轉(zhuǎn)化爐高壓蒸汽過熱器模塊振動原因分析及優(yōu)化調(diào)整

李清博，曹文欣，帥敏剛，木鋒濤

(陜西延長中煤榆林能源化工股份有限公司，陜西 靖邊 718500)

0 引 言

陜西延長中煤榆林能源化工股份有限公司(簡稱榆林能化)一期啟動項目填平補(bǔ)齊工程1 920 kt/a甲醇聯(lián)合裝置以煤和油田氣為原料，通過煤氣化和油田氣蒸汽轉(zhuǎn)化制備甲醇合成氣，甲醇合成氣經(jīng)低壓甲醇合成系統(tǒng)生產(chǎn)MTO級甲醇。其中，甲烷轉(zhuǎn)化系統(tǒng)于2020年底一次投料成功并產(chǎn)出甲醇產(chǎn)品。轉(zhuǎn)化爐是甲烷轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的核心設(shè)備，由莊信萬豐設(shè)計、中國成達(dá)工程有限公司承建安裝，其熱負(fù)荷達(dá)392.3 MW，是一臺吸熱反應(yīng)設(shè)備，所需熱量通過轉(zhuǎn)化爐頂部安裝的燒嘴燃燒混合燃料(設(shè)計混合燃料氣由天然氣、DCC干氣、MTO裝置干氣、甲醇合成弛放氣膜分離非滲透氣、穩(wěn)定塔不凝氣、甲醇合成閃蒸氣組成)獲得；轉(zhuǎn)化爐為頂燒方箱爐，由輻射段、過渡段和對流段組成，對流段在轉(zhuǎn)化爐端部水平布置，共有7組模塊，2組蒸汽過熱模塊，2組轉(zhuǎn)化爐進(jìn)料預(yù)熱模塊，2組預(yù)轉(zhuǎn)化爐進(jìn)料預(yù)熱模塊，對流段尾部設(shè)置板式空氣預(yù)熱器以回收煙氣中的余熱，用來加熱由鼓風(fēng)機(jī)送來的助燃空氣，預(yù)熱后的空氣送轉(zhuǎn)化爐輻射段，出空氣預(yù)熱器的煙氣則通過引風(fēng)機(jī)抽至煙囪排放；轉(zhuǎn)化氣(即甲醇合成新鮮氣)組分為H272.7%(摩爾分?jǐn)?shù)，下同)、CO 14%、CO26.96%，流量約335.1 km3/h(標(biāo)態(tài)，下同)。本轉(zhuǎn)化系統(tǒng)負(fù)荷在95%以下時，轉(zhuǎn)化爐對流段高壓蒸汽過熱器模塊運(yùn)行正常，但隨著轉(zhuǎn)化系統(tǒng)負(fù)荷的提高，轉(zhuǎn)化爐對流段高壓蒸汽過熱器模塊頂部出現(xiàn)振動偏高問題(振動速度>10 mm/s)，滿負(fù)荷運(yùn)行時這種情況愈發(fā)明顯，此問題制約著轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、滿負(fù)荷、長周期運(yùn)行。后經(jīng)優(yōu)化調(diào)整，轉(zhuǎn)化爐對流段高壓蒸汽過熱器模塊頂部振動過大問題有所改善。以下對有關(guān)情況作一介紹。

1 運(yùn)行中的異?，F(xiàn)象及分析

1.1 轉(zhuǎn)化爐爐膛出口煙氣溫度高

轉(zhuǎn)化系統(tǒng)滿負(fù)荷運(yùn)行時，轉(zhuǎn)化爐爐膛出口煙氣溫度最高點(diǎn)達(dá)1 083 ℃，超過聯(lián)鎖值1 075 ℃，出口煙道剩余10個溫度測點(diǎn)溫度全部超過報警值，導(dǎo)致聯(lián)鎖無法投運(yùn)，起不到保護(hù)作用。爐膛煙氣溫度高，最應(yīng)關(guān)注的是轉(zhuǎn)化爐爐管壁溫、轉(zhuǎn)化催化劑活性和對流段各支撐的極限耐溫能力，經(jīng)與轉(zhuǎn)化爐專利商及設(shè)計院交流，共同分析轉(zhuǎn)化爐爐膛煙氣溫度高的原因，并根據(jù)分析結(jié)果采取可行措施不斷優(yōu)化工況，保證轉(zhuǎn)化爐爐管等的安全運(yùn)行。期間對轉(zhuǎn)化爐爐管進(jìn)行了測溫，具體情況如下。

