連續(xù)重整裝置電加熱器結(jié)焦失效及結(jié)構(gòu)改進(jìn)

郭歷偉

（錦西石化分公司，遼寧葫蘆島 125001）

0 引言

錦西石化分公司60 萬噸/年連續(xù)重整裝置采用美國UOP連續(xù)重整技術(shù)，2002 年1 月建成投產(chǎn)，2009 年9 月由60 萬噸/年擴(kuò)能改造為80 萬噸/年。還原氣電加熱器是給進(jìn)入重整反應(yīng)器還原段的重整氫加熱的設(shè)備，由于重整氫純度僅為93%左右，有少量烴類攜帶，經(jīng)常導(dǎo)致電加熱器管束結(jié)焦崩燒，平均每年更換加熱器管束1～2 次，嚴(yán)重影響重整再生系統(tǒng)的平穩(wěn)操作，而且更換管束需要花費(fèi)大量的維修費(fèi)用。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)煉廠不止錦西石化分公司重整裝置還原氣電加熱器故障頻繁，很多同類裝置也經(jīng)常發(fā)生類似故障[1]。

1 還原氣電加熱器簡介

該連續(xù)重整裝置還原段電加熱器原為英國進(jìn)口ELTRON Chromalox 產(chǎn)品，結(jié)焦崩燒后改為國產(chǎn)無錫博睿奧克電氣有限公司產(chǎn)品，后期改為揚(yáng)州優(yōu)珂電氣有限公司的管束。經(jīng)常發(fā)生故障的是1#還原氣電加熱器，尺寸為Φ254 mm×3701 mm，功率246 kW，入口溫度171 ℃、出口溫度377 ℃，操作壓力0.85 MPa，介質(zhì)為氫氣+烴。電加熱器UOP 工藝包結(jié)構(gòu)要求及結(jié)焦部位見圖1。除加熱器管束距離尾端300 mm 左右中心部位巴掌大區(qū)域外，管束其他部位光潔無結(jié)焦，且很少發(fā)生加熱管崩燒失效情況[2]。

2 故障原因分析

2.1 結(jié)焦原因分析

氫氣不會(huì)發(fā)生結(jié)焦現(xiàn)象，電加熱的結(jié)焦燒損肯定源于氫氣中攜帶的少量烴類，但幾乎每次電加熱器結(jié)焦的部位總是發(fā)生在管束末端中心部位，而其他部位幾乎不結(jié)焦，值得深入分析[2]。

如圖1 所示，冷氫氣由電加熱器殼程入口進(jìn)入，至加熱器尾部排出，介質(zhì)氫氣從前至后逐漸加熱升溫，溫度由入口171 ℃逐漸升至末端377 ℃。由于管束末端介質(zhì)溫度較高，能攜帶走的熱量較少，而加熱管內(nèi)電流一致，加熱管前后單位表面加熱效率一致，加熱器末端中心部位受熱輻射較外沿管束更為集中，因此該部位溫度最高，結(jié)焦主要集中在此溫度最高部位。

圖1 電加熱器結(jié)構(gòu)及結(jié)焦部位

通過有限元分析軟件進(jìn)行加熱器熱分布模擬，得出的結(jié)論與分析情況一致，管束末端中心部位最高點(diǎn)溫度達(dá)到530 ℃（圖2）。

2.1 失效原因結(jié)論

通過上述分析，可以得出結(jié)論，電加熱器結(jié)焦的2 個(gè)必要條件：一是氫氣純度不高、攜帶少量烴類，二是要達(dá)到足夠的溫度。因此，如圖2 改造前熱分布模擬圖中，低溫的部位幾乎不結(jié)焦，加熱器管束結(jié)焦僅發(fā)生在管束末端中心的最高溫度部位，因此判斷，這個(gè)部位的溫度剛好達(dá)到重整氫中烴類結(jié)焦溫度[3]。

