煉廠儲運罐區(qū)蒸汽伴熱與凝結水回收系統(tǒng)研究

蔣敦藝(中國石油廣西石化公司儲運一部，廣西 欽州 535008)

0 引言

實踐中，煉廠儲運重質(zhì)油罐區(qū)的儲罐內(nèi)經(jīng)常出現(xiàn)儲罐加熱用蒸汽及凝結水管線與罐體相連接的金屬軟管頻繁泄漏現(xiàn)象，并時常伴有“咚咚”[1]的管道敲擊聲音，即蒸汽加熱管線及凝結水管線發(fā)生水擊現(xiàn)象。管線長時間打水擊，嚴重時造成管線斷裂。同時，該系統(tǒng)配備一套凝結水回收撬裝設施，該凝結水回收撬裝將儲罐加熱產(chǎn)生的凝結水回收，后送至全廠凝結水管網(wǎng)系統(tǒng)回收再利用。但是多年來該凝結水回收撬無法做到完全回收，二次冷凝效果差，一直存在就地排放“小白龍”的頑疾。即有高溫凝結水夾雜蒸汽在撬裝泄壓口排放，給現(xiàn)場操作人員的操作環(huán)境帶來嚴重的不安全因素，容易造成燙傷等意外事故發(fā)生，同時也造成蒸汽及凝結水的浪費。

1 原因分析

1.1 蒸汽伴熱與凝結水回收系統(tǒng)打水擊的直接原因

蒸汽和凝結水管線中形成蒸汽及凝結水兩相混合流，蒸汽推動凝結水向前流動，造成管線內(nèi)水位逐漸升高，最終管線內(nèi)形成水堵，此時管線內(nèi)形成的水堵相當于管線上一臺瞬間關閉的閥門，阻礙蒸汽向前流動。流動速度突然發(fā)生變化，管線內(nèi)蒸汽被壓縮，凝結水被擠壓，在管壁彈性力作用下，管線內(nèi)發(fā)生反復的、急劇的壓力波動。最終連續(xù)產(chǎn)生劇烈的管線振動及被錘擊的聲響。發(fā)生的沖擊力，可達到額定工作壓力的幾十倍，甚至幾百倍，嚴重時易破壞管道及其附件[2]。

1.2 疏水器選型不當?shù)脑O計原因

重質(zhì)油罐區(qū)疏水器按其工作原理分為三種：機械型、熱靜力型、熱動力型。機械型疏水器的工作原理為利用蒸汽和凝結水之間的密度差，來排放凝結水；熱靜力型疏水器的工作原理為利用蒸汽和凝結水之間的溫度差，來排放凝結水；而熱動力型疏水器的工作原理為利用蒸汽和凝結水之間的相變，來排放凝結水。儲罐加熱盤管，具有排水量大、換熱溫度要求嚴格等特點，需要盤管后端的蒸汽疏水閥根據(jù)水量的變化實時調(diào)節(jié)排水能力，迅速及時地排除換熱中產(chǎn)生的蒸汽凝結水。因此應當選擇排水量大，工作穩(wěn)定，性能卓越，使用壽命長的杠桿浮球式疏水閥或自由浮球式疏水閥。熱靜力型疏水閥只能排放具有一定過冷度的凝結水。熱靜力型疏水閥應用在加熱盤管中會造成加熱盤管飽和凝結水排水困難的問題，從而影響儲罐加熱效率，還會造成蒸汽管網(wǎng)積水而產(chǎn)生水擊。而某煉廠的重質(zhì)油罐區(qū)罐加熱及管線伴熱疏水器多采用雙金屬片，屬于熱靜力型疏水器，存在選型不當問題。

1.3 罐區(qū)加熱及凝結水配管存在不完善的設計原因

1.3.1 沒有設計儲罐凝結水排放旁通管

儲罐凝結水排放旁通管的作用為在加熱設備投用時，在較短時間內(nèi)產(chǎn)生大量的凝結水，這些凝結水必須在短時間內(nèi)排放掉，如凝結水不能及時排放掉，同時加上原設備內(nèi)滯留的空氣，造成疏水器排放堵塞，凝結水無法正常排放，出現(xiàn)水擊現(xiàn)象。目前在該煉廠重油罐區(qū)均無此設計。