(1)轉(zhuǎn)化爐底部窺視孔測量到的爐管絕大部分溫度都在860～920 ℃之間，最高點(diǎn)溫度為926 ℃(設(shè)計值≤950 ℃)，表明爐管運(yùn)行是安全的。

(2)據(jù)工藝運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，轉(zhuǎn)化催化劑的活性良好，平衡溫距僅約1.3 ℃，轉(zhuǎn)化爐出口氣甲烷濃度為3.93%，可能的積炭溫度余量為37 ℃，即當(dāng)前操作條件下很難發(fā)生積炭。

(3)轉(zhuǎn)化爐爐膛出口煙氣溫度高于預(yù)期值，而轉(zhuǎn)化爐工藝側(cè)出口氣溫度低于預(yù)期值，表明轉(zhuǎn)化爐內(nèi)煙氣與爐管之間的傳熱低于預(yù)期--在轉(zhuǎn)化爐頂部窺視孔觀察到的爐管壁溫較低也證實(shí)了這一點(diǎn)，轉(zhuǎn)化爐頂部火焰/煙氣溫度低于預(yù)期值。

(4)通過對工藝流程進(jìn)行模擬，對轉(zhuǎn)化爐爐管、對流段支撐進(jìn)行詳細(xì)分析與計算，轉(zhuǎn)化管峰值壁溫不得超過950 ℃，對應(yīng)的轉(zhuǎn)化爐過渡段煙氣溫度不得超過1 085 ℃。

(5)頂燒式轉(zhuǎn)化爐運(yùn)行過程中，燒嘴火焰燃燒狀態(tài)的好壞直接影響轉(zhuǎn)化管和催化劑的使用壽命?；鹧嫒紵涣紩霈F(xiàn)偏燒、舔管、爐管局部過熱的現(xiàn)象，而熱量平衡良好的轉(zhuǎn)化爐是優(yōu)化生產(chǎn)和爐管使用壽命最大化的基礎(chǔ)。爐管管壁溫差<75 ℃表明轉(zhuǎn)化爐運(yùn)行狀況良好，操作中幾乎可以不用作任何調(diào)整；爐管外壁溫度不宜出現(xiàn)較大幅度的波動，爐管外壁溫度低不僅可防止局部過熱造成金屬蠕變膨脹致爐管過早失效，而且可在相同平均溫度下實(shí)現(xiàn)較低的出口氣甲烷含量[1]。

1.2 高壓蒸汽過熱器出口減溫水用量大增

由于煙氣溫度高，導(dǎo)致對流段高壓蒸汽過熱器模塊熱平衡與設(shè)計情形出現(xiàn)偏差，主要表現(xiàn)為高壓蒸汽過熱器出口減溫水使用量在19 t/h左右(設(shè)計值為0)、高壓蒸汽過熱器出口集合管溫度458 ℃(設(shè)計值433 ℃)。轉(zhuǎn)化爐出口對流段高壓蒸汽過熱盤管，其進(jìn)口集合管材質(zhì)為304、出口集合管材質(zhì)為304H，出口管線材質(zhì)為P91，換熱管材質(zhì)為316H/304，支撐管板材質(zhì)為ASTM A297Gr-HF。經(jīng)對高壓蒸汽過熱器模塊的換熱管、彎管、出口集箱、集箱大小頭、集箱封頭管帽進(jìn)行模擬計算，確認(rèn)高壓蒸汽過熱器出口集合管最高允許溫度為470 ℃，實(shí)際操作中其溫度不宜超過465 ℃。

1.3 不同負(fù)荷和不同位置模塊振動速度各異

滿負(fù)荷工況下，轉(zhuǎn)化爐對流段高壓蒸汽過熱器模塊頂部振動偏大，隨著系統(tǒng)負(fù)荷升高、煙氣量增加而愈發(fā)明顯，測得模塊表面振動速度峰值為20 mm/s。系統(tǒng)運(yùn)行6個月時，負(fù)荷不足100%，模塊振動主要在回彎側(cè)表現(xiàn)較為明顯，測得的振動速度峰值為14 mm/s；系統(tǒng)運(yùn)行10個月后，負(fù)荷加至100%時，模塊中南部靠近支撐處振動明顯，振動最大處測得模塊表面振動速度為20 mm/s，彎頭箱處振動速度則降至4 mm/s以內(nèi)。通過對運(yùn)行數(shù)據(jù)的初步分析，認(rèn)為對流段高壓蒸汽過熱器模塊管束內(nèi)蒸汽高速流動引發(fā)模塊管束振動大或煙氣與模塊間的共振是模塊頂部振動大的可能原因，將蒸汽過熱盤管模塊回彎側(cè)彎頭箱面板拆除后觀察，測得管束振動速度<1 mm/s，未發(fā)現(xiàn)異常，排除了蒸汽過熱盤管模塊管束內(nèi)蒸汽高速流動引起管束振動的可能。