3 改進(jìn)措施

3.1 增設(shè)氫氣膜回收提純PSA 裝置

氫氣純度不足93%～98.5%，攜帶少量烴類，是結(jié)焦的必要因素之一，國內(nèi)很多重整裝置，采用氫氣膜回收提純PSA（Pressure Swing Adsorption，變壓吸附）裝置，來將重整氫純度提高至99.5%以上，以此來減少結(jié)焦介質(zhì)，降低結(jié)焦概率，可以極大地延長加熱器使用壽命。但采用氫氣膜回收提純裝置提純重整氫純度的裝置，仍存在部分煉廠重整還原氣電加熱器結(jié)焦情況。而且，膜回收提純裝置投資約200 萬元，運(yùn)行能耗和維護(hù)費(fèi)用每年也需10 萬元左右。

3.2 電加熱器管束結(jié)構(gòu)改進(jìn)[4]

有限元分析模擬管束表面溫度，結(jié)焦部位溫度約600 ℃左右，而其他溫度不高（<500 ℃）的部位不結(jié)焦。還原氣加熱器共計(jì)36 根加熱元件，結(jié)構(gòu)改進(jìn)通過將其最中心10 根加熱元件末端縮短300 mm，減少改造前易結(jié)焦高溫部位的加熱元件密度，進(jìn)而降低該部位局部熱力集中。改造結(jié)構(gòu)見圖3，其中：①加熱元件60°排布，管間距25 mm，36 根加熱元件無備用，測量元件4 支，1#測溫元件與12#元件綁定，2#測溫元件與20#元件綁定，3#測溫元件與17#元件綁定，4#測溫元件與15#元件綁定；②7#—9#、14#—17#、24#—26#，10 根加熱元件末端縮短300 mm，單根功率6.44 kW，熱區(qū)2160 mm，冷區(qū)200 mm；③其與外圈26根元件，單根功率6.83 kW，熱區(qū)2360 mm，冷區(qū)300 mm；④加熱器總額定功率為242 kW；⑤升溫過程要慢，元件升溫速度不超過100 ℃/h；⑥D(zhuǎn)CS 設(shè)定值為220 kW，當(dāng)達(dá)不到出口溫度時(shí)，按5%逐步調(diào)整，直到達(dá)到出口溫度。

圖2 改造前熱分布模擬圖

圖3 電加熱器改造結(jié)構(gòu)

改造后有限元分析熱分布模擬圖見圖4。結(jié)構(gòu)改造后，加熱器管束表面最高溫度僅為410 ℃，降低溫度近120℃左右，能完全避免電加熱器結(jié)焦燒損。僅在縮短加熱元件后功率由單根6.83 kW 將至6.44 kW，總計(jì)降低電加熱器功率3.9 kW，卻幾乎不影響加熱效率和效果。電加熱器結(jié)構(gòu)改進(jìn)不增加采購成本，也不會(huì)影響設(shè)備能耗。

圖4 改造后熱分布模擬圖

4 結(jié)語

綜合對比2 種改進(jìn)措施，增設(shè)膜回收提純裝置提高氫氣純度，無論是投資還是運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用都較高，而采取縮短加熱器末端中心加熱元件密度，降低局部高溫集中的方式，既不增加采購成本，又不增加運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，而且便于實(shí)施，能夠徹底解決電加熱器結(jié)焦燒損問題[5]。按60 萬噸/年重整還原氣加熱器計(jì)，每臺國產(chǎn)管束加熱約35 萬元，每年故障1～2 次，則每年平均可以節(jié)省費(fèi)用約50 萬元。這種解決方案已由錦西石化分公司申請了專利。國內(nèi)共計(jì)近200 套連續(xù)重整裝置，還原氣電加熱器結(jié)焦燒損的情況較為普遍，即使采用進(jìn)口加熱器和膜回收氫氣提純裝置也不能完全避免。采用改進(jìn)的加熱器結(jié)構(gòu)，完全可以將電加熱器國產(chǎn)化且保障可靠運(yùn)行，應(yīng)用前景十分廣闊。