尿素中壓分解器溫度下降原因分析及處理

楊 濤，夏禮鵬，尹安陽，任天賜

(海洋石油富島有限公司，海南 東方 572600)

1 概 述

海洋石油富島有限公司化肥一部尿素裝置采用斯納姆氨汽提工藝，設(shè)計(jì)產(chǎn)能1 765 t/d。其中，中壓分解器(E102A/B)是中壓分解回收系統(tǒng)的重要設(shè)備，中壓分解器溫度(TIC41021)廠控指標(biāo)為153～160 ℃，實(shí)際生產(chǎn)中一般控制在158 ℃以上。正常生產(chǎn)中，用于E102A/B加熱的中壓過熱蒸汽無需使用，僅用增壓蒸汽和蒸汽冷凝液即可滿足其溫度控制要求，但自2021年11月開始，TIC41021開始逐漸下降，即使中壓分解器溫度調(diào)節(jié)閥(TV41021)開至限位位置，TIC41021也僅能維持在153 ℃左右[中壓分解器溫度及中壓過熱蒸汽調(diào)節(jié)閥(HIC41011)開度(月均值)統(tǒng)計(jì)如表1]，勉強(qiáng)達(dá)標(biāo)；中壓系統(tǒng)甲銨分解率下降，導(dǎo)致負(fù)荷后移，低壓系統(tǒng)壓力上漲，蒸發(fā)系統(tǒng)和水解系統(tǒng)蒸汽消耗增加。

表1 中壓分解器溫度及蒸汽調(diào)節(jié)閥開度統(tǒng)計(jì)

2 中壓分解器系統(tǒng)工藝流程簡(jiǎn)介

中壓分解器(E102A/B)是1臺(tái)降膜式蒸發(fā)器，由于加熱介質(zhì)的不同，分為上/下兩部分——上部E102A殼側(cè)由增壓蒸汽(0.52 MPa、158 ℃)供熱，下部E102B殼側(cè)由氨汽提塔來的蒸汽冷凝液(2.17 MPa、219 ℃)和中壓過熱蒸汽(2.35 MPa、300 ℃)供熱。正常生產(chǎn)中，氨汽提塔底部出來的含尿素43.7%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)、NH324.19%、CO26.78%、H2O 25.33%的尿液經(jīng)減壓后進(jìn)入中壓分解器(E102A/B)，在這里將減壓閃蒸出來的NH3和CO2分離出來，液體經(jīng)填料下到中壓分解器管側(cè)，尿液中的甲銨受熱分解成NH3和CO2，并由高壓甲銨分離器(V101)來的氣體汽提出去，使進(jìn)入底部?jī)?chǔ)槽(L102)的尿液提濃至62.69%。E102A/B加熱蒸汽及冷凝液系統(tǒng)工藝流程如圖1。

圖1 E102A/B加熱蒸汽及冷凝液系統(tǒng)流程簡(jiǎn)圖

3 中壓分解器溫度下降原因排查與分析

3.1 壓力調(diào)節(jié)閥(PV41021B)開度大

若尿素高壓系統(tǒng)物料氨碳比控制過高，會(huì)致高壓系統(tǒng)壓力控制高、壓力調(diào)節(jié)閥(PV41021B)開度過大，高壓甲銨分離器氣相管線至中壓分離器儲(chǔ)槽氣量增加，導(dǎo)致中壓分解器負(fù)荷增加而溫度下降。

查詢DCS歷史數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)高壓系統(tǒng)壓力在2021年8—10月和2022年1月間每隔5 d的PV41021示數(shù)和閥位平均值，結(jié)果顯示在此期間高壓系統(tǒng)控制比較穩(wěn)定——氨碳比控制在3.25左右，高壓系統(tǒng)壓力控制在13.6～14.4 MPa，PV41021B開度穩(wěn)定在60%左右，均在控制指標(biāo)范圍內(nèi)，表明高壓系統(tǒng)壓力控制適當(dāng)，對(duì)中壓分解器溫度(TIC41021)影響較小，不存在因高壓系統(tǒng)壓力高、調(diào)節(jié)閥開度大致中壓分解器負(fù)荷過高、蒸汽量無法滿足生產(chǎn)所需而TIC41021下降的問題。