1.4 一期與二期系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)及設(shè)備參數(shù)對比

1.4.1 蒸汽過熱盤管運(yùn)行數(shù)據(jù)

由于蒸汽過熱盤管運(yùn)行參數(shù)及材質(zhì)會影響高壓蒸汽過熱器模塊的熱負(fù)荷與換熱情況，針對轉(zhuǎn)化爐對流段高壓蒸汽過熱盤管出口集合管超溫和模塊振動大的問題，榆林能化技術(shù)中心相關(guān)專業(yè)人員將填平補(bǔ)齊工程轉(zhuǎn)化爐(簡稱二期轉(zhuǎn)化爐)產(chǎn)生振動的對流段高壓蒸汽過熱器模塊的操作/設(shè)計參數(shù)與一期啟動項目轉(zhuǎn)化爐(莊信萬豐設(shè)計，華陸工程科技有限責(zé)任公司承建安裝，熱負(fù)荷383.65 MW)對流段高壓蒸汽過熱器模塊的操作/設(shè)計參數(shù)進(jìn)行對比分析。一期轉(zhuǎn)化爐和二期轉(zhuǎn)化爐100%負(fù)荷下蒸汽過熱器典型運(yùn)行數(shù)據(jù)及設(shè)計值見表1(注：02E04-1為二期第一組蒸汽過熱器模塊、E04-1為一期第一組蒸汽過熱器模塊、02E04-2為二期第五組蒸汽過熱器模塊、E04-2為一期第五組蒸汽過熱器模塊)?？梢钥吹剑阂黄?、二期轉(zhuǎn)化爐對流段高壓蒸汽過熱器模塊設(shè)計數(shù)據(jù)基本相同；02E04-2與E04-2相比，進(jìn)口蒸汽溫度相當(dāng)、出口蒸汽溫度更高，盤管前煙氣溫度接近、盤管后煙氣溫度更低，表明02E04-2設(shè)計換熱面積更大，實(shí)際生產(chǎn)中02E04-2出口蒸汽溫度高于設(shè)計值，存在超溫情況，而煙氣流經(jīng)此模塊時，模塊內(nèi)流通面積更小，煙氣流動存在受阻情況。

表1 100%負(fù)荷下蒸汽過熱器典型運(yùn)行數(shù)據(jù)與設(shè)計值

1.4.2 設(shè)備參數(shù)

二期第一組蒸汽過熱器模塊(02E04-1)：入口集合管，規(guī)格φ610 mm×46.02 mm，材質(zhì)304H；出口集合管，規(guī)格φ610 mm×46.02 mm，材質(zhì)304H；換熱管，規(guī)格φ114.3 mm×13.49 mm，材質(zhì)316H；支撐管板，材質(zhì)30Cr-50Ni-W。一期第一組蒸汽過熱器模塊(E04-1)：入口集合管，規(guī)格φ610 mm×40 mm，材質(zhì)304H；出口集合管，規(guī)格φ610 mm×45 mm，材質(zhì)304H；換熱管，規(guī)格φ114.3 mm×14.2 mm，材質(zhì)316H；支撐管板，材質(zhì)ZNiCr28Fe17W5Si2CO.4。

二期第五組蒸汽過熱器模塊(02E04-2)：入口集合管，規(guī)格φ559 mm×41.28 mm，材質(zhì)304；出口集合管，規(guī)格φ610 mm×46.02 mm，材質(zhì)304H；換熱管，規(guī)格φ114.3 mm×8.56 mm，材質(zhì)316H/304；支撐管板，材質(zhì)ASTM A297Gr-HF。一期第五組蒸汽過熱器模塊(E04-2)：入口集合管，規(guī)格φ508 mm×40 mm，材質(zhì)SA106；出口集合管，規(guī)格φ610 mm×60 mm，材質(zhì)304H；換熱管，規(guī)格φ114.3 mm×11 mm，材質(zhì)316H/304；支撐管板，材質(zhì)ZG25Cr18Ni9Si2。

