油氣回收工藝系統(tǒng)運行異常的分析及處理

蘇魯書，劉兆春，李建軍，李 強(qiáng)，李 陽

（山東港口日照港油品碼頭有限公司，山東 日照 276800）

近年來，隨著國家環(huán)保法律法規(guī)的愈加嚴(yán)格，作為控制揮發(fā)性有機(jī)污染物排放的關(guān)鍵單元［1］，油氣回收系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于儲油庫發(fā)油作業(yè)［2，3］。當(dāng)前大多數(shù)文獻(xiàn)集中在發(fā)油作業(yè)液體裝卸臂的密閉化、油氣處理流程及回收利用效率研究上［4～6］，而對于影響油氣回收設(shè)備穩(wěn)定運行的設(shè)備問題及解決措施卻鮮有文獻(xiàn)報道。

1 工藝流程簡介

1.1 主工藝流程

原油揮發(fā)過程產(chǎn)生的油氣經(jīng)過脫硫單元后進(jìn)入到壓縮機(jī)，被壓縮至0.7 MPa后進(jìn)入預(yù)冷器，在預(yù)冷器中被冷凝器排出的不凝氣預(yù)冷后（約20℃）進(jìn)入冷凝器被冷媒液冷卻到0～5℃，在冷凝器中有機(jī)氣體的蒸汽分壓大大超過其相應(yīng)的飽和蒸汽壓，此時大約50%～60%有機(jī)組分冷凝成液體流入儲油罐內(nèi)儲存。

不凝氣體作為冷源，進(jìn)入預(yù)冷器后被加熱達(dá)到10～20℃的溫升后進(jìn)入膜分離單元，不凝氣中的非有機(jī)組分更優(yōu)先的通過膜進(jìn)入活性炭吸附裝置，而未透過膜的氣體提濃后返回壓縮機(jī)入口復(fù)疊處理；吸附單元中2個活性炭炭罐交替進(jìn)行吸附、脫附工作，當(dāng)1個炭罐進(jìn)行吸附時，另1個炭罐則進(jìn)行脫附再生；工作1個吸附周期后，2個吸附罐切換工作狀態(tài)，以實現(xiàn)裝置連續(xù)工作。經(jīng)真空泵解吸后的氣體回到冷凝單元進(jìn)行下次冷凝液化，而吸附后的氣體從而達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)排放。

“脫硫+冷凝+膜+吸附”復(fù)疊法處理工藝流程見圖1。

圖1 油氣回收主工藝流程

1.2 冷卻輔助流程

油氣回收冷卻水循環(huán)循環(huán)管路可分為空氣壓縮冷卻系統(tǒng)和制冷機(jī)冷卻系統(tǒng)，主要包括冷卻塔、冷卻水箱、循環(huán)水泵、熱交換器及連接管道組成。

空氣壓縮機(jī)冷卻系統(tǒng)：來自冷卻塔的冷卻水通過循環(huán)水泵后部分進(jìn)入水—水熱交換器，與經(jīng)氣液分離后的高溫水進(jìn)行充分熱交換，再進(jìn)入壓縮機(jī)對排氣進(jìn)行冷卻。

制冷系統(tǒng)：由螺桿制冷壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥、蒸發(fā)器及相關(guān)管道組成，借助壓縮機(jī)的抽吸壓縮、冷凝器的冷凝放熱、節(jié)流膨脹降壓以及蒸發(fā)器汽化吸熱的不停循環(huán)過程，通過利用制冷劑的相態(tài)變化過程所發(fā)生吸放熱現(xiàn)象從而達(dá)到降低被冷卻對象溫度的目的［7］。

壓縮機(jī)壓縮后排出的高溫高壓氣態(tài)制冷劑首先進(jìn)入冷凝器被常溫冷卻水冷卻成中溫高壓液體，高壓液體經(jīng)節(jié)流膨脹后變成低溫低壓的液體。在蒸發(fā)器中制冷劑液體汽化吸收被冷卻介質(zhì)的熱量，變成低溫低壓的飽和氣體或過熱蒸汽。

油氣回收冷卻水輔助流程見圖2。

圖2 油氣回收冷卻水輔助流程

2 問題及原因分析

2.1 系統(tǒng)低壓

故障現(xiàn)象：油氣回收裝置的吸附系統(tǒng)是由2個吸附罐、1臺真空泵和相關(guān)的控制閥門組成，當(dāng)氣體開始進(jìn)入膜分離單元后，系統(tǒng)運行壓力一直維持在0.3～0.4 MPa，明顯低于正常壓力，且當(dāng)吸附罐A處于吸附狀態(tài)，吸附罐B處于解吸狀態(tài)時，2個罐的壓力均為負(fù)壓，尾氣調(diào)節(jié)閥基本處于關(guān)閉狀態(tài)。

