位持續(xù)高報

2.2.1 初步分析

CO2閃蒸罐（V07）液位持續(xù)高報，設置在CO2給料泵（P02）出口的流量調(diào)節(jié)閥已全開，泵出甲醇量不足，形成對低溫甲醇洗系統(tǒng)中甲醇循環(huán)量的限制。期間曾采取P02-1和P02-2同時運行（設計上P02為一開一備）、關(guān)閉泵回流閥、泵啟動前充分排氣等措施，均未見效。

收集近年來CO2給料泵（P02）入口、出口壓力及流量調(diào)節(jié)閥開度、泵出流量等數(shù)據(jù)（見表2），通過時間軸進行縱向比較，可以發(fā)現(xiàn)P02進出口壓力的變化并不明顯，但其運行狀態(tài)大致可分為四個階段，三個時間節(jié)點分別如下。

表2 近年CO2給料泵（P02）運行數(shù)據(jù)摘選

（1）2016年11月（節(jié)點一）之前E07運行正常，P02單泵運行且其出口流量調(diào)節(jié)閥開度在60%左右即可滿足系統(tǒng)100%負荷運行所需；2016年11月（節(jié)點一）之后，P02單泵運行但其出口流量調(diào)節(jié)閥全開方能滿足系統(tǒng)100%負荷運行所需。結(jié)合2017年6月系統(tǒng)停車檢修過程中發(fā)現(xiàn)CO2閃蒸罐（V07）上游繞管式換熱器（E06）內(nèi)漏的情況，可初步判斷，2016年11月（節(jié)點一）前后P02運行狀態(tài)的變化與E06內(nèi)漏有直接關(guān)聯(lián)。

（2）2017年6月（節(jié)點二）檢修后，P02需雙泵運行才能滿足系統(tǒng)甲醇循環(huán)量的需求，初期P02出口流量調(diào)節(jié)閥開度仍有余量，后來P02出口流量調(diào)節(jié)閥需全開方能滿足系統(tǒng)100%負荷運行所需。此時對問題的判斷導向已傾向于將P02出口流量不足與E06內(nèi)漏相關(guān)聯(lián)，加之當時E07換熱效果正常，導致對甲醇循環(huán)量受限的問題判斷不準確。

（3）2019年8月（節(jié)點三）檢修中將CO2閃蒸罐（V07）上游換熱器（E06）內(nèi)漏問題消除，但2019年9月合成氨裝置重啟后，低溫甲醇洗系統(tǒng)運行情況進一步惡化，P02雙泵運行且其出口流量調(diào)節(jié)閥全開的情況下甲醇循環(huán)量仍持續(xù)下降。

基于上述分析，初步認為E07殼程通道堵塞是導致低溫甲醇洗系統(tǒng)甲醇循環(huán)量持續(xù)下降的主要原因。

2.2.2 問題診斷

陜西渭化組織技術(shù)人員對E07殼程通道堵塞原因進行分析，得出如下結(jié)論。

（1）繞管式換熱器具有換熱面積大、空間利用率高、流場發(fā)展充分等優(yōu)點，適用于在小溫差下需要傳遞較大熱量且管內(nèi)介質(zhì)操作壓力較高的場合；但E07多年未曾清洗，因其繞管結(jié)構(gòu)緊湊的特點，流體中的懸浮物一旦進入繞管式換熱器殼程，在交錯密布的管束間極易堆積，久而久之不但影響其整體換熱效果，嚴重時也將對介質(zhì)流通量形成限制。

（2）P02入口濾網(wǎng)因歷史原因取出，在其后10多年的運行中均未對E07運行造成明顯影響，使得技術(shù)人員對其存在的必要性考慮不到，導致濾網(wǎng)長時間缺位。

（3）從P02運行狀態(tài)變化的三個時間節(jié)點進行分析，前兩次合成氨裝置年度停車檢修中，因檢修項目涉及動火作業(yè)，均對部分甲醇流通管線進行了水沖洗置換，存在置換水排放不徹底而在系統(tǒng)重啟后進入循環(huán)甲醇中的可能，在H2S存在的情況下，金屬腐蝕物脫落進入E07；加之自2017年以來甲醇再生塔（C04）回流冷凝器數(shù)次內(nèi)漏，循環(huán)水進入了循環(huán)甲醇系統(tǒng)，導致循環(huán)甲醇中水含量＞2%，這對E07殼程通道堵塞也有較大貢獻。

