激冷水過濾器管路的改造研究

高東林,王麗祥,呂俊博,馬琳,范新苑

(航天長征化學(xué)工程股份有限公司,北京 101111)

地處東北的某煤化工項(xiàng)目是航天長征化學(xué)工程股份有限公司參與設(shè)計(jì)的生產(chǎn)合成氨及尿素的大型項(xiàng)目,其氣化裝置采用了航天粉煤加壓氣化技術(shù)水激冷工藝,項(xiàng)目自2018年建成投產(chǎn)以來,除正常的檢維修外,其他時(shí)間運(yùn)行穩(wěn)定。但在長時(shí)間的運(yùn)行中,也逐漸暴露出一些問題,比如因項(xiàng)目采用的原料煤煤種及當(dāng)?shù)厮|(zhì)所具有的一些特性,在氣化裝置的渣水處理環(huán)節(jié)中出現(xiàn)的結(jié)垢問題較為嚴(yán)重,特別是本文將要討論的激冷水過濾器,結(jié)垢已經(jīng)一定程度上影響到了裝置的運(yùn)行周期。

設(shè)置激冷水過濾器,可有效地防止裝置運(yùn)行過程中黑水管道產(chǎn)生的垢片堵塞氣化爐內(nèi)件,是保障氣化爐安全長周期運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備之一[1]。激冷水過濾器管路則是連接激冷水泵與氣化爐的重要管線,其壓力和流量的穩(wěn)定對(duì)于氣化爐的正常運(yùn)行起著重要的作用,一般設(shè)計(jì)為保證能夠在線檢維修,防止激冷水過濾器因?yàn)槎氯膯栴}而出現(xiàn)停車等突發(fā)情況,通常會(huì)在激冷水過濾器的配置上選擇一開一備,在其中一臺(tái)堵塞時(shí),開啟另一臺(tái),對(duì)堵塞的一臺(tái)進(jìn)行在線沖洗檢修,但對(duì)于結(jié)垢周期短的項(xiàng)目,兩臺(tái)的相互切換運(yùn)行,對(duì)企業(yè)在維修運(yùn)營上都有較多的不便,無法與整個(gè)裝置的年度例行檢維修保持同步。

本文將對(duì)原設(shè)計(jì)的激冷水過濾器管路進(jìn)行改造,在盡可能保持原設(shè)計(jì)不做較大改動(dòng)的前提下,對(duì)管路進(jìn)行合理地優(yōu)化改造,并通過CAESARⅡ[2]軟件建立模型,對(duì)改造后的整個(gè)激冷水過濾器管系進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算分析,比較分析改造前后的管路及設(shè)備管口受力情況,最終形成可實(shí)施的改造方案。

1 管路工藝特點(diǎn)

1.1 激冷水過濾器管路的工藝特點(diǎn)

氣化爐的激冷室是合成氣和熔渣進(jìn)行水浴并降溫的關(guān)鍵部位,保證激冷室的液位滿足一定的高度是水激冷環(huán)節(jié)的首要任務(wù)。激冷水過濾器是激冷水進(jìn)入激冷室的水質(zhì)保證,因?yàn)椴糠值貐^(qū)存在水質(zhì)差、硬度高、懸浮物多等特點(diǎn),如果水循環(huán)環(huán)節(jié)不能降低硬度和清除懸浮物,那么進(jìn)入激冷室之前,激冷水過濾器必然會(huì)在運(yùn)行一段時(shí)間后,出現(xiàn)嚴(yán)重的結(jié)垢和堵塞的問題,進(jìn)入激冷室的激冷水流量就不能得到保證[3]。

以本文所提到的煤化工項(xiàng)目為例,進(jìn)入激冷水過濾器的管路,其操作壓力為4.65MPa(g),操作溫度210℃,根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),在原設(shè)計(jì)的“一開一備”的激冷水過濾器只開1臺(tái)的情況下,實(shí)際運(yùn)行1個(gè)月即無法保證激冷水流量;2臺(tái)同開的情況下,可基本保持運(yùn)行3個(gè)月,因其周期短,需反復(fù)沖洗,且從激冷水泵到激冷水過濾器的管路跨度大,在管路也同時(shí)結(jié)垢的情況下,整個(gè)激冷水過濾系統(tǒng)的壓降就無法保證,影響了氣化裝置的整體運(yùn)行。

