加氫裝置減壓站易出現(xiàn)的故障及原因

王曉光，王文超 (陜煤集團榆林化學有限責任公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

近年來，隨著中國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，能源需求越來越迫切?，F(xiàn)在我國的石油主要依靠進口，我國已經(jīng)成為純石油進口大國。原料(蘭炭焦油或熱解焦油)在高壓氫和催化劑的條件下，通過懸浮床加氫反應(yīng)生成中間產(chǎn)品是煤化工企業(yè)重要生產(chǎn)工藝。懸浮床加氫裝置工藝流程主要由原料分餾單元、油漿配制單元、氫氣壓縮、懸浮床加氫反應(yīng)單元、加氫產(chǎn)物分餾單元組成。減壓站的可靠運行對懸浮床加氫裝置的正常運行起著至為關(guān)鍵的作用。

1 減壓站系統(tǒng)簡述

1.1 工藝概述

原料油(蘭炭焦油或熱解焦油)漿經(jīng)原料油漿循環(huán)泵升壓到 23.1 MPa 后，與部分氫氣混合經(jīng)懸浮床進料加熱爐加熱至 355 ℃左右，與經(jīng)懸浮床循環(huán)氫加熱爐 升溫的熱氫氣混合后進入懸浮床反應(yīng)器(R1)底部，浮床反應(yīng)器(R1)反應(yīng)產(chǎn)物從反應(yīng)器頂部 流出，依次經(jīng)懸浮床反應(yīng)器(R2)、懸浮床反應(yīng)器(R3)，懸浮床反應(yīng)器(R3)頂部流出的反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)降溫至409 ℃左右送至懸浮床熱高壓分離罐(V4)中部。懸浮床反應(yīng)器(R3)底部循環(huán)油采出一部分與經(jīng)過R4 進料加熱爐升溫的熱氫氣與供氫溶劑混合后送至懸浮床反應(yīng)器(R4)的底部。來自第三懸浮床加氫反應(yīng)器(R3)和第四懸浮床加氫反應(yīng)器(R4)的反應(yīng)產(chǎn)物進入懸浮床 熱高壓分離罐(V4)中部后分離為氣液兩相。熱高壓分離罐(V4)頂部設(shè)置洗滌段，自高壓洗 滌油泵升壓后的溫度相對較低的洗滌油進入熱高壓分離罐(V4) 頂部，與熱高分氣逆向 接觸，洗去熱高分氣中的固體雜質(zhì)[1]。

懸浮床熱高壓分離罐(V4)底熱高分油經(jīng)減壓站降壓后至懸浮床熱中壓分離罐(V5)，經(jīng)下游裝置進這一步分餾、提純。

1.2 減壓站的功能

減壓站將懸浮床熱高壓分離罐來的高溫、高壓烴類液體(含固) 進行減壓，達到下游過程要求的壓力值。減壓站擁有一個獨立的入口，包括1 個四通閥、3個緊急切斷閥、3 個調(diào)節(jié)閥、6 個切斷閥和沖洗、 泄放系統(tǒng)(防止閥門磨蝕、 烴液凝固)、熱備系統(tǒng)。

減壓站由四通閥分為三路，三路管線互為備線(一開兩備，一路熱備、一路冷備)，可滿足在線維修的要求。每路管線根據(jù)需要配置適當?shù)臎_洗和泄放系統(tǒng)。三路經(jīng)減壓后分別進入懸浮床熱中壓分離罐(Φ 2 000×7 000(T/T)，立式)，三個進料口為同一水平高度，管口之間均呈 120o均勻分布 。

1.3 操作工藝

減壓站三路管線互為備線(一開兩備，一路熱備、一路冷備)，工況為高溫400 ℃以上、高壓20 MPA 以上、含固、臨氫。減壓站可全自動程序控制運行，且能實現(xiàn)工藝要求的減壓功能，當一路切出時能自動智能完成閥門檢漏、檢修可行性判斷、管線沖洗、管線降溫及吹掃切出等工作；同時檢修完成，閥門回裝后可自動實現(xiàn)長期在線熱備功能(閥芯不能磨損)，視工藝需求隨時切入投用，避免因過大的溫差對閥門造成損壞以及由巨大熱應(yīng)力引發(fā)的管路破壞；任何支路之間能實現(xiàn)在線靈活切換，并保證上述自動化功能的完備實現(xiàn)；上述自動化功能均有完備的監(jiān)測參數(shù)送至中控室以供實時監(jiān)控，同時允許用戶在任何條件下切斷自動運行，投入手動操作。當工藝管路切換時，需經(jīng)過一系列的預熱、吹掃和沖洗以防溫度劇變引起熱沖擊，并清理管線以便維護[2]。