3.2 汽提塔殼側(cè)蒸汽壓力低而出液溫度低

若汽提塔底部溫度控制低而致汽提塔出口尿液濃度低，甲銨分解率下降，負(fù)荷后移至中壓分解器，會(huì)致中壓分解器負(fù)荷過高而溫度下降。2014年尿素裝置大修時(shí)更換了汽提塔，汽提塔換熱面積由730 m2增至770 m2，殼側(cè)加熱用中壓過熱蒸汽壓力由2.25 MPa降至1.90 MPa左右即可滿足生產(chǎn)所需。

查詢DCS歷史數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)2021年6月—2022年1月間汽提塔殼側(cè)蒸汽壓力及對(duì)應(yīng)的汽提塔底部溫度(出液溫度)，顯示汽提塔殼側(cè)蒸汽壓力>1.90 MPa、汽提塔底部溫度穩(wěn)定(均在207 ℃以上)，均在控制指標(biāo)范圍內(nèi)(汽提塔底部溫度廠控指標(biāo)為203～208 ℃)，不存在因汽提塔底部溫度低造成尿液濃度低致中壓分解器負(fù)荷過高而TIC41021下降的問題。

3.3 中壓分解器儲(chǔ)槽液位控制不當(dāng)

中壓分解器儲(chǔ)槽液位控制過高或過低，均會(huì)導(dǎo)致中壓分解器溫度示數(shù)偏低、蒸汽調(diào)節(jié)閥在自控狀態(tài)下開度增大，但兩者又有本質(zhì)的區(qū)別：中壓分解器溫度因液位控制過低而顯示低的原因是，中壓分解器儲(chǔ)槽液位低于測(cè)溫點(diǎn)探頭，所測(cè)溫度為低于液相溫度的氣相溫度，而實(shí)際上液相溫度并不低，不會(huì)導(dǎo)致負(fù)荷后移至低壓系統(tǒng)，但會(huì)導(dǎo)致中壓系統(tǒng)竄氣至低壓系統(tǒng)，引起低壓系統(tǒng)壓力過高而致分解效率下降。

原設(shè)計(jì)尿素裝置中壓分解器儲(chǔ)槽主控顯示控制液位計(jì)(LIC41014)為電容式液位計(jì)，經(jīng)多年使用并更新后仍不能滿足工藝需求，主要存在液位顯示波動(dòng)大、顯示不準(zhǔn)確、主控與現(xiàn)場(chǎng)液位不對(duì)應(yīng)等問題，后在中壓分解器儲(chǔ)槽原有現(xiàn)場(chǎng)液位計(jì)預(yù)留接口處新增穩(wěn)定性更高的差壓式液位計(jì)，測(cè)量精度得以提高，并通過工藝參數(shù)變化、現(xiàn)場(chǎng)視鏡及液位計(jì)視頻監(jiān)視來控制其液位，取得了不錯(cuò)的效果，能滿足生產(chǎn)需求。因此，不存在中壓分解器儲(chǔ)槽液位控制不當(dāng)而致TIC41021下降的問題。

3.4 調(diào)節(jié)閥開度主控顯示與現(xiàn)場(chǎng)不對(duì)應(yīng)

若中壓分解器溫度調(diào)節(jié)閥(TV41021)、中壓過熱蒸汽調(diào)節(jié)閥(HV41011)閥位主控顯示與現(xiàn)場(chǎng)不對(duì)應(yīng)，調(diào)節(jié)閥開度不到位，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)蒸汽用量與負(fù)荷不匹配，蒸汽用量無法滿足系統(tǒng)需求而中壓分解器溫度下降。

經(jīng)工藝人員與儀表人員檢查確認(rèn)，并觀察TV41021、HV41011實(shí)際閥位，與主控DCS顯示進(jìn)行對(duì)照，發(fā)現(xiàn)TV41021、HV41011現(xiàn)場(chǎng)閥位與主控顯示基本對(duì)應(yīng)，不存在因蒸汽調(diào)節(jié)閥開度不到位、蒸汽用量與負(fù)荷不匹配而致TIC41021下降的問題。