針對(duì)上述的問題,其工藝改造的方向主要從以下3點(diǎn)考慮。

(1)針對(duì)水質(zhì)差、硬度高、懸浮物多等問題,可在水循環(huán)系統(tǒng)上增加灰水除硬及水處理措施。其優(yōu)點(diǎn)是可從根本上解決整個(gè)水系統(tǒng)的結(jié)垢問題;缺點(diǎn)是成本投入高,改造周期長且難度大,實(shí)際上不能考慮。

(2)再增加一臺(tái)激冷水過濾器,在“兩開一備”的情況下,通過相互切換可保證運(yùn)行效率。其優(yōu)點(diǎn)是成本不高,改造周期短;缺點(diǎn)是改造困難大,原設(shè)計(jì)中并未考慮預(yù)留激冷水過濾器的位置,無法再布置1臺(tái)激冷水過濾器,實(shí)際情況無法滿足。

(3)改造原設(shè)計(jì)管路,通過在激冷水過濾器進(jìn)口管路和出口管路之間新增一個(gè)旁路,在旁路上設(shè)置管道過濾器,在2臺(tái)過濾器無法保證流量時(shí),打開旁路暫時(shí)替換主路過濾器運(yùn)行,同時(shí)在短時(shí)間內(nèi)對(duì)2臺(tái)過濾器進(jìn)行沖洗,結(jié)束后關(guān)閉旁路,改為主路過濾器運(yùn)行。對(duì)于短時(shí)間運(yùn)行的管道過濾器,根據(jù)濾芯堵塞情況進(jìn)行清洗或更換,并為下次的切換做好準(zhǔn)備。其優(yōu)點(diǎn)是改造成本更低,改造周期更短,且實(shí)際改造難度也更低,是較為容易實(shí)現(xiàn)的一個(gè)方向。

1.2 激冷水過濾器管路的布置特點(diǎn)

基于以上分析的改造方向,對(duì)于通過增加旁路來改造激冷水過濾器管路的方式,需要對(duì)原設(shè)計(jì)管路在停車檢修時(shí)進(jìn)行最短時(shí)間的改造,為最大程度地降低改造的經(jīng)濟(jì)成本和時(shí)間成本,只有盡可能地保持原設(shè)計(jì)管路不做改動(dòng),原設(shè)計(jì)管路的布置見圖1。

圖1 原設(shè)計(jì)激冷水過濾器管路布置

分析原設(shè)計(jì)激冷水過濾器管路的布置特點(diǎn),因布置在渣水框架的激冷水泵與布置在氣化框架的激冷水過濾器距離遠(yuǎn),導(dǎo)致整個(gè)管路的長度較長,一般來說,比較臟或水質(zhì)差的介質(zhì)在布置上應(yīng)盡可能采用短而直的布置。

2 管道布置改造研究

本文針對(duì)原設(shè)計(jì)激冷水過濾器管路,通過增加旁路對(duì)原設(shè)計(jì)管路進(jìn)行了改造研究。旁路的設(shè)置結(jié)合了原設(shè)計(jì)裝置的設(shè)備及管道布置情況,在激冷水過濾器進(jìn)口管路和出口管路之間增加1條旁路,在旁路接入口和引出口設(shè)置手動(dòng)切斷閥門,并在旁路上增加1臺(tái)法蘭連接的籃式管道過濾器,新增旁路見圖2。

圖2 改造后的激冷水過濾器管路布置

通過旁路的設(shè)置,在2臺(tái)激冷水過濾器同時(shí)檢修時(shí),可短暫地利用旁路完成在線檢修?；@式過濾器方便更換濾芯,在濾芯的目數(shù)選擇上,可結(jié)合激冷水過濾器的沖洗周期和水質(zhì)情況確定。

結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際改造成本來看,此項(xiàng)改造成本低、周期短,運(yùn)行效果也滿足了實(shí)際需求,綜合來看是更為合理的改造方案。

3 CAESARⅡ軟件應(yīng)力分析

3.1 激冷水過濾器原設(shè)計(jì)管路模型建立

激冷水過濾器原進(jìn)出口管道之間除設(shè)備之外,并無其他管道相互關(guān)聯(lián),因此原管道分別建模,作為獨(dú)立管系分別計(jì)算設(shè)備管口受力,并設(shè)置管道支吊架,由于管系溫度及壓力較高,所以在距離設(shè)備較近位置處設(shè)計(jì)有彈簧支架,原進(jìn)出口管道應(yīng)力模型見圖3、圖4。

