合成氨裝置變換系統(tǒng)低壓廢鍋泄漏判斷及應對

張偉華，陳 行，石 磊

(中海石油華鶴煤化有限公司，黑龍江 鶴崗 154100)

0 引 言

中海石油華鶴煤化有限公司(簡稱華鶴煤化)300 kt/a合成氨裝置、520 kt/a大顆粒尿素裝置于2015年5月9日成功投產(chǎn)。其中，合成氨裝置變換系統(tǒng)采用一段寬溫耐硫變換串一段低溫耐硫變換工藝(使用鈷鉬系耐硫變換催化劑)，變換系統(tǒng)余熱采用多級換熱回收利用方式；低壓廢熱鍋爐(簡稱低壓廢鍋)作為變換反應熱余熱回收設備之一，副產(chǎn)低壓蒸汽并入低壓蒸汽管網(wǎng)。低壓廢鍋屬變換系統(tǒng)重要設備，一旦發(fā)生泄漏會對整個蒸汽和冷凝液系統(tǒng)造成影響，大大增加系統(tǒng)運行成本，影響系統(tǒng)的安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)運行。2022年3月，變換系統(tǒng)運行過程中，低壓廢鍋發(fā)生泄漏，華鶴煤化通過開大現(xiàn)場蒸汽放空閥、按時對蒸汽冷凝液電導率進行分析等特護措施短時維持系統(tǒng)運行，變換系統(tǒng)及后系統(tǒng)停車后低壓廢鍋交付檢修。以下對有關情況作一介紹。

1 低壓廢鍋副產(chǎn)低壓蒸汽及冷凝液系統(tǒng)概況

來自管網(wǎng)的鍋爐給水，經(jīng)低壓鍋爐給水預熱器預熱后，1.3 MPa、105 ℃的鍋爐給水進入變換系統(tǒng)低壓廢鍋，在低壓廢鍋內利用變換反應熱副產(chǎn)0.6 MPa、165 ℃的低壓飽和蒸汽，送至低壓蒸汽管網(wǎng)。低壓蒸汽管網(wǎng)內的低壓蒸汽送至各崗位用于伴熱，包括變換伴熱站、酸脫伴熱站、液氮洗伴熱站、合成伴熱站、二氧化碳壓縮機組伴熱站、尿素伴熱站、外管廊伴熱站、硫回收伴熱站、氣化伴熱站，伴熱后產(chǎn)生的低壓蒸汽冷凝液(進界區(qū)壓力≥0.27 MPa、溫度約140 ℃，流量220 m3/h)經(jīng)工藝冷凝液換熱器(E24001)與脫鹽水換熱后降溫至80 ℃左右，接著進入工藝冷凝液換熱器(E24002)與循環(huán)水換熱降溫至40 ℃左右，再進入冷凝液水箱(T24001)，然后經(jīng)冷凝液提升泵(P24001A/B/C)送入精密過濾器(S24001A/B/C)除去其中的懸浮雜質和部分鐵離子(過濾精度5 μm)，精密過濾器出水與陰床出水一并進入混合離子交換器(R24003A/B/C/D)除鹽，出水達到二級脫鹽水指標后送至脫鹽水箱(T24003A/B)，最后由脫鹽水泵(P24002A/B/C)提壓至0.9 MPa后送至界區(qū)外各脫鹽水用戶。

2 事故現(xiàn)象與事故判斷

2.1 事故現(xiàn)象

2022年3月7日04:00—3月8日00:00，華鶴煤化水處理裝置工藝冷凝液電導率異常上漲，由7.24 μS/cm緩慢上漲至35 μS/cm(要求工藝冷凝液電導率<10 μS/cm)，于是排查裝置內所有蒸汽冷凝液系統(tǒng)，同時收集裝置內關聯(lián)設備的運行情況，具體如下。

2.1.1變換凝結水回收器

變換凝結水回收器用于接收各變換蒸汽伴熱站回收的冷凝液，通過冷凝液泵送至水處理裝置。當時正值鶴崗冬季，整個變換系統(tǒng)伴熱全部投用，2022年3月6日，現(xiàn)場檢查凝結水回收器運行溫度90 ℃、壓力0.2 MPa，液位控制在50%，外送冷凝液泵運行穩(wěn)定；2022年3月8日，現(xiàn)場檢查凝結水回收器運行溫度135 ℃、壓力0.4 MPa，液位在0～100%之間波動，外送冷凝液泵振值較高而打量波動較大，且由于凝結水回收器壓力和溫度升高，冷凝液無法正常送入冷凝液管網(wǎng)，凝結水回收器需反復切除、泄壓、排液后重新投用。