減壓站內(nèi)所有參與流程控制的設(shè)備為全儀表化配置，投用后無需操作工現(xiàn)場手動操作，且減壓站的管線切換、切除、檢漏、沖洗、降溫、惰性化處理、升溫、熱備等所有流程，除關(guān)鍵節(jié)點需要獲得相關(guān)授權(quán)外，全部由減壓站的控制系統(tǒng)自動化運行，同時在減壓站內(nèi)設(shè)備出現(xiàn)部分異常情況時，控制系統(tǒng)會根據(jù)具體異常問題進行報警并在獲得相關(guān)授權(quán)后按照預設(shè)的故障模式程序自動化運行。減壓站的控制系統(tǒng)為獨立的PLC 控制系統(tǒng)，減壓站的控制邏輯及保護功能均由控制系統(tǒng)實面。

2 減壓站裝置應(yīng)用中存在的問題

2.1 設(shè)計選型

減壓站進料為懸浮床熱高壓分離罐底部排出的含有大量固體和易熱縮合烴類的物流。平均粒度小于 100 μm，80%(重量) 以上顆粒粒度小于 80 μm，最大粒徑≤1.0 mm，莫氏硬度在6.0～6.5 之間，其中高溫有機硫化物為2.0%(重量)，高溫有機酸性氧化物為5 000×10-6酚、含 1 000×10-6有機羧酸或環(huán)烷酸，介質(zhì)成分復雜。因介質(zhì)組分特性，重質(zhì)油介質(zhì)易結(jié)焦對儀表信號正常傳輸存在一定的干擾，含固多相介質(zhì)泄放因磨損較易引發(fā)的密封問題。高溫、高壓、含固、酸性氧化物同時存在減壓站系統(tǒng)中，對儀表的選型提出了較高的技術(shù)要求。

2.2 系統(tǒng)布置

設(shè)備布置是確定各個工藝生產(chǎn)設(shè)備在生產(chǎn)裝置中的安裝位置，明確主工藝管線、儀表管線、保溫伴熱管線的走向、安裝位置，同時最大可能地做到經(jīng)濟合理、便于操作、維修方便、運行安全、排列整齊美觀。

本裝置中反應(yīng)器置于框架較高處，經(jīng)懸浮床熱高壓分離罐(V4)至減壓站裝置，因空間、占地及投資各方因素，現(xiàn)場安裝布局空間受限。在化工工藝裝置的設(shè)計及裝置布置環(huán)節(jié)中，設(shè)計人員較為重視前期的設(shè)計，僅通過模型審查來確定其合理性，而對后期的安裝環(huán)節(jié)或安裝工序中存在的問題不太關(guān)注，這對設(shè)備的后期檢修、維護也有重大的影響。因其緊湊的設(shè)計，甚至影響到減壓站巡檢、維修的作業(yè)所需空間要求。在空間布局上已經(jīng)失去了進一步優(yōu)化的可能性。

2.3 動力源配置

由于本次液壓控制單元所服務(wù)閥門處于高壓差位置，對閥門要求非常高。由于閥門材質(zhì)原因及怕沖擊的特點。所以作為閥門執(zhí)行機構(gòu)，除了要考慮裝置運行安全穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，還要考慮針對此類閥門特點，考慮執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計，增加對閥門的保護。動力源系統(tǒng)總包括動力油站裝置、蓄能系統(tǒng) 、液壓控制單元。