圖3 原激冷水過濾器進(jìn)口管道應(yīng)力模型

圖4 原激冷水過濾器出口管道應(yīng)力模型

3.2 激冷水過濾器管路改造方案模型建立

3.2.1管道走向

由于本改造設(shè)計(jì)是在激冷水過濾器進(jìn)出口管道之間增加1條旁路,使得原進(jìn)出口管系產(chǎn)生了關(guān)聯(lián),因此應(yīng)力模型建立需將原獨(dú)立的2條管系共同建模,同時(shí)計(jì)算設(shè)備進(jìn)出口受力情況,以判斷改造是否成立。

如圖5所示,增加的旁路管道起始點(diǎn)為2910,終點(diǎn)為3120。由于此兩點(diǎn)間存在高差,并且管道溫度較高,因此會(huì)有一定的相對(duì)熱位移。為使旁路管道對(duì)原進(jìn)出口管系的影響盡可能減小,旁路管道在設(shè)計(jì)時(shí)采用了較長的水平走向,如下圖中2940點(diǎn)到2980點(diǎn),用以消除管道相對(duì)熱位移對(duì)設(shè)備管口及原管道支架產(chǎn)生的影響。

圖5 激冷水過濾器整體管道應(yīng)力模型

3.2.2支吊架設(shè)計(jì)

改造設(shè)計(jì)的目的是在達(dá)到設(shè)計(jì)初衷的同時(shí)盡可能減小對(duì)原設(shè)計(jì)的修改。因此,為以最少的修改完成本次改造,在旁路管道已經(jīng)走向優(yōu)化的前提下,對(duì)新增管道支架的設(shè)計(jì)也尤為重要。此次修改在水平管道上設(shè)計(jì)剛性支撐,用以增加管道的穩(wěn)定性,在立管及彎頭處設(shè)計(jì)彈簧支架,這樣可以提高管系柔性,減小因高差產(chǎn)生相互的影響,同時(shí)對(duì)原管道彈簧支架的干擾達(dá)到最小程度。

3.2.3受力分析

為更直觀地判斷改造前后的效果,本文需對(duì)比改造前后設(shè)備管口及彈簧支架受力情況。

圖6、7為改造前激冷水過濾器進(jìn)出口受力情況,圖8為改造后管口受力。從圖中可以看出,改造前后激冷水進(jìn)口970點(diǎn)在Y方向受力FY略有變化,但也在設(shè)備允許受力范圍之內(nèi),其他方向受力及力矩均無明顯變化;另一進(jìn)口1060點(diǎn),在改造前后各個(gè)方向受力及力矩同樣無明顯變化。在設(shè)備出口方面,2030點(diǎn)在改造前后的受力和力矩幾乎沒變;2100點(diǎn)在Y方向受力FY略有增加,但其在Z方向的力矩MZ卻有所減小,綜合受力情況,此點(diǎn)整體變化不大,亦滿足設(shè)備管口受力要求。

改造前后激冷水過濾器進(jìn)出口管道原彈簧支架,除1010點(diǎn)彈簧型號(hào)減小一號(hào)外,其余各點(diǎn)彈簧均無變化。因此,可認(rèn)為本次改造前后激冷水過濾器管道對(duì)原設(shè)計(jì)影響較小,既滿足了改造的目的,又減少了改造難度。

4 結(jié)語

本文通過對(duì)激冷水過濾器管路的改造研究,得出了在滿足改造要求前提下使企業(yè)的改造成本最低且實(shí)際可行的最優(yōu)改造方案,并通過對(duì)改造后的整個(gè)管路的應(yīng)力分析計(jì)算,獲得了使管路和設(shè)備管口受力最佳的支架設(shè)置位置,在改造后投入運(yùn)行時(shí),應(yīng)注意以下幾個(gè)方面:①運(yùn)行后切換到旁路時(shí)應(yīng)注意,旁路僅能短時(shí)間替換主路運(yùn)行,應(yīng)及時(shí)對(duì)主路的激冷水過濾器進(jìn)行清洗,并在結(jié)束后切回到主路運(yùn)行;②籃氏過濾器的濾芯在主路正常運(yùn)行后應(yīng)拆卸檢查,并確定是否需要更換;③對(duì)于改造后的管路支架,應(yīng)經(jīng)常檢查新設(shè)置的彈簧支架是否有較大偏離,如偏離過大,則應(yīng)采取一定的恢復(fù)措施。