2.1.2合成氣壓縮機組汽輪機

2022年3月7日04:00—3月8日00:00，合成氣壓縮機組汽輪機真空度發(fā)生間斷性波動——大致由-0.083 MPa降至-0.068 MPa，汽輪機不得不通過反復調整轉速與負荷以控制其真空度。

2.2 事故判斷

上述事故現(xiàn)象表明，冷凝液系統(tǒng)中含有不凝氣，冷凝液電導率上漲為真值，隨即對變換系統(tǒng)換熱器(低壓廢鍋、中壓廢鍋、蒸汽過熱器)和鍋爐給水換熱器(中壓鍋爐給水預熱器、低壓鍋爐給水預熱器)進行排查。

2.2.1變換系統(tǒng)換熱器

中壓廢鍋副產(chǎn)中壓蒸汽、低壓廢鍋副產(chǎn)低壓蒸汽及蒸汽過熱器出口中壓蒸汽取樣分析結果顯示，低壓廢鍋出口低壓蒸汽中CO、H2、不凝氣含量分別為0.72%、53.75%、120 mL/m3，即低壓廢鍋產(chǎn)生的低壓蒸汽中含有少量的不凝氣，不凝氣中含有可燃氣(CO和H2)；中壓廢鍋、蒸汽過熱器出口中壓蒸汽中CO和H2均未檢出，無不凝氣；低壓蒸汽管網(wǎng)其他位置取樣均未發(fā)現(xiàn)有可燃氣。初步判斷低壓廢鍋存在輕微內漏。

為進一步確認低壓廢鍋是否存在內漏，將低壓廢鍋副產(chǎn)低壓蒸汽就地放空閥打開排放，于2022年3月12日16:00—3月13日12:00連續(xù)進行數(shù)據(jù)分析：脫鹽水系統(tǒng)冷凝液與透平冷凝液電導率大致由40 μS/cm緩慢降至10 μS/cm，趨于正常；同時，調整低壓蒸汽放空量，冷凝液電導率隨蒸汽放空量呈反比例變化。再次表明低壓廢鍋存在內漏。

2.2.2鍋爐給水換熱器

3 低壓廢鍋內漏的危害

(1)低壓廢鍋內漏，放空部分低壓蒸汽會導致系統(tǒng)能耗增加，不放空又可能導致低壓蒸汽中竄入可燃氣，降低蒸汽品質，蒸汽中因含有不凝氣致蒸汽換熱器換熱效果變差，嚴重時可能造成設備損壞及人身安全事故；另外，低壓廢鍋內漏可能造成低壓蒸汽流量、壓力、溫度大幅上漲，致使各儀表點損壞，還會導致低壓廢鍋安全閥啟跳，甚至有發(fā)生低壓廢鍋管束爆管的可能。

(2)低壓廢鍋內漏，工藝氣竄入低壓蒸汽中，低壓蒸汽中可燃氣(CO、H2、H2S、NH3等)含量升高，低壓蒸汽現(xiàn)場排放可能危及環(huán)保及巡檢人員的人身安全；現(xiàn)場排放/泄漏蒸汽處附近若有動火、臨時用電等特殊作業(yè)，可能引發(fā)著火、爆炸等安全事故。

(3)低壓廢鍋內漏，軸封蒸汽品質下降，對汽輪機軸封密封面產(chǎn)生影響；真空抽氣器低壓蒸汽品質下降，易導致抽氣器真空度下降，造成合成氣壓縮機組汽輪機振動，影響汽輪機的運行；表冷器內結垢可能性增大，對其換熱效果以及機組真空度產(chǎn)生影響，增加系統(tǒng)能耗，機組進汽量大，并形成惡性循環(huán)；排放液氧時空分噴射蒸發(fā)器使用的是低壓蒸汽，低壓蒸汽中含有的可燃氣與高純度氧氣混合有爆炸風險。