（4）2019年8月系統(tǒng)檢修中，對CO2閃蒸罐（V07）上游繞管式換熱器（E06）進行了換熱管堵漏處理，期間E06管程／殼程流通空間在水沖洗置換之余，在相當長的時間內(nèi)均暴露在空氣中，設備本體表面硫化物保護層氧化脫落，且在設備檢修結(jié)束復位后亦未對設備內(nèi)空間進行惰性氣置換和化學處理，E06檢修過程中設備本體的脫落物在系統(tǒng)重啟后進入甲醇中隨之循環(huán)，流入并積存在下游的E07殼程通道而形成堵塞。

綜上所述，E07殼程通道堵塞問題的形成非一日之功，而在合成氨裝置維持運行的情況下，如何最大限度提升系統(tǒng)負荷成為當時生產(chǎn)運行控制的關(guān)鍵所在。

3 在線維護方案

基于上述分析，提升低溫甲醇洗系統(tǒng)甲醇循環(huán)量成為首要考慮的問題。技術(shù)人員經(jīng)過討論，提出3條思路——增設甲醇換熱器（E07）旁路管線、提高P02揚程及對E07殼側(cè)鼓入氮氣進行擾流疏通、提高E07殼程流通量及換熱效果；再綜合考慮裝置現(xiàn)有條件、改造實施的難易程度、設備訂貨周期、系統(tǒng)運行穩(wěn)定性等因素，陜西渭化決定按照上述思路的先后順序逐步予以實施，以一步步觀察效果。

3.1 E08殼程排氣管線改造

3＃貧甲醇換熱器（E08）殼程介質(zhì)來自H2S濃縮塔上塔，經(jīng)復熱后進入CO2閃蒸罐（V07）進行氣液分離，液相再經(jīng)P02泵出進入E07殼程。此次改造利用既有E08殼程排氣管線和H2S濃縮塔（C03）補甲醇管線，通過配管連接此兩段管線，利用上下游流體的壓差將小部分富甲醇直接從E07上游的E08殼側(cè)引至其下游設備C03，目的在于增加循環(huán)甲醇流量，以提升系統(tǒng)生產(chǎn)負荷。

2019年9月底本項改造實施后，循環(huán)甲醇流量提升約10m3／h，但這股富甲醇未經(jīng)復熱解吸，難以回收氣體解吸冷量，造成冷損較大，因而對系統(tǒng)負荷提升的作用有限。

3.2 P02排氣管線改造

雖3＃貧甲醇換熱器（E08）殼程排氣管線改造冷損過大、效果不佳，但甲醇換熱器（E07）設置小旁路的做法值得肯定——自P02排氣管線配管至H2S濃縮塔，將小部分閃蒸解吸后的富甲醇送出，此舉相較于E08殼程排氣管線改造有兩個優(yōu)點：一是冷量損失?。欢荘02出口壓力高，小旁路可調(diào)流量大，約20m3／h。

2019年10月初P02排氣管線改造實施后，甲醇循環(huán)量增至200m3／h，合成氨裝置運行負荷提升明顯，由93%提升至99%。

3.3 P02葉輪改造

考慮到甲醇換熱器（E07）殼程通道流通阻力大，理論上通過提升P02揚程可提高出口甲醇流通量。經(jīng)過P02泵廠工程師實地考察及參數(shù)計算，確認P02葉輪半徑可稍增大以增大其揚程，而蝸殼及進口管徑不變。

2019年10月底，訂制的新葉輪到貨，陜西渭化更換了P02-1的葉輪。P02-1換裝新葉輪后，與P02-2的出口壓力、電機電流、出口調(diào)節(jié)閥開度等參數(shù)進行觀察與比較，發(fā)現(xiàn)P02-1對P02-2形成流量壓制，這一點從電機電流上得到體現(xiàn)，且P02單泵運行與P02雙泵運行相比，泵出甲醇流量并無差異（見表2有關(guān)數(shù)據(jù)）。簡言之，本項改造實施后效果不佳，下游E07殼程流通阻力才是制約甲醇循環(huán)量的關(guān)鍵因素。

