柴油加氫裝置反應(yīng)系統(tǒng)壓力波動分析及消除

王 輝，馬致遠(yuǎn)，聞明科，于愛軍，王長吉

(中海石油中捷石化有限公司，河北 滄州 061101)

柴油加氫精制裝置主要控制參數(shù)包括氫分壓、反應(yīng)溫度、氫油比、空速等[1]。其中氫分壓對產(chǎn)品質(zhì)量、催化劑使用壽命均有重要影響,所以維持穩(wěn)定的氫分壓對加氫過程顯得格外重要,當(dāng)加氫裝置的反應(yīng)系統(tǒng)壓力波動較大時,會導(dǎo)致氫分壓波動,造成產(chǎn)品質(zhì)量波動。此外,反應(yīng)系統(tǒng)的壓力頻繁大幅波動,還可能導(dǎo)致催化劑破碎以及螺栓松弛、法蘭面泄漏、高溫油氣泄漏等,導(dǎo)致閃爆、燃燒等事故。所以,為了保證裝置的安全、平穩(wěn)運(yùn)行,維持穩(wěn)定的系統(tǒng)壓力顯得格外重要。以下針對某加氫裝置加熱爐部分壓力波動情況進(jìn)行原因分析并提出解決方案,最后完成整改驗(yàn)證。

1 裝置及壓力波動情況簡述

某公司0.80 Mt/a柴油加氫精制裝置于2016年開工成功,設(shè)計(jì)原料為直餾柴油摻煉部分催化裂化柴油,裝置開工后主要以直餾柴油為原料,生產(chǎn)國Ⅵ柴油,副產(chǎn)少量石腦油[2]。反應(yīng)部分采用爐前混氫和冷高壓分離器流程,反應(yīng)進(jìn)料加熱爐為兩段箱式爐,裝置工藝流程如圖1所示。

圖1 裝置工藝流程

裝置原料性質(zhì)實(shí)際值與設(shè)計(jì)值的對比見表1,操作參數(shù)實(shí)際值與設(shè)計(jì)值的對比見表2。

表1 原料性質(zhì)設(shè)計(jì)值與實(shí)際值的對比

表2 操作參數(shù)實(shí)際值與設(shè)計(jì)值的對比

由于實(shí)際加工原料性質(zhì)與設(shè)計(jì)原料性質(zhì)存在差異,導(dǎo)致生產(chǎn)過程中實(shí)際反應(yīng)放熱量少,反應(yīng)器出入口溫升較設(shè)計(jì)值低。因此,反應(yīng)加熱爐需要一直高負(fù)荷運(yùn)行,反應(yīng)進(jìn)料加熱爐爐膛溫度經(jīng)常超過800 ℃的設(shè)計(jì)高限值。為此,2019年裝置檢修期間,對加熱爐進(jìn)行優(yōu)化改造,在加熱爐整體改動不大的情況下,每個輻射室上部增加兩根爐管,兩個輻射室共增加4根爐管,新增的爐管材質(zhì)和規(guī)格與原爐管一致。加熱爐改造后的爐管布置見圖2。

圖2 加熱爐改造后的爐管布置1—新增加熱爐爐管; 2—新增加熱爐爐管回彎頭; 3—新增加熱爐直管接管

裝置檢修開工后,加熱爐爐膛溫度滿足設(shè)計(jì)指標(biāo),但是當(dāng)加工負(fù)荷提高至95 t/h時,反應(yīng)器入口壓力出現(xiàn)周期性波動,而且加熱爐出口管線出現(xiàn)周期性振動,與壓力波動周期相吻合。反應(yīng)進(jìn)料加熱爐入、出口壓力波動情況見圖3。

圖3 反應(yīng)進(jìn)料加熱爐入口、出口壓力波動情況●—加熱爐出口; ▲—加熱爐入口

由圖3可以看出,加熱爐入口壓力波動最大可達(dá)0.369 MPa。加熱爐入口壓力波動大的同時,循環(huán)氫流量波動也較大,最大波動量約為5 000 m3/h,循環(huán)氫流量波動大會嚴(yán)重影響反應(yīng)器內(nèi)物料分布及停留時間,影響反應(yīng)效能穩(wěn)定發(fā)揮[3]。當(dāng)處理量降至95 t/h以下時,反應(yīng)系統(tǒng)壓力及循環(huán)氫流量波動隨即消除,同時加熱爐出口的振動也隨之消失。