3.5 中壓分解器升氣管堵塞

中壓分解器設(shè)計(jì)內(nèi)裝換熱管780根，為保證每根換熱管均有液膜均勻流下，在換熱管上插入1根升氣管，其外徑與換熱管外徑相同，每個(gè)套管側(cè)面在距上管板50 mm處開有4個(gè)φ4.5 mm的小孔，沿水平切線方向分布；系統(tǒng)生產(chǎn)中，液體在上管板上形成液層，通過小孔沿切線方向流入套管，沿?fù)Q熱管內(nèi)壁呈液膜流下。若因原料和系統(tǒng)中有雜質(zhì)或結(jié)垢，易導(dǎo)致升氣管小孔堵塞，造成換熱管內(nèi)液膜偏流而換熱效果下降。

2022年2月利用尿素裝置停車消缺機(jī)會(huì)，聯(lián)系機(jī)修人員打開中壓分解器頂部封頭，檢查發(fā)現(xiàn)中壓分解器升氣管干凈無堵塞，確認(rèn)中壓分解器升氣管滿足生產(chǎn)所需。

3.6 中壓分解器(E102A)疏水器故障

中壓分解器上部(E102A)增壓蒸汽冷凝液管線上設(shè)有上、下兩路疏水器[中壓分解器下部(E102B)主要由蒸汽冷凝液供熱，無需設(shè)置疏水器]，蒸汽疏水閥的工作狀態(tài)直接影響中壓分解器的換熱效果，若疏水器出現(xiàn)故障，會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱效果下降，蒸汽消耗增加。排查發(fā)現(xiàn)，自2021年11月開始，隨著中壓分解器溫度(TIC41021)逐漸下降，中壓分解器溫度調(diào)節(jié)閥(TV41021)全開、中壓蒸汽調(diào)節(jié)閥(HIC41011)開至限位位置，系統(tǒng)外送蒸汽冷凝液量由20 t/h降至18 t/h左右，由此判斷中壓分解器疏水器可能存在疏水不暢。

主控與現(xiàn)場(chǎng)人員配合，現(xiàn)場(chǎng)人員將中壓分解器(E102A)疏水器副線打開一定開度，主控人員觀察1 d中TIC41021的變化情況，發(fā)現(xiàn)在此期間TIC41021上漲至156 ℃以上，符合工藝要求，系統(tǒng)外送冷凝液量也由18 t/h漲至19 t/h，增加1 t/h，由此確認(rèn)E102A疏水器的確存在疏水不暢，造成E102A殼側(cè)冷凝液積存無法及時(shí)排出而影響其換熱效果。故E102A疏水器故障應(yīng)是TIC41021下降的主要原因之一。

3.7 中壓分解器列管結(jié)垢

每次尿素裝置檢修對(duì)中壓分解器列管進(jìn)行檢查時(shí)，均會(huì)發(fā)現(xiàn)列管結(jié)垢嚴(yán)重。據(jù)以往中壓分解器的檢修記錄及生產(chǎn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)記錄，當(dāng)中壓分解器結(jié)垢較為嚴(yán)重時(shí)，其蒸汽耗量均會(huì)上升、TIC41021均會(huì)下降。

2022年2月利用尿素裝置停車消缺機(jī)會(huì)，聯(lián)系機(jī)修人員拆除中壓分解器底部封頭，檢查發(fā)現(xiàn)列管結(jié)垢較為嚴(yán)重，經(jīng)化驗(yàn)分析，垢物主要成分為α-Fe2O3。α-Fe2O3來源有二：一是原料液氨帶入的鐵系氨合成催化劑粉末，二是設(shè)備腐蝕產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物。而據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)備腐蝕及腐蝕產(chǎn)物沉積是中壓分解器換熱列管結(jié)垢的主要原因，設(shè)備腐蝕后；大部分Cr、Ni元素進(jìn)入尿素成品中，極少數(shù)停留在中壓分解器列管垢層中；大部分Fe則由于與維持鈍化的溶解氧發(fā)生反應(yīng)生成難溶的α-Fe2O3，沉積或附著在換熱管表面而形成結(jié)垢。

盡管每次尿素裝置大修都會(huì)對(duì)中壓分解器列管進(jìn)行低壓(最大1 400 kgf/cm2)軟管水射流清洗，但清洗效果難以維持到下個(gè)檢修周期。本次中壓分解器溫度(TIC41021)下降期間，距離上次尿素裝置大修已近1 a，中壓分解器列管結(jié)垢應(yīng)已達(dá)一定厚度，其換熱效果降低，造成蒸汽消耗與冷凝液量增加。故中壓分解器列管結(jié)垢應(yīng)是TIC41021下降的主要原因之二。