二期輻射段轉(zhuǎn)化爐爐管，規(guī)格φ148 mm×14 750 mm，材質(zhì)25Cr-35Ni。一期輻射段轉(zhuǎn)化爐爐管，規(guī)格φ152 mm×14 800 mm，材質(zhì)25Cr-35Ni。

1.4.3 小 結(jié)

綜上，二期轉(zhuǎn)化爐與一期轉(zhuǎn)化爐熱負(fù)荷相當(dāng)，輻射段爐管材質(zhì)相同，轉(zhuǎn)化反應(yīng)所需熱量傳遞效率一致；一期轉(zhuǎn)化爐爐膛煙氣溫度與轉(zhuǎn)化爐爐管壁溫基本正常，而二期轉(zhuǎn)化爐爐膛煙氣溫度高、轉(zhuǎn)化爐爐管壁溫偏低，表明二期轉(zhuǎn)化爐燒嘴燃燒狀態(tài)可能未達(dá)預(yù)期效果，導(dǎo)致熱量未充分傳遞至轉(zhuǎn)化管內(nèi)。為確保正常的出口轉(zhuǎn)化氣溫度，二期轉(zhuǎn)化爐運(yùn)行時增加了燃料氣量，導(dǎo)致煙氣量增加；而二期轉(zhuǎn)化爐對流段第五組模塊(02E04-2)換熱面積大，導(dǎo)致對流段模塊內(nèi)流通面積小，在較高的煙氣流速下，煙氣在02E04-2處發(fā)生湍流，這可能是引起模塊振動的原因之一。

2 優(yōu)化調(diào)整

優(yōu)化調(diào)整前，二期轉(zhuǎn)化爐水碳比為2.9～3.0(設(shè)計值為2.86)，出口轉(zhuǎn)化氣溫度約845 ℃(設(shè)計值為880 ℃)，轉(zhuǎn)化氣組分(干基)H2、CO2高于設(shè)計值，CO低于設(shè)計值，轉(zhuǎn)化氣量329 km3/h(干基)，略低于設(shè)計值335.1 km3/h(干基)。在確保系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、滿負(fù)荷運(yùn)行的前提下，擬通過降低轉(zhuǎn)化系統(tǒng)水碳比來減少轉(zhuǎn)化反應(yīng)輻射熱需求，減少燃料氣的消耗，降低轉(zhuǎn)化爐爐膛煙氣溫度，從而降低轉(zhuǎn)化爐煙氣量，改善轉(zhuǎn)化爐出口高壓蒸汽過熱器頂部振動狀況。

2.1 調(diào)整系統(tǒng)負(fù)荷至滿負(fù)荷

水碳比調(diào)整前，維持蒸汽管網(wǎng)穩(wěn)定。先將轉(zhuǎn)化爐負(fù)荷提至100%，通過上游脫硫系統(tǒng)前后自控閥交替調(diào)節(jié)來增減進(jìn)入轉(zhuǎn)化爐爐管的原料天然氣流量，單次增減不超過1 000 m3/h，待工況穩(wěn)定后，通過燃料氣控制器調(diào)節(jié)燃?xì)鈮毫m當(dāng)提高爐溫；負(fù)荷調(diào)整時，分步小幅度調(diào)增燃料氣和燃燒空氣流量，確保煙氣殘氧和助燃空氣壓力受控。

2.2 水碳比調(diào)整

轉(zhuǎn)化爐100%負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行后，計算水碳比，通過中壓蒸汽自控閥減少蒸汽的加入量，確保工藝?yán)淠夯厥樟坎坏陀谠O(shè)計值，單次退出蒸汽量不超過2.5 t/h；蒸汽退出后，控制轉(zhuǎn)化爐爐管出口轉(zhuǎn)化氣溫度在842～845 ℃，逐漸減少燃料氣量，減少助燃空氣量以降低轉(zhuǎn)化爐煙氣量，在保證轉(zhuǎn)化爐各部位運(yùn)行安全的前提下，逐漸退出蒸汽總量約10 t/h。轉(zhuǎn)化爐各部分熱量平衡后，逐漸降低水碳比至2.71。