(4)低壓廢鍋內漏，若低壓蒸汽冷凝液處理不達標會致鍋爐給水超標，超標鍋爐給水送至鍋爐產(chǎn)汽最終送至4臺壓縮機組汽輪機(含合成氣壓縮機組汽輪機、空壓機組汽輪機、CO2壓縮機組汽輪機、氨壓縮機組汽輪機)，會致汽輪機進汽品質下降，汽輪機轉子葉片等處鹽分沉積結垢可能性增大，進而造成汽輪機效率降低而能耗增加、軸向推力增加加重止推瓦損耗、汽輪機蒸汽調節(jié)閥靈活性變差等，增加機組運行風險。

(5)低壓廢鍋內漏，可能給廠房、泵房內的蒸汽分配站、冷凝液回收站的運行及巡檢帶來安全隱患。

4 低壓廢鍋泄漏后的應對措施

4.1 特護運行

低壓廢鍋副產(chǎn)0.6 MPa低壓蒸汽，低壓蒸汽用戶是4臺壓縮機組蒸汽管網(wǎng)中用戶最多的層級，遍布全廠各生產(chǎn)系統(tǒng)與整個伴熱系統(tǒng)及采暖系統(tǒng)，同時，變換系統(tǒng)運行期間低壓廢鍋無法在線消漏，為維持生產(chǎn)，完成全年生產(chǎn)目標，在保證安全的情況下，經(jīng)研究，華鶴煤化決定對低壓廢鍋進行特護運行，據(jù)其泄漏情況擇機處理。具體特護措施如下。

(1)通過脫鹽水系統(tǒng)冷凝液電導率(要求冷凝液電導率<10 μS/cm)控制低壓廢鍋現(xiàn)場的放空量，通過低壓蒸汽現(xiàn)場放空量判斷低壓廢鍋漏點的大?。粨?jù)水處理裝置工藝冷凝液以及透平冷凝液電導率數(shù)據(jù)，合理調整低壓廢鍋的放空量，減少放空帶來的蒸汽損失，并按要求對現(xiàn)場冷凝液進行排放或回收，提前向調度申請，按要求排放。

(3)系統(tǒng)加減負荷需緩慢，防止負荷波動造成低壓廢鍋進出口溫差變化而加劇其泄漏；變換系統(tǒng)低壓蒸汽導淋保持排放狀態(tài)，檢測變換凝結水回收器排放氣中的可燃氣含量，每班至少2次對地溝進行測爆，涉及蒸汽系統(tǒng)動火作業(yè)的則升級管理，防止可燃氣聚集引發(fā)次生災害；每班按要求對中壓廢鍋、低壓廢鍋排污2次(大排量鍋爐水調節(jié)閥要有開度變化)。

(4)中控(人員)多巡檢DCS界面，注意工況變化，注意低壓廢鍋壓力(PI04104)、產(chǎn)汽量(FI041025)、鍋爐水用量及各閥門開度的變化，并注意中壓減低壓蒸汽減壓站之閥門開度及溫度，確保其在工藝指標范圍內；現(xiàn)場人員加強現(xiàn)場漏點的監(jiān)控，有漏點增大跡象時及時匯報。

4.2 系統(tǒng)停車低壓廢鍋交付檢修堵漏

2022年3月16日06:00，變換系統(tǒng)及后系統(tǒng)停車，低壓廢鍋交付檢修消漏。使用高壓氮氣對變換系統(tǒng)進行降溫、置換，變換系統(tǒng)壓力降至0.5 MPa；置換合格后，系統(tǒng)氮氣含量>99.5%，泄壓至微正壓，關閉變換爐進、出口閥，保護變換催化劑。確認低壓廢鍋給水管線界區(qū)閥、低壓廢鍋上水閥及旁路閥關閉，關閉低壓蒸汽并網(wǎng)閥，打開導淋，打開低壓廢鍋就地放空閥，打開低壓廢鍋排水閥排水、泄壓，低壓廢鍋殼程進消防水降溫至40 ℃以下，對低壓廢鍋工藝氣側、鍋爐水側、蒸汽側加盲板進行完全隔離。打開低壓廢鍋人孔，通入儀表空氣進行置換，O2含量在19.5%～21.0%、可燃氣含量<0.5%時，檢修人員進入內部將隔板拆開，進行氣密查漏、肥皂水試漏，發(fā)現(xiàn)大漏點一處(第44排從左往右數(shù)第14根管內部有氣體排出)、較小漏點一處(第32排從左往右數(shù)第17根管)，為之前處理管束泄漏時焊接堵頭焊肉處，有微量氣體泄漏，做好標記后設備泄壓處理漏點，所使用的堵頭材質為316L、規(guī)格為φ19 mm×23 mm，焊接方式為氬弧焊，焊絲選用E316L。焊接完畢后，工藝人員進行充壓、查漏，確認上述2處漏點已消除，但由于焊接過程中產(chǎn)生的熱應力，導致剛焊接堵漏旁邊的管束出現(xiàn)了3處新漏點，隨即泄壓對新漏點處重新進行打磨、焊接堵頭，其后氣密試驗未發(fā)現(xiàn)有漏點，回裝設備。