動力油站包括由電動機，油箱，冷卻器，儀表和過濾器組成的動力油站單元(HPU)。HPU 旨在持續(xù)保持蓄能器站內(nèi)的壓力處于最佳范圍內(nèi)，系統(tǒng)使用三個主泵和一個應(yīng)急油泵。循環(huán)泵用于冷卻 和過濾儲存在油箱中的油。主泵的管路連接到蓄能器站。每個控制單元都是位于單獨的機柜中。該設(shè)備包含自動和手動控制閥門所需的控制元件(電磁閥，手動閥)。對于RPB閥，提供的是調(diào)節(jié)型液壓組件和 PLC 控制組件組成的控制箱。在壓力下降的情況下，蓄能器組作為緩沖罐和能量儲存器工作，將壓力保持在最佳范圍內(nèi)。蓄能器組將動力單元產(chǎn)生的液壓功率保持為液壓能量，然后用于控制閥門。每個蓄能器組都與氮氣瓶連接，用作蓄能器組的氮氣附加源。每個蓄能器組由油側(cè)安全閥組，氣測安全閥組，油側(cè)和 氣測壓力表，液壓壓力變送器，還有一個活塞蓄能器和3 個氮氣瓶組成。

高容積活塞式蓄能器，滿足所有電機泵組不能工作情況下，活塞蓄能器儲存液壓油滿足正常運行時的極限工況為9 臺。閥同時全開(0～100%)、全關(guān)(100%～0)2 個全行程，整個過程蓄能器輸出壓力不低于設(shè)計工作壓力。每個控制單元都是位于單獨的機柜中。該設(shè)備包含自動和手動控制閥門所需的控制元件(電磁閥，手動閥)。對于RPB 閥，提供的是調(diào)節(jié)型液壓組件和PLC 控制組件組成的控制箱。

減壓站裝置中考慮動力源的穩(wěn)定，主要選動液力執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動閥門，液動執(zhí)行機構(gòu)較氣動執(zhí)行機構(gòu)體積較不少 ，安裝較方便，是比較明顯的優(yōu)勢。但是采用液壓執(zhí)行機構(gòu)需要單獨配置液壓站廠房(當?shù)丨h(huán)境溫度原因，極限低溫可至-25 ℃)，液壓站至液動執(zhí)行機構(gòu)較遠，諸如此等原因，使的整體成本較高。

3 改進措施及優(yōu)化建議

3.1 優(yōu)化設(shè)計

在進行工藝設(shè)計的環(huán)節(jié)，設(shè)計人員既要考慮生產(chǎn)過程中的裝置布局合理性、安全性，同要考慮在企業(yè)在運行過程中不可避免的檢維修問題，確保企業(yè)的經(jīng)濟效益。其實，重視企業(yè)生產(chǎn)活動中的檢維修問題也是保證企業(yè)經(jīng)濟效益的另一個體現(xiàn)，一旦發(fā)生檢修不能或無力檢修，不僅會耗費大量的人力、物力，有可能造成大面積裝置停產(chǎn)，對企業(yè)的經(jīng)濟也產(chǎn)生較大的影響。

減壓站主介質(zhì)高溫、高壓、含固、酸性氧化物同時存在，其中切斷閥的高可靠性優(yōu)為重要，因其含固體顆粒可優(yōu)先選用球閥，同時采用金屬硬密封，全通徑設(shè)計，防結(jié)焦結(jié)構(gòu)設(shè)計，接觸介質(zhì)的閥門承壓部件，均應(yīng)考慮介質(zhì)對金屬的腐蝕減薄量，該減薄量應(yīng)作出明確要求?；谝陨显?，閥門可優(yōu)先選用鍛件。主管線LV 調(diào)節(jié)閥前后壓差較大，會出現(xiàn)嚴重的閃蒸，工藝介質(zhì)中含有固體及顆粒，在高速下對閥門有嚴重的磨蝕，設(shè)計階段必須充分考慮到介質(zhì)的磨蝕性，保證閥門長期可靠運行。