3.4 甲醇換熱器（E07）殼程鼓氮

上述P02排氣管線改造實施后，在前兩周內(nèi)對合成氨裝置運行負荷的提升作用明顯，但隨著運行時間的延長，甲醇換熱器（E07）殼程通道堵塞愈發(fā)嚴重，在恢復運行30d后，低溫甲醇洗系統(tǒng)甲醇循環(huán)量又降至184m3／h，合成氨裝置負荷從99%逐漸降至92%左右，甲醇循環(huán)量降低的趨勢已不可逆轉(zhuǎn)。

經(jīng)分析與論證，在生產(chǎn)裝置不停車的前提下，E07殼程鼓氮擾流是唯一可行的手段。鼓氮擾流即通過在E07殼側(cè)底部導淋管線接入高壓氮氣，利用高壓氮氣快速減壓形成的密集氣泡擾動E07殼側(cè)液體的流動狀態(tài)，使換熱管束間積存的雜質(zhì)松動而重新進入液體中循環(huán)而被帶出，但鼓氮操作可能對系統(tǒng)的穩(wěn)定運行造成較大的沖擊，且其效果存在不確定性，因此本項措施被放在最后考慮（選用）。

鼓氮管線源自6.0MPa氮氣管網(wǎng)，鼓氮操作前需對系統(tǒng)內(nèi)各塔罐液位進行調(diào)整，適當降低CO2閃蒸罐 （V07）液位，提高甲醇再生塔（C04）及貧甲醇罐（V04）液位，以應對鼓氮操作時E07上、下游容器內(nèi)液位出現(xiàn)的較大波動；現(xiàn)場用手動閥門控制鼓氮管線內(nèi)氮氣的壓力，使之穩(wěn)定在1.2～1.6MPa，氮氣用量在1000m3／h左右；鼓氮操作時長由中控（人員）視工況變化而定，一般在10～15min。

在盡量控制對CO2產(chǎn)品氣品質(zhì)不良影響的前提下對E07執(zhí)行鼓氮操作，時間跨度約60d。鼓氮前期效果較好，對甲醇循環(huán)量的提升有較明顯助力，甲醇循環(huán)量增至200m3／h，隨后逐漸降至190m3／h，鼓氮效果每次持續(xù)時間約2～3d，鼓氮頻次3次／周；鼓氮操作到了中期，效果呈下降趨勢，每次甲醇循環(huán)量增加效應的持續(xù)時間也縮短，此階段延長鼓氮操作時間可起到一定的效果；鼓氮操作進入末期，鼓氮時采取增大氮氣壓力及流量、階躍式變壓操作、延長鼓氮時間等措施，但基本上觀察不到甲醇循環(huán)量的增加，鼓氮頻次調(diào)整為1次／周，以盡可能地減緩甲醇循環(huán)量下降的速率。

技術(shù)小組分析討論認為：從鼓氮前期、中期、末期各階段的表現(xiàn)來看，多次鼓氮后，沉積在E07殼程繞管間隙內(nèi)的雜質(zhì)重新分配且已較為穩(wěn)定，固定點位鼓氮不能實現(xiàn)對整個換熱器殼體內(nèi)的全面擾流，因而鼓氮效果漸差；而多點鼓氮不具備條件，E07殼程流道已堵塞嚴重，暫無其他物理解決方法，需待生產(chǎn)裝置停車后對其進行化學清洗。

4 徹底解決措施

為徹底解決合成氨裝置運行負荷提升的瓶頸問題，在確定甲醇換熱器（E07）化學清洗廠家及化學清洗方案后，陜西渭化于2020年1月初安排系統(tǒng)臨時停車檢修。繞管式換熱器的化學清洗操作較為成熟，此處不再贅述。