故障分析及處理：鐵路裝車作業(yè)現(xiàn)場主要采用“冷凝+膜分離+吸附”技術(shù)組合的油氣回收系統(tǒng)，透過膜組件的烴類組分進(jìn)入吸附系統(tǒng)，剩余氣則進(jìn)入入口壓縮機(jī)進(jìn)行循環(huán)復(fù)疊處理。當(dāng)吸附系統(tǒng)的真空泵啟用后，通過切換相關(guān)的操作閥門可以實現(xiàn)1個罐吸附、另1個罐解析的目的，見圖3。

圖3 油氣回收活性炭吸附單元工藝流程

當(dāng)罐A吸附、罐B解吸時，現(xiàn)場閥門A1、A3、B2處于開啟狀態(tài)，而閥門B1、B3、A2處于關(guān)閉狀態(tài)，油氣經(jīng)罐A活性炭吸附后尾氣達(dá)標(biāo)排放，而解吸罐B中的活性炭在真空泵抽真空的作用下重新恢復(fù)活性，因此吸附罐A壓力應(yīng)為正壓，而解吸罐B壓力應(yīng)為負(fù)壓。由于當(dāng)2個罐的壓力均為負(fù)壓時，考慮吸附流程和解吸流程管線間存在交叉或氣體互串，油氣未經(jīng)吸附即被真空泵抽出，考慮閥門A2或閥門B1存在限位行程偏差或內(nèi)漏的情況。對2個閥門進(jìn)行拆檢發(fā)現(xiàn)閥門B1閥芯存在明顯損傷，閥桿與球體在連接間隙處發(fā)生脫離，且閥桿表面由于應(yīng)力分布不均磨損嚴(yán)重［8］，從而導(dǎo)致閥桿的轉(zhuǎn)動不能帶動球體的轉(zhuǎn)動，使得閥門開關(guān)準(zhǔn)確度降低。對故障閥門進(jìn)行更換新閥并調(diào)整限位后，重新調(diào)試系統(tǒng)，2個罐壓力均恢復(fù)正常。

2.2 壓縮機(jī)排氣壓力過高

故障現(xiàn)象：油氣回收系統(tǒng)開機(jī)運行3～5 min，冷凝器至儲液罐平衡管結(jié)霜，氣液分離罐壓力上漲至0.8 MPa，達(dá)到油氣回收超壓報警值，系統(tǒng)無法連續(xù)運行，需要進(jìn)行故障分析和處理。

（1）冷凝器出現(xiàn)冰堵問題引起系統(tǒng)超壓。該油氣回收系統(tǒng)冷凝單元中的預(yù)冷器和冷凝器采用固定管板式列管換熱器，其中預(yù)冷器殼程介質(zhì)為經(jīng)過氣液分離器分離后的油氣，而管程介質(zhì)為不凝氣體，冷凝器中殼程介質(zhì)為預(yù)冷后的油氣，管程介質(zhì)為乙二醇，由于油氣含濕量比較大，進(jìn)入預(yù)冷器后多余的水分首先在換熱管外冷凝成液體，液態(tài)水則在重力作用下經(jīng)冷凝器進(jìn)入儲液罐，而未冷凝的油氣則重新返回預(yù)冷器參與熱交換，從而實現(xiàn)冷量的再利用。由于氣流夾帶較多的水分一起至冷凝器進(jìn)液管，在冷凝器內(nèi)部遇到折流板等內(nèi)構(gòu)件的阻礙，容易沉積發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象，導(dǎo)致氣體流動阻力增大，引起系統(tǒng)壓力升高，特別是當(dāng)機(jī)組長時間停機(jī)，而冷凝器內(nèi)部的水沒有排放或沒有排放干凈，當(dāng)環(huán)境溫度低于0℃后，由于溫度低而使冷凝器的管外壁結(jié)冰，使其流通面積越來越小，直至完全堵死。為了快速消除冰堵的影響，可在停機(jī)狀態(tài)下拆卸冷凝器至儲液罐進(jìn)液接管，對油氣回收冷凝器進(jìn)行化冰以排除殘余的水分，抑或在低溫段做雙路切換工藝改造，當(dāng)1側(cè)冷凝器冰堵后，直接切換到另1路換熱交換器冷凝，同時發(fā)生冰堵的1側(cè)做融霜處理。