1.3.2 沒有設計過濾器、止回閥

過濾器的設計主要目的是過濾掉水垢和銹渣，蒸汽和凝結水夾帶水垢和銹渣在管道內(nèi)流動，會堵塞疏水器及相關閥門。止回閥目的是防止系統(tǒng)管網(wǎng)水擊對疏水器的傷害。目前在該煉廠重油罐區(qū)加熱盤管疏水器前均未過濾器和止回閥，造成凝結水無法正常排放、水擊現(xiàn)象。

1.3.3 疏水器前入口段管線設計有保溫

疏水器前入口段管線設計有保溫層，當凝結水帶著蒸汽進入疏水器時，由于無法散熱，蒸汽不能迅速變?yōu)槟Y水，蒸汽易形成汽鎖，造成凝結水無法正常排放，出現(xiàn)水擊現(xiàn)象。

1.3.4 儲罐凝結水排放管線與儲罐罐體之間沒有設計金屬軟管

經(jīng)過排查，發(fā)現(xiàn)多個重質(zhì)油中間罐區(qū)儲罐凝結水排放管線與儲罐罐體之間沒有金屬軟管，都為硬管線連接。當系統(tǒng)管網(wǎng)發(fā)生水擊時，存在管壁管道焊口拉裂的風險。

1.3.5 凝結水回收撬裝設施選型不合理

在用凝結水回收撬裝設施存在設計缺陷，無閃蒸汽冷卻功能，閃蒸汽出現(xiàn)后會在撬裝聚集，壓力升高后會超壓自動排放。無法將回收到的高溫凝結水降溫，同時由于疏水器的不好用，回收到的高溫凝結水帶有少量蒸汽，高溫凝結水在凝結水回收撬裝設備內(nèi)發(fā)生二次汽化，給全廠凝結水管網(wǎng)外送凝結水時，帶有大量低低壓蒸汽，造成全廠凝結水管網(wǎng)發(fā)生打水擊現(xiàn)象[3]。

1.4 現(xiàn)場施工問題

經(jīng)查少數(shù)罐區(qū)內(nèi)安裝的疏水器設備與設計的閥門口徑不一致。例如某罐的設計管道為DN50，但疏水閥經(jīng)過縮徑后只有DN25，排水量不能滿足現(xiàn)場的要求。特別是選擇雙金屬疏水閥耐背壓差，而且有一定的過冷度，產(chǎn)生的凝結水不是飽和凝結水。有關物質(zhì)在進入凝結水系統(tǒng)后，和其他凝結水管的凝結水混合后由于溫度差異造成水擊現(xiàn)象。

1.5 疏水器設備質(zhì)量原因

目前罐區(qū)使用雙金屬熱靜力型疏水器，圓形雙金屬片式疏水閥采用正向錐形密封。核心元件——感溫雙金屬片采用國產(chǎn)普通金屬材料。正向密封導致開閥力完全來源于內(nèi)置彈簧，很可能造成疏水閥因彈簧失效而無法開閥；錐形密封面是淘汰已久的落后的密封面形式，具有集中磨損，使用壽命短；國產(chǎn)普通金屬材料制成的感溫雙金屬片抗疲勞性很差，新閥使用半年后普遍泄漏蒸汽。

1.6 生產(chǎn)操作不當原因

在日常生產(chǎn)過程中，由于操作人員操作不當，閥門操作太快，造成管道流體速度的極大變動，從而造成水擊。同時在疏水器首次投用過程中，軟管未預先暖管，不僅會形成氣阻而影響傳熱效率，而且不凝氣也會加快管道的腐蝕，從而對蒸汽與凝結水系統(tǒng)管網(wǎng)造成水擊等影響。