為盡量減少化學清洗時間，采用多項省時舉措：①只隔離、排放E07殼程介質(zhì)，管程及上游設備內(nèi)介質(zhì)不作排放處理；②停車過程中就對低溫甲醇洗系統(tǒng)進行了復熱處理；③E07殼程既有連接管線只在設備法蘭處加裝盲板隔離，化學清洗配管利用設備殼程手孔與底部導淋排放管線；④E07與化學清洗設備位差不大，化學清洗配管采用軟管連接；⑤記錄E07殼程充液量，通過數(shù)據(jù)比較確認化學清洗消融的完成程度；⑥做好化學清洗導致?lián)Q熱管內(nèi)漏的檢修準備工作，制定工藝處理方案時加入查漏步驟。

E07殼程化學清洗結(jié)束后，合成氨裝置重啟，裝置負荷提升至100%，P02單泵運行足以滿足甲醇循環(huán)流量的要求，且其出口流量調(diào)節(jié)閥有較大余量，E07換熱效果回歸正常水平并接近設計值。

5 經(jīng)驗教訓與啟示

總結(jié)本次甲醇換熱器（E07）殼程通道堵塞問題的發(fā)現(xiàn)、在線維護及解決過程，陜西渭化得出如下經(jīng)驗教訓與啟示。

（1）循環(huán)甲醇中水含量控制。要嚴格控制低溫甲醇洗系統(tǒng)循環(huán)甲醇中的水含量，水含量過高，在H2S存在的條件下會導致設備腐蝕速率加快，而腐蝕物脫落造成的堵塞問題對繞管式換熱器的影響難以有效防控；但水含量也不宜過低，否則會增加甲醇流失量。

（2）停車期間的設備保護。設備內(nèi)部與氧氣的接觸主要發(fā)生在系統(tǒng)停車后，易致設備本體表面保護層氧化脫落，因此停車期間要做好對設備的保護工作，如設備密閉、隔離充氮氣以及避免“開胸驗肺”式檢修等。對如大型繞管式換熱器消漏檢修過程中的工藝處理，必要時需考慮加上化學清洗或鈍化處理等后處理手段。

（3）設置過濾設施的必要性。除加強循環(huán)甲醇中水含量的控制，在繞管式換熱器前設置過濾器是很有必要的，泵吸入口的管道設置濾網(wǎng)也可起到相同的作用，考慮到泵運行的切換清理頻次，其過濾精度需根據(jù)需要調(diào)整。

（4）化學清洗決策。繞管式換熱器因其結(jié)構(gòu)特點，殼程管束間易沉積雜質(zhì)，這種影響首先表現(xiàn)在換熱效果上，若非出現(xiàn)上游腐蝕性雜質(zhì)大量脫落進入殼程的情況，繞管式換熱器的單位溫差換熱能力變化趨勢是一個很好的預測參考，有助于提前制定化學清洗的時間計劃，故日常生產(chǎn)中應注重收集有關(guān)數(shù)據(jù)。考慮到設備運行（服役）時間較長，腐蝕控制風險很大，而換熱器內(nèi)部垢樣難以在運行中取出，有針對性地配制清洗劑的難度較大，可參考業(yè)內(nèi)的清洗實踐；再者，為防止化學清洗可能導致的換熱管內(nèi)漏，可提前做好工藝處理、查漏的檢修方案，做足準備。

（5）鼓氮操作要點。繞管式換熱器（殼程）堵塞的有效解決方法首選化學清洗，缺點是系統(tǒng)停車后方能實施；物理方法雖然可以在線實施，但作用有限，其中，鼓氮操作可視為一種爭取處理時間（維持系統(tǒng)運行）的有效手段。鼓氮操作中，中控與現(xiàn)場（人員）及下游工段（人員）需緊密配合與協(xié)作，中控實時監(jiān)控工況變化，控制調(diào)整鼓氮操作進程；鼓氮操作結(jié)束后，CO2閃蒸罐（V07）液位調(diào)整及下游塔罐液位調(diào)整以平穩(wěn)為準，避免大量甲醇急送至甲醇再生塔（C04），以免造成再生工況異常而引起低溫甲醇洗系統(tǒng)工藝指標超標；同時，鼓氮操作對CO2純度影響較大，需同步關(guān)注下游尿素裝置CO2壓縮機的運行工況；此外，在工況調(diào)整穩(wěn)定前不宜連續(xù)進行鼓氮操作。