2022年3月17日01:00低壓廢鍋漏點處理作業(yè)完成，將其并入系統(tǒng)，變換系統(tǒng)順利重啟，開車后對低壓廢鍋運行狀況進行跟蹤，其運數(shù)據(jù)如表1?？梢钥吹?，低壓廢鍋檢修后，其排污pH趨于穩(wěn)定，排污電導率逐漸降至6 μS/cm左右，不凝氣含量逐漸降至0，低壓廢鍋運行狀況良好，低壓蒸汽及冷凝液系統(tǒng)運行恢復正常。

表1 漏點處理后低壓廢鍋運行數(shù)據(jù)

5 低壓廢鍋泄漏原因分析

低壓廢鍋管程介質為變換氣，主要成分為H2、CO、CO2、H2S、CH4等易燃易爆氣體；殼程介質主要為低壓鍋爐水。低壓廢鍋管束共計1 120根U型管，材質為0Cr18Ni10Ti，管板材質為20MnMoIV+S32168(堆)；廢鍋內列管高度1.7 m，液位計高度2.94 m，日常液位控制在65%～70%，對應液位計高度為1.91 m以上(高于列管高度)，不會出現(xiàn)列管干燒的情況。低壓廢鍋管程走變換氣，設計壓力6.6 MPa、實際操作壓力5.6 MPa，設計溫度290 ℃、實際操作溫度238 ℃；殼程走低壓蒸汽和低壓鍋爐水，設計壓力1.8 MPa、實際操作壓力0.66 MPa，設計溫度250 ℃、實際操作溫度164 ℃?？梢钥吹?，低壓廢鍋實際運行中未出現(xiàn)過超溫超壓情況，其他工藝運行參數(shù)也均在許可范圍內。此外，低壓廢鍋排污pH長期在7.9以上，其電導率比較穩(wěn)定，偶爾出現(xiàn)波動，受鍋爐給水中鐵離子含量的影響。

2018年7月，低壓廢鍋列管渦流檢測報告顯示，列管平均壁厚2.04 mm(管束規(guī)格φ25 mm×2.0 mm)，管束狀態(tài)良好，列管未出現(xiàn)均勻減薄現(xiàn)象，無明顯缺陷及異常減薄情況，表明列管未受爐水腐蝕。2022年8月，合成氨裝置大修期間對變換系統(tǒng)低壓廢鍋所有管束進行渦流檢測，發(fā)現(xiàn)25根U型管存在缺陷，雖然不是漏點，但渦流檢測單位認為存在泄漏的可能，建議堵管，于是對這25根U型管進行了堵管。

綜上所述，低壓廢鍋在工藝操作方面如液位控制、操作數(shù)據(jù)及爐水控制方面未出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，可以排除工藝操作不當引起設備泄漏的可能；低壓廢鍋歷次檢修均按有關規(guī)程進行，未出現(xiàn)過人為失誤致設備損傷的情況。推測本次低壓廢鍋內漏事故為設備設計制造缺陷所致。

6 經(jīng)驗總結

本次華鶴煤化低壓廢鍋內漏事故屬比較典型的廢熱鍋爐內漏事故，對蒸汽及冷凝液系統(tǒng)等產(chǎn)生了一系列不良影響，總結內漏事故的處理過程可以得出：內漏初期可通過間斷放空低壓蒸汽等特護手段短時維持系統(tǒng)生產(chǎn)，但不是徹底解決問題的辦法，必要時需及時停車處理，將問題解決在初期，以免問題擴大化；低壓廢鍋或類似設備內漏情況或內漏原因還有很多，日常工作中要加強技術管理，注重工藝指標合格率，發(fā)現(xiàn)工藝指標異常時及時分析原因并及時采取應對措施；要做好設備的定期與不定期檢測工作，確保設備檢修作業(yè)規(guī)范化等。如此可將設備的運行風險降至最低，保障裝置的安全、穩(wěn)定、優(yōu)質運行。