2 反應(yīng)系統(tǒng)壓力波動原因分析

2.1 原料性質(zhì)分析

如果原料中含有大量水,水汽化會引起裝置壓力變化,惡化各控制回路的運(yùn)行。因此,一般加氫裝置設(shè)計(jì)時,要求原料油中水質(zhì)量分?jǐn)?shù)不高于300 μg/g[1]。壓力波動出現(xiàn)后,取樣分析原料柴油性質(zhì),分析數(shù)據(jù)見表3。由表3可以看出,該原料油性質(zhì)與設(shè)計(jì)值相近,水含量也滿足設(shè)計(jì)要求。此外,操作人員在對原料油緩沖罐切水作業(yè)時,也未發(fā)現(xiàn)明水,因此可以排除原料油中含水造成反應(yīng)系統(tǒng)壓力波動。

表3 出現(xiàn)壓力波動時所采原料油的性質(zhì)

2.2 其他方面分析

可能引起系統(tǒng)壓力出現(xiàn)波動的原因很多,如:氣體或液體的大量補(bǔ)入或外排都會導(dǎo)致系統(tǒng)壓力上升或降低;儀表、閥門等設(shè)備故障也會間接引起系統(tǒng)壓力的變化;反應(yīng)系統(tǒng)加熱爐等部位加熱出現(xiàn)波動,會導(dǎo)致反應(yīng)物流汽化率變化,從而導(dǎo)致壓力的變化等。以下對上述情況分別進(jìn)行排查、討論。

2.2.1 氫氣系統(tǒng)

反應(yīng)系統(tǒng)壓力的控制,主要靠新氫的補(bǔ)充以及高壓分離器氣的外排[4]。由于本裝置循環(huán)氫純度一直可以滿足生產(chǎn)需求,高壓分離器外排氣閥一直是關(guān)閉狀態(tài)。因此,補(bǔ)充氫量的波動可能導(dǎo)致系統(tǒng)壓力變化。在出現(xiàn)系統(tǒng)壓力波動時,對新氫壓縮機(jī)氣閥及返回線調(diào)節(jié)閥進(jìn)行了檢查,結(jié)果是氣閥無雜音、排氣溫度在正常范圍內(nèi),因此基本可以排除新氫壓縮機(jī)本體故障造成的系統(tǒng)壓力波動。此后,將新氫壓縮機(jī)返回線調(diào)節(jié)閥改為手動操作,調(diào)節(jié)閥與集散控制系統(tǒng)(DCS)調(diào)節(jié)開度顯示一致,且現(xiàn)場調(diào)節(jié)閥開關(guān)正常。在調(diào)節(jié)過程中,反應(yīng)系統(tǒng)壓力波動現(xiàn)象沒有緩解,所以排除壓縮機(jī)返回線調(diào)節(jié)閥對系統(tǒng)壓力的影響。

接下來,針對循環(huán)氫壓縮機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)檢查。裝置的循環(huán)氫壓縮機(jī)為背壓式離心壓縮機(jī),以汽輪機(jī)驅(qū)動。通過現(xiàn)場及DCS排查,中壓蒸汽壓力及溫度在正常范圍之內(nèi),循環(huán)氫壓縮機(jī)出口壓力和流量與加熱爐出口壓力同步波動,分析主要因?yàn)榧訜釥t系統(tǒng)出口壓力波動引起加熱爐入口壓力波動,從而造成循環(huán)氫壓縮機(jī)出口波動,最終造成循環(huán)氫流量的波動。提高氫油比能夠提高原料油的霧化效果[5],隨后將汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速由9 100 r/min提高至9 200 r/min,壓力波動仍未消除,隨后又降至8 600 r/min,壓力波動情況略微減緩但仍未消除。觀察離心式壓縮機(jī)出口防喘振線調(diào)節(jié)閥正常,壓縮機(jī)工作正常無喘振工況的發(fā)生。所以排除循環(huán)氫壓縮機(jī)系統(tǒng)對反應(yīng)系統(tǒng)壓力的影響。

最后對高壓分離器和低壓分離器液位、壓力控制調(diào)節(jié)閥進(jìn)行現(xiàn)場確認(rèn),通過對現(xiàn)場及DCS顯示及調(diào)節(jié)對比,發(fā)現(xiàn)壓力波動過程中,高、低壓分離器液位正常,壓力控制調(diào)節(jié)閥正常,所以排除壓力控制閥故障造成反應(yīng)系統(tǒng)壓力的波動。

2.2.2 油路系統(tǒng)