（2）膜吸附前進(jìn)氣閥門或尾氣調(diào)節(jié)閥動作行程故障引起系統(tǒng)超壓。為了確保油氣回收系統(tǒng)運行的壓力，膜吸附前進(jìn)氣閥門開啟的壓力為0.6 MPa，而活性炭罐吸附后的尾氣排放管線調(diào)壓閥的閥前壓力設(shè)定為0.7 MPa，當(dāng)膜進(jìn)氣閥或尾氣調(diào)節(jié)閥不能正常打開均會導(dǎo)致系統(tǒng)超壓，此時需要及時調(diào)整確認(rèn)閥門的動作行程。

2.3 壓縮機(jī)排氣溫度過高

故障現(xiàn)象：壓縮機(jī)排氣管、氣液分離器及熱交換器外壁溫度超過60℃，同時由于水潤滑不充分，加劇了壓縮機(jī)主機(jī)內(nèi)部螺桿與星輪的摩擦，壓縮機(jī)產(chǎn)生異音，油氣回收出現(xiàn)排氣溫度過高保護(hù)。

故障分析及處理：相比干式無油螺桿壓縮機(jī)，該油氣回收系統(tǒng)采用的水潤滑螺桿無油壓縮機(jī)具有壓縮效率高，維護(hù)保養(yǎng)簡單，環(huán)保無污染［9］的特點。噴入壓縮機(jī)的冷卻水與油氣一起壓縮后進(jìn)入氣液分離罐，分離后的油氣進(jìn)入預(yù)冷器，而液態(tài)水則經(jīng)過熱交換器、水過濾器后重新返回壓縮機(jī)。由于等溫壓縮，水潤滑壓縮機(jī)通常具有相對降低的排氣溫度（50～60℃），該油氣回收系統(tǒng)排氣溫度保護(hù)值設(shè)定為55℃。系統(tǒng)出現(xiàn)排氣溫度過高保護(hù)時常見的原因及處理措施有3點。

（1）由于冷卻水流量不足引起冷卻效果不佳，流量不足通常是由于冷卻水箱液位不足，管路存在堵塞、閥門開度過小或循環(huán)水泵沒有正常工作造成的，此時需要及時檢查管路，清理過濾網(wǎng)，更換水過濾器濾芯、增大閥門開度，或檢查水泵相序是否接反等；

（2）由于冷卻塔冷卻效果下降引起冷卻水溫度過高，此時需要重點檢查冷卻塔上方電機(jī)及風(fēng)扇是否正常運轉(zhuǎn)，及時更換故障件；

（3）來自室外冷卻塔和冷卻水池的循環(huán)水在不斷循環(huán)使用過程中，水中的鈣、鎂離子在受熱時會以無機(jī)鹽的形式結(jié)晶析出并凝結(jié)在換熱管內(nèi)壁上，加上水中原有的泥土、泥沙，以及菌藻滋生產(chǎn)生的生物黏泥等，會造成換熱管堵塞，從而降低熱交換效率［10］，因此需要定期對換熱器內(nèi)部的銅管進(jìn)行清洗除垢。

由圖2可以看出，冷卻塔的出水經(jīng)循環(huán)水泵加壓后分為2路：1路流經(jīng)制冷機(jī)組冷凝器支路，另1路流經(jīng)空壓機(jī)組熱交換器支路。對水循環(huán)管路進(jìn)行拆檢清洗后，壓縮機(jī)高溫自停故障依然存在，考慮由于管路并聯(lián)分流導(dǎo)致流經(jīng)空壓機(jī)組熱交換器的流量不能滿足空壓機(jī)組循環(huán)冷卻水的設(shè)計冷負(fù)荷，通過優(yōu)化整合實施冷卻水循環(huán)“并改串”工藝改造，將制冷冷凝器的出口與熱交換器的入口相連接，將冷卻水循環(huán)由傳統(tǒng)的旁路分流模式改為集流統(tǒng)一循環(huán)模式，既能利用冷卻塔獲取低冷幅冷卻水，又不影響制冷系統(tǒng)的安全運行，空壓機(jī)工作運行溫度同比下降10～8℃，以致排氣高溫問題得以消除。