2 解決措施

2.1 疏水器配管設計要求

完善疏水器配管設計要求，一個完美的疏水器配管設計，不僅能滿足使用要求，更重要的是對設備起到本質(zhì)的保護。儲罐凝結水排放應設計凝結水排放旁通管，在短時間內(nèi)大量排放凝結水，減少加熱及凝結水管線內(nèi)的滯留空氣，防止因空氣氣堵導致的故障。同時在儲罐疏水器前設計過濾器和止回閥，過濾使用過程中產(chǎn)生的水垢和銹渣，確保各種閥類和疏水器不因水垢和銹渣堵塞。并防止蒸汽回串到凝結水系統(tǒng)管網(wǎng)，減少水擊現(xiàn)象。取消疏水器前入口段管線保溫層，強化疏水器前散熱，使蒸汽快速變?yōu)槟Y水，減少蒸汽汽鎖，使凝結水能正常進入凝結水系統(tǒng)管網(wǎng)[4]。選擇帶有冷凝設備的凝結水回收撬裝設施，將儲罐加熱及管線伴熱產(chǎn)生的高溫凝結水回收到凝結水回收撬裝設施，冷凝降溫后送至全廠凝結水系統(tǒng)管網(wǎng)回收再利用。

2.2 定期對疏水器設備檢測及快速的維護

良好的定期疏水器進行設備檢測，及時進行維護，保障疏水器設備的正常使用，消除因疏水器設備維護不及時對儲罐加熱及凝結水系統(tǒng)的沖擊。在使用過程中應定期進行檢查疏水器的設備完好性，根據(jù)相關石化企業(yè)檢測的結果來看，華北某石化公司2002年l2月對其中315臺具檢測條件的疏水器進行檢測，完好率達不到60%，東北某石化公司2010年11月15日—2011年3月24日對全部在用疏水器進行效能監(jiān)測，完好率僅為81.85 %。大量在用的疏水器不完好，帶病運行，造成儲罐蒸汽加熱及凝結水回收系統(tǒng)的不穩(wěn)定運行，各廠重質(zhì)油儲罐及相關管線的伴熱經(jīng)常出現(xiàn)水擊現(xiàn)象，因此確保疏水器的設備完好性尤其重要。

2.3 及時更換不適宜使用工況的疏水器

儲罐加熱盤管使用雙金屬型疏水器不僅不能滿足加溫的要求，而且很容易造成水擊，建議將儲罐加熱盤管雙金屬型疏水器全部更換成機械型疏水器。

2.4 優(yōu)化生產(chǎn)，減少儲罐加熱

提高儲罐周轉(zhuǎn)率，減少甚至取消儲罐及管線的加熱。在儲罐具有保溫設施下，油品降溫都需要一定時間，因此提高儲罐周轉(zhuǎn)率以及定期活線是可以做到減少甚至取消儲罐及管線的加熱，減少凝結水產(chǎn)量，避免管道水擊現(xiàn)象。充分利用高溫罐儲存條件，取消中間罐的加熱。中間重質(zhì)油罐都為高溫罐，因此提高餾出口出裝置溫度，不僅裝置節(jié)能，罐區(qū)也能節(jié)能，并且可以避免管道水擊現(xiàn)象。優(yōu)化重質(zhì)油儲罐加熱，統(tǒng)計儲罐溫降數(shù)據(jù)，摸索溫降規(guī)律，建立升降溫梯度，實現(xiàn)儲罐順序化加熱減少蒸汽消耗，減少凝結水產(chǎn)量，避免管道水擊現(xiàn)象。通過重質(zhì)油儲罐的溫度與液位對比，發(fā)現(xiàn)當儲罐處于6.9 m以上時，每個罐的溫降比較均勻，溫降為0.03 ℃/h左右，依據(jù)儲罐的溫降值當儲罐加熱到90 ℃，自然降溫當降到溫度工藝報警低限值高1 ℃即82 ℃，共需要的天數(shù)為(90-82)/0.03 ×24=11.1天，當某個重質(zhì)油罐區(qū)內(nèi)只有213、215、220、221、222五個罐需要加熱，因此11.1天為以上5個罐的一個加熱循環(huán)周期，(11.1/5=2.2天)為每個罐的加熱時間，依次對儲罐進行加熱，儲罐溫度形成了梯度差，進而達到一個罐區(qū)只有一臺儲罐進行加熱，避免了罐區(qū)無序加熱。經(jīng)過固定操作幾個周期以來，儲罐溫度梯度受控，班組勞動強度大幅降低，罐區(qū)加熱蒸汽大幅降低。