對原料油緩沖罐、原料油泵、過濾器(及其切斷閥)、高壓換熱器系統(tǒng)進(jìn)行了檢查分析。結(jié)果顯示:原料油緩沖罐壓力穩(wěn)定,一直處于0.5 MPa,未發(fā)現(xiàn)異常;原料油過濾器切斷閥開關(guān)正常,無泄漏情況發(fā)生,無異常;機(jī)泵出口單向閥及調(diào)節(jié)閥、機(jī)泵出口壓力均在正常范圍之內(nèi),無異常;通過對機(jī)泵進(jìn)行切換操作,排除了原料泵造成的反應(yīng)系統(tǒng)壓力波動,只是機(jī)泵出口流量與系統(tǒng)壓力波動吻合,出現(xiàn)小幅度波動,分析是由系統(tǒng)壓力波動引起的流量波動;如果高壓換熱器泄露只會造成產(chǎn)品質(zhì)量波動,對反應(yīng)系統(tǒng)壓力影響微乎其微,通過對產(chǎn)品質(zhì)量分析,未發(fā)現(xiàn)異常。綜上,可以排除油路系統(tǒng)設(shè)備及儀表元件造成反應(yīng)系統(tǒng)壓力的波動。

2.2.3 注水系統(tǒng)及胺液系統(tǒng)

通過對注水泵及貧胺液泵進(jìn)行排查發(fā)現(xiàn),注水泵和貧胺泵出口單向閥及調(diào)節(jié)閥、出口壓力均在正常范圍之內(nèi),無異常。通過對備用泵進(jìn)行切換操作,反應(yīng)系統(tǒng)壓力波動也未消除,所以可排除注水泵及貧胺液泵故障造成的反應(yīng)系統(tǒng)壓力波動。只是注水及貧胺液流量與系統(tǒng)壓力波動吻合,出現(xiàn)小幅度波動,分析是由系統(tǒng)壓力波動引起的流量波動。對富胺液系統(tǒng)進(jìn)行排查,將壓力調(diào)節(jié)閥及液位控制調(diào)節(jié)閥改成手動控制,反應(yīng)系統(tǒng)壓力波動未消除,所以排除了富胺液系統(tǒng)對反應(yīng)系統(tǒng)壓力波動造成的影響。

2.2.4 加熱爐系統(tǒng)

柴油加氫裝置反應(yīng)加熱爐采用的是純輻射方爐,爐管水平布置。管內(nèi)介質(zhì)的流動狀態(tài)可能會導(dǎo)致爐管壓降的變化[6]。對流體的流動狀態(tài)研究主要集中在單相流體的流動狀態(tài)研究。由于柴油加氫裝置為氣液二相流,即同時存在氣液兩種相態(tài)。對兩相流的研究國內(nèi)外相對較少,氣液兩相流在水平和垂直管存在不同的流型。

0.80 Mt/a加氫裝置大部分管道為水平直管,包括反應(yīng)加熱爐爐管也為水平布置。在直管中兩相流的典型流型包括分散泡狀流、延長泡狀流、分層流、段塞流、環(huán)狀流等[7]。在系統(tǒng)壓力波動時,加熱爐進(jìn)出口壓力呈現(xiàn)出相反的波動規(guī)律;且在加熱爐出口可以聽見明顯的氣流噪音和管線振動狀況。可能是因?yàn)樵诩訜釥t爐管內(nèi),隨著溫度的升高,原料的汽化率同時升高,爐內(nèi)的流型轉(zhuǎn)變?yōu)槎稳鞯攘餍?使加熱爐內(nèi)阻力升高而產(chǎn)生周期性壓力脈動。

通過對DCS歷史趨勢分析發(fā)現(xiàn),每次加熱爐出口壓力波動時都伴隨著爐膛溫度的升高。一般情況下,爐膛溫度與被加熱介質(zhì)的溫度同時升高,此時被加熱物料的汽化率會提高,流體在管道內(nèi)的流速相應(yīng)提高。由此推測,可能由于反應(yīng)物流在加熱爐爐管內(nèi)的汽化率提高,導(dǎo)致爐出口管道匯合點(diǎn)出現(xiàn)擾動,最終導(dǎo)致系統(tǒng)壓力出現(xiàn)周期性波動。

為了驗(yàn)證以上推測,使用熱成像對加熱爐出口管線進(jìn)行檢測。檢測位置見圖4,熱成像結(jié)果見圖5。

圖4 檢測位置(單位:mm)

圖5 熱成像結(jié)果

通過觀察熱成像結(jié)果發(fā)現(xiàn),加熱爐出口左右兩側(cè)爐管在三通處混合,出現(xiàn)了溫度不均勻現(xiàn)象,推測可能為兩側(cè)爐管氣液兩相間歇性分布不均,當(dāng)汽化率增大時氣相流速過快,液相帶出不順利,導(dǎo)致在管內(nèi)積聚。由于存在一定的液相累積,當(dāng)加熱到一定程度后迅速汽化排出,反應(yīng)物流排出后推動力消失,重新逐步累積液相,如此造成反應(yīng)物流間斷排出,印證了加熱爐出口兩路管線溫度不同的現(xiàn)象。