2.4 制冷壓力異常

制冷系統(tǒng)正常運行時可分為高溫高壓蒸汽冷凝放熱的高壓部分和低溫低壓氣體蒸發(fā)吸熱的低壓部分。由于氣體在排氣管及冷凝器的壓力很小，壓縮機(jī)排氣壓力接近冷凝壓力，同理，壓縮機(jī)吸氣壓力可近似為蒸發(fā)壓力。制冷系統(tǒng)壓力異常主要表現(xiàn)為冷凝壓力過高或蒸發(fā)壓力過低。

2.4.1 冷凝壓力過高故障現(xiàn)象：排氣壓力偏高會導(dǎo)致高壓保護(hù)開關(guān)起跳，引起油氣回收系統(tǒng)高壓保護(hù)自停，同時由于冷凝壓力與冷凝溫度呈正比關(guān)系，排氣壓力偏高會使壓縮機(jī)的壓縮功加大，壓縮機(jī)機(jī)殼、排氣管溫度急劇升高，壓縮機(jī)潤滑油變稀，壓縮機(jī)產(chǎn)生噪音。

故障分析及處理：（1）由于制冷劑充注量過多，液體占據(jù)了有效冷凝面積，觀察系統(tǒng)的高、低壓表，R22制冷劑正常運行時的高壓值為2 MPa，低壓為0.58 MPa，若高、低壓都升高明顯，則釋放多余的制冷劑；（2）管路閥門開度過小或堵塞造成冷卻介質(zhì)的流量不足，檢修冷卻塔、循環(huán)水泵、閥門和過濾網(wǎng)，增大冷卻水流量，保證冷卻水充足；（3）冷凝器傳熱面結(jié)垢，導(dǎo)致氣—液界面的熱交換效率下降，冷凝器外壁的溫度升高，需要及時拆檢清洗冷凝器。

2.4.2 蒸發(fā)壓力過低故障現(xiàn)象：系統(tǒng)低壓壓力表值明顯低于正常值，甚至低壓側(cè)顯示為負(fù)壓，油氣回收冷凝溫度上升，系統(tǒng)顯示制冷低壓保護(hù)自停。

故障分析及處理：（1）若開機(jī)時冷媒高壓、冷媒低壓均明顯低于正常值，從蒸發(fā)器視窗中看到的氣泡較少，則制冷劑出現(xiàn)泄露問題，首先檢查制冷系統(tǒng)銅管及接頭處是否有滲油現(xiàn)象，其次對系統(tǒng)進(jìn)行充氮氣打壓，利用肥皂水檢查外圍各接頭、膨脹閥、甚至蒸發(fā)器內(nèi)部銅管有無泄漏；（2）若高壓側(cè)壓力值變化較小，低壓側(cè)壓力值下降為負(fù)壓，則懷疑過濾器堵塞或閥門開度較小，例如由于電磁閥感應(yīng)線圈損壞導(dǎo)致閥門始終處于關(guān)閉狀態(tài)，制冷劑不能及時的進(jìn)入蒸發(fā)器中，蒸發(fā)壓力較小，需重新更換過濾器或電磁閥；（3）被冷卻介質(zhì)（乙二醇）流量不足或蒸發(fā)器換熱效果下降，因熱量不足會導(dǎo)致經(jīng)過蒸發(fā)器的制冷劑不能及時從液態(tài)蒸發(fā)成氣態(tài)，大量濕蒸汽吸入壓縮機(jī)容易造成壓縮“液擊”，甚至缸頭結(jié)霜，此時需檢修冷媒泵或管路相關(guān)閥門是否正常工作，并且及時清洗蒸發(fā)器。

3 結(jié)束語

綜合回收效率、工藝操作、運行能耗及設(shè)備投資等因素的考慮，當(dāng)前石化行業(yè)油氣回收的工業(yè)應(yīng)用主要采用2種或多種油氣回收組合的工藝方法控制輕烴組分的排放，從而降低油品的蒸發(fā)損耗。對于組合復(fù)疊式油氣回收工藝而言，由于油氣處理過程各化工操作單元間相互影響，因此密切關(guān)注系統(tǒng)流量、溫度及壓力等重要參數(shù)的變化，有效掌握設(shè)備運行狀況是十分必要的。

通過長期對制約組合復(fù)疊式油氣回收工藝穩(wěn)定運行的異常問題分析與處理，同時結(jié)合機(jī)組工作原理分析系統(tǒng)停機(jī)原因，有針對性地提出相應(yīng)處理對策，從而為推動油氣回收技術(shù)的可靠應(yīng)用提供技術(shù)支持。