3.2 產(chǎn)品質(zhì)量控制

切斷閥、調(diào)節(jié)閥是減壓縮裝置中主要的控制、調(diào)節(jié)設(shè)備。在設(shè)計環(huán)節(jié)，要充分考慮設(shè)備在維修和檢修工作開展時的可操作性、便捷性，確保后期工作開展的簡單易行。制造階段的質(zhì)量控制，管道、管件加工完成后應(yīng)進行固溶和穩(wěn)定化熱處理。熱處理應(yīng)有熱處理報告并根據(jù) ASTM 標準進行產(chǎn)品分析，逐件100%UT 超聲波檢驗，奧氏體不銹鋼管件要求按照 ASTM E165 方法 B 進行 100% 液體滲透檢驗。PT 的檢驗結(jié)果應(yīng)符合 ASTM E165 的要求。所有閥門都要根據(jù)API598 要求完成高壓閥座關(guān)閉性試驗和低壓密封試驗以及上密封試驗，必須考慮耐磨，更好的抵抗介質(zhì)沖刷，保證使用壽命，克服高壓差對 閥芯產(chǎn)生的振蕩影響，保證閥門穩(wěn)定運行，能夠?qū)崿F(xiàn)抵御介質(zhì)中的顆粒物將閥芯抱死，卡澀 等功能，且便于維修更換。每批同型號材料至少抽驗一次化學成分和機械性能試驗，試驗結(jié)果需符合 ASTM 標準的要求。

考慮到介質(zhì)的含固性，建議采用浮動球形式的全通徑O 型球閥，因調(diào)節(jié)閥前后壓差較大，會出現(xiàn)嚴重的閃蒸，工藝介質(zhì)中含有固體及顆粒，在高速下對閥門有嚴重的磨蝕，需朵充分考慮到介質(zhì)的磨蝕性，出口處建議進行硬化處理。建議切斷閥的閥芯和閥座通過硬化處理(高溫氧焰噴涂后熱熔融處理)，以提高涂層與基材的附著力，消除涂層應(yīng)力。介質(zhì)臨氫、高壓，閥門需關(guān)注其耐火性能，保證閥門安全運行。

產(chǎn)品市場良莠不齊，盡可能選擇信譽好、業(yè)績較廣泛的制造廠家。

3.3 控制閥的選擇

關(guān)于切斷閥動力源的選擇，控制閥的可操作性和穩(wěn)定性是動力源選擇需考慮的重要因素。常規(guī)動力源有電動、氣動、液動。綜合分析，建議每條線上各切斷閥選不同方式驅(qū)動源，避免單一驅(qū)動源失源造成工藝操作不可控。鑒于電動驅(qū)動的局限性，可以不作為考慮對象，氣動、液動是驅(qū)動源的不二選擇。因介質(zhì)高壓，需考慮各減壓線切斷閥的執(zhí)行機構(gòu)應(yīng)能保證閥門在各種工況下(含最大差壓)平穩(wěn)開啟、關(guān)閉，執(zhí)行機構(gòu)的輸出力矩應(yīng)至少為閥門最大扭矩的1.5 倍，執(zhí)行機構(gòu)同步設(shè)置限位保護功能。

減壓站工藝介質(zhì)高溫、高壓、含固，其特性復雜。鑒于系統(tǒng)運行的重要性，在保證動力源的作用可靠的基礎(chǔ)上，需要考慮其備用系統(tǒng)，如氣動設(shè)備增加儲氣罐，其動力源需保證不少于2 個動作行程，氣動執(zhí)行機構(gòu)的氣缸上設(shè)置易熔塞，當氣缸溫度達到或超過易熔塞的熔點時，易熔塞熔化將氣缸內(nèi)的壓力泄放掉，使另一側(cè)儲氣罐內(nèi)的壓縮空氣推動活塞將閥門關(guān)閉。

電液執(zhí)行機構(gòu)建議過濾器采用雙聯(lián)過濾器，采用電液伺服閥控制，有獨立的電磁閥控制鎖位，且為失電鎖位方式，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時加設(shè)儲能罐。

4 結(jié)語

化工企業(yè)生產(chǎn)能力是由各種裝置設(shè)備組合形成的，是企業(yè)生產(chǎn)重要的技術(shù)基礎(chǔ)。伴隨著我國科技創(chuàng)新的不斷深入，不斷完善創(chuàng)新工藝水平的發(fā)展趨勢，已經(jīng)融入到化學工業(yè)的多方面，通過不斷引進先進的生產(chǎn)設(shè)備和工藝水平，提高企業(yè)的生產(chǎn)效率，同時還能夠降低在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、運維成本。懸浮床減壓站在當前化工行業(yè)應(yīng)用還處于發(fā)展階段，需要相關(guān)行業(yè)、專業(yè)人員高度重視，關(guān)注化工工藝的設(shè)計優(yōu)化和相關(guān)產(chǎn)品的發(fā)展趨勢性能，確保設(shè)計的合理性和科學性、嚴謹性。