圖5中,左側(cè)為加熱爐西側(cè)出口爐管,右側(cè)為東側(cè)出口爐管。此時加熱爐兩路出口溫度均控制在325 ℃,并且兩路溫差不超過1 ℃。當(dāng)系統(tǒng)壓力波動與不波動情況下,熱成像總貌基本保持不變,通過觀察可以看出左右兩側(cè)爐管在三通處混合過程中出現(xiàn)了溫度不均勻情況,東側(cè)高溫范圍明顯大于西側(cè)。

查閱配管圖結(jié)合現(xiàn)場診斷,確定是由于汽化后的氣液兩相在提升和匯合過程中容易形成旋轉(zhuǎn)流,阻礙了氣液兩相順利排出,從而導(dǎo)致間歇性噴射造成壓力周期性波動。

3 改造方案及實(shí)施

為驗(yàn)證上述分析結(jié)果,運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)方法對加熱爐出口管線進(jìn)行模擬,現(xiàn)有工況運(yùn)算結(jié)果見圖6[2]。由圖6可知,反應(yīng)物流自加熱爐出口流入管段Ⅱ后,由于慣性,在經(jīng)過第一個彎頭時,液體主要沿外壁流動,使得外壁處的液體濃度較大,靠近內(nèi)壁一側(cè)主要為氣體。流體流出管段Ⅱ,經(jīng)第二個彎頭流入管段Ⅲ時,由于慣性的影響,液體主要在第二個彎頭外壁流動。在管段Ⅲ后部流動階段,在重力作用下,液體逐步在此匯合并向下匯集,這使得液體在管段Ⅲ中形成了明顯的旋轉(zhuǎn)流動[2]。所以,可以確定該旋轉(zhuǎn)流是造成加熱爐出口管線振動的主要原因。

圖6 運(yùn)算結(jié)果

結(jié)合流體力學(xué)運(yùn)算結(jié)果,為加熱爐出口管線改造提供了有力依據(jù),改造方案見圖7。隨后對改造后的加熱爐出口配管管線進(jìn)行流體力學(xué)核算,核算結(jié)果見圖8[2]。

圖7 加熱爐出口管線改造方案(單位:mm)

圖8 改造后運(yùn)算結(jié)果

經(jīng)過流體力學(xué)核算,發(fā)現(xiàn)去掉原始管段Ⅱ后,加熱爐出口流體先匯合再提升,氣液兩相在水平段與上升段基本沿管線的一側(cè)流動,未出現(xiàn)沿軸向旋轉(zhuǎn)的情況。問題解決后,委托設(shè)計(jì)院進(jìn)行加熱爐出口管線的核算及設(shè)計(jì),并于2022年檢修期間完成改造。

4 裝置標(biāo)定

該加氫裝置加熱爐出口管線經(jīng)過檢修改造后,于2022年7月成功開工,加工原料為直餾柴油,原料性質(zhì)見表4,反應(yīng)系統(tǒng)操作條件見表5,物料平衡數(shù)據(jù)見表6,產(chǎn)品性質(zhì)見表7。

表4 標(biāo)定期間的原料性質(zhì)

表5 標(biāo)定期間的反應(yīng)系統(tǒng)操作條件

表6 標(biāo)定期間的物料平衡數(shù)據(jù)

表7 標(biāo)定期間的產(chǎn)品性質(zhì)

通過標(biāo)定數(shù)據(jù)可得,裝置加工量達(dá)到118 t/h,滿足裝置設(shè)計(jì)的110%操作彈性,主要產(chǎn)品性質(zhì)及收率也滿足設(shè)計(jì)要求。最重要的是解決了因裝置提高加工量而造成反應(yīng)系統(tǒng)壓力波動的隱患,開工后,加熱爐出口操作壓力一直處于穩(wěn)定狀態(tài),見圖9(截取2022年7月8日的數(shù)據(jù)為例)?，F(xiàn)場觀察,加熱爐出口管線無振動。

圖9 改造后加熱爐出口壓力變化曲線

5 結(jié) 論

針對加氫精制裝置在運(yùn)行過程中出現(xiàn)的反應(yīng)系統(tǒng)壓力波動安全隱患,通過系統(tǒng)性地檢查分析,最終通過熱成像及流體力學(xué)運(yùn)算找出癥結(jié)所在,隨后對加熱爐出口管線重新核算并改造。再次開工后的標(biāo)定結(jié)果表明,該裝置不僅徹底消除了系統(tǒng)壓力波動問題,而且加工量達(dá)到設(shè)計(jì)的操作彈性,可以保證裝置安全、高效地運(yùn)行。該項(xiàng)目的成功實(shí)施,給其他裝置提供了解決系統(tǒng)壓力波動的參考。