2.5 優(yōu)化凝結水回收撬裝

儲罐蒸汽加熱后產(chǎn)生的高溫凝結水，經(jīng)過疏水閥和管道沿途阻力，凝結水壓力降低，部分高溫凝結水閃蒸，順著凝結水回收管線進到冷凝水回收撬裝，凝結水回收撬裝空間的突然增大使得凝結水壓力瞬時降低，產(chǎn)生大量的二次蒸汽，閃蒸汽的增加，一方面影響機泵的正常運行，另一方面增加了撬裝壓力平衡閥的負荷，出現(xiàn)了部分蒸汽溢出，產(chǎn)生了小白龍的情況。

原撬裝平衡閥壓力設置0.3 MPa，閃蒸汽溢散嚴重。為了降低閃蒸汽壓力，降低撬裝負荷，在排凝口增加自力式調(diào)壓閥，降低冷凝水回收撬裝的背壓，反復摸索發(fā)現(xiàn)定壓閥定壓為0.1 MPa時罐內(nèi)閃蒸汽量最小，并且引管至罐區(qū)內(nèi)排水溝用雨水冷卻微量排放蒸汽，徹底消滅了凝結水撬裝“小白龍”。

2.6 規(guī)范操作人員操作

管網(wǎng)停汽后送汽時，要先充分暖管，通過旁通線排放冷凝水以及不凝氣，排盡后切入疏水器慢慢提壓。根據(jù)具體情況閥門一扣一扣緩慢打開提壓。需制定操作規(guī)程，詳細到每個操作步驟需要進行多長時間，每個時間需要操作那個閥門。

在正常運行過程中，要定期檢查每個疏水器是否正常疏水，一旦發(fā)現(xiàn)疏水器損壞，必須及時處理。在管網(wǎng)運行時，要做好巡檢記錄工作，哪段管線凝結水較多，哪段管線容易發(fā)生水擊現(xiàn)象，都要做好記錄。

2.7 管線發(fā)現(xiàn)水擊現(xiàn)象后，正確的操作處理方法

在水擊發(fā)生時，操作人員的正確操作處理方法，能快速消除水擊，減少對蒸汽加熱及系統(tǒng)凝結水系統(tǒng)管網(wǎng)的沖擊，降低因水擊出現(xiàn)管線斷裂泄漏的發(fā)生，確保安全生產(chǎn)受控。

一是立即通知關閉前段閥門，關閉蒸汽或減小來汽壓力。

二是保持引起水擊現(xiàn)象的疏水器正常疏水。

三是如果水擊的程度較小，可以緩慢的關小此閥門的開度，降低閥前管線的流動速度，直到全關閥門，消除水擊。

四是如果水擊強度較大，應盡量不要調(diào)整造成水擊的閥門，以免盲目關閉閥門造成水擊進一步嚴重。

五是無論任何時候，如果蒸汽及凝結水管線發(fā)生水擊現(xiàn)象，錯誤的做法為達到消除水擊的目的而開大導淋閥，迅速排放管線內(nèi)的凝結水。這樣操作只能是加速管道內(nèi)汽液兩相流的混合流動，很可能導致管道水擊越來越嚴重。

3 結語

綜上所述，煉廠重質(zhì)油罐區(qū)應采用合適的疏水器，相關加熱管線的設計要合理，凝結水回收撬裝設施選擇要得當，疏水器設備要做到及時維護到位，才能減少蒸汽加熱及凝結水系統(tǒng)管網(wǎng)的水擊現(xiàn)象，并能起到節(jié)能降耗的效果。同時，在發(fā)生水擊現(xiàn)象后，操作人員采用正確的操作處理方法，快速消除水擊現(xiàn)象，消除因管線長時間打水擊造成出現(xiàn)管線斷裂泄漏情況的發(fā)生，從而確保煉廠重質(zhì)油罐區(qū)安全生產(chǎn)受控。