4 處理/調(diào)控措施

4.1 處理措施

4.1.1 中壓分解器疏水器故障處理

中壓分解器上部(E102A)增壓蒸汽冷凝液管線上設(shè)有上、下兩路疏水器，采用機(jī)械式大排水量的杠桿浮球式疏水閥，對(duì)應(yīng)的工作壓力為0.6 MPa；E102A所用加熱蒸汽的壓力等級(jí)為0.52 MPa，在換熱列管未出現(xiàn)泄漏的情況下，不存在蒸汽壓力超過疏水閥最高工作壓力而使疏水閥打不開的情況；由于尿素裝置所用蒸汽管線均為碳鋼管線，不可避免地存有腐蝕，脫落的鐵銹通過加熱蒸汽冷凝液管線時(shí)堵塞疏水器過濾網(wǎng)或配管、閥嘴，使其排放口變小而疏水不暢。

聯(lián)系機(jī)修人員拆開E102A增壓蒸汽冷凝液管線上、下兩路疏水器進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)上、下兩路疏水器過濾網(wǎng)和閥嘴處均存有鐵銹而使排放口變小，進(jìn)行鐵銹清理的同時(shí)對(duì)疏水器密封面進(jìn)行了維護(hù)并更新了墊片。

4.1.2 中壓分解器列管結(jié)垢處理

2022年2月利用尿素裝置停車機(jī)會(huì)，待機(jī)修人員拆開中壓分解器后，由外委單位對(duì)中壓分解器列管進(jìn)行水射流清洗作業(yè)，由之前的低壓(最大1 400 kgf/cm2)軟管水射流清洗改為高壓(2 400 kgf/cm2)硬槍機(jī)械水射流清洗，取得了較好的效果。針對(duì)中壓分解器列管易結(jié)垢的問題，建議今后每次尿素裝置停車大修期間均應(yīng)對(duì)中壓分解器列管進(jìn)行高壓水射流清洗。

4.1.3 處理效果

上述處理措施實(shí)施后，2022年2月11日尿素裝置重啟，正常運(yùn)行后，隨機(jī)抽取一個(gè)時(shí)間段的中壓分解器相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)(日均值)，見表2?？梢钥吹?，中壓分解器溫度(TIC41021)恢復(fù)正常，保持在設(shè)定值158 ℃以上，中壓分解器溫度調(diào)節(jié)閥(TV41021)閥位維持在85%左右、中壓過熱蒸汽調(diào)節(jié)閥(HIC41011)全關(guān)，蒸汽冷凝液外送量(FI41021)正常，表明中壓分解器換熱效果恢復(fù)正常。

表2 處理后中壓分解器相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)

4.2 調(diào)控措施

① 定期對(duì)中壓分解器疏水器進(jìn)行在線清理(借助疏水器前后閥組及副線實(shí)現(xiàn))；② 適當(dāng)考慮適時(shí)將部分腐蝕嚴(yán)重的蒸汽及冷凝液管材質(zhì)由碳鋼更換為不銹鋼；③ 嚴(yán)格控制尿素高壓系統(tǒng)加氧量在上限——0.25%～0.38%(體積分?jǐn)?shù))；④ 嚴(yán)格控制系統(tǒng)各溫度(點(diǎn))在指標(biāo)范圍內(nèi)，嚴(yán)禁超溫；⑤ 系統(tǒng)開停車過程中，控制好增壓蒸汽管網(wǎng)壓力和中壓分解器儲(chǔ)槽液位，嚴(yán)禁蒸汽超壓、超溫。

5 結(jié)束語

中壓分解器是氨汽提法尿素裝置中壓分解回收系統(tǒng)的重要設(shè)備，需精心操作、良好維護(hù)，其良好運(yùn)行是尿素裝置優(yōu)質(zhì)運(yùn)行的基礎(chǔ)之一。通過對(duì)影響中壓分解器溫度下降的原因進(jìn)行分析與排查，最終確定系中壓分解器上部(E102A)疏水器故障與中壓分解器列管結(jié)垢所致，采取相應(yīng)的處理/調(diào)控措施后，問題得以解決，既保證了尿素裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行，又達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。