2.3 工況優(yōu)化

完成水碳比調(diào)整后，現(xiàn)場進(jìn)行工況優(yōu)化：對轉(zhuǎn)化爐所有燒嘴逐個檢查其運(yùn)行情況，并及時對燃燒狀況差的燒嘴進(jìn)行調(diào)整；加強(qiáng)巡檢，及時測溫，檢查轉(zhuǎn)化爐爐管、爐墻、外壁、人孔、集氣管三通與人孔、廢鍋人孔、預(yù)轉(zhuǎn)化爐外壁溫度是否在正常范圍內(nèi)；檢查轉(zhuǎn)化爐各彈簧支吊架、對流段高壓蒸汽過熱器模塊振動情況是否異常，多點(diǎn)監(jiān)測振動情況并及時通報；巡檢人員加強(qiáng)燃料氣分離罐重組分排液工作，如有異常及時匯報調(diào)整。轉(zhuǎn)化爐混合燃料氣[天然氣、渣油裂解裝置(DCC)干氣、MTO裝置干氣、甲醇合成弛放氣膜分離非滲透氣(尾氣)]等工藝優(yōu)化調(diào)整數(shù)據(jù)見表2。

表2 轉(zhuǎn)化爐工藝優(yōu)化調(diào)整有關(guān)數(shù)據(jù)

2.4 優(yōu)化調(diào)整結(jié)果綜合分析

(1)轉(zhuǎn)化爐水碳比適當(dāng)降低，工藝系統(tǒng)加入的總水量減少約10 t/h，中壓蒸汽(4.0 MPa、425 ℃)消耗量降低，噸甲醇綜合能耗降低?？刂妻D(zhuǎn)化爐爐溫不變的情況下，燃料消耗量下降，轉(zhuǎn)化爐煙氣量減少，轉(zhuǎn)化爐爐膛出口煙氣溫度降至1 075 ℃。

(2)水碳比降低后，送至甲醇合成系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化氣量(干基)下降約7 800 m3/h，按照生產(chǎn)噸甲醇消耗新鮮氣2 350 m3計，每天減產(chǎn)甲醇約80 t；降低水碳比后，甲烷轉(zhuǎn)化反應(yīng)動力下降，提溫增加反應(yīng)熱負(fù)荷也不能滿足甲烷轉(zhuǎn)化率要求，轉(zhuǎn)化氣組分中H2含量微降、CH4含量上漲、CO含量微漲、CO2含量微降，甲醇合成有效氣組分穩(wěn)定、氣量減小。當(dāng)然，考慮到轉(zhuǎn)化系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性，水碳比也不宜過低，以避免爐管超溫、轉(zhuǎn)化催化劑析碳風(fēng)險，且應(yīng)保證甲醇聯(lián)合裝置的產(chǎn)能和效益。

(3)由于高壓蒸汽過熱器模塊熱平衡與設(shè)計有偏差，導(dǎo)致對流段減溫水量遠(yuǎn)大于設(shè)計值(設(shè)計值為0)，優(yōu)化調(diào)整后，減溫水量未有明顯下降，調(diào)整期間，現(xiàn)場檢查振動情況，排除了減溫水量大產(chǎn)生波狀流造成模塊振動大的可能。系統(tǒng)加負(fù)荷期間，經(jīng)監(jiān)測得出，轉(zhuǎn)化爐對流段高壓蒸汽過熱盤管的振動速度與煙氣流量成正比，可以認(rèn)為煙氣阻力與模塊振動速度成正比。

(4)轉(zhuǎn)化爐混合燃料氣設(shè)計上由天然氣、DCC干氣、MTO裝置干氣、甲醇合成弛放氣膜分離非滲透氣、穩(wěn)定塔不凝氣、甲醇合成閃蒸氣組成，調(diào)整期間，為持續(xù)優(yōu)化轉(zhuǎn)化爐工況，將甲醇合成系統(tǒng)閃蒸氣和穩(wěn)定塔不凝氣退出燃料氣管網(wǎng)，40 h后，轉(zhuǎn)化爐水碳比降至2.71，轉(zhuǎn)化爐爐管出口轉(zhuǎn)化氣溫度為847 ℃，轉(zhuǎn)化爐運(yùn)行穩(wěn)定，高壓蒸汽過熱器模塊振動速度(最大值)由20 mm/s降至14 mm/s。于是，保持轉(zhuǎn)化系統(tǒng)水碳比在2.71穩(wěn)定運(yùn)行。

3 改進(jìn)措施

(1)轉(zhuǎn)化爐運(yùn)行已近30個月，雖然除轉(zhuǎn)化爐對流段高壓蒸汽過熱器模塊振動偏高外，對流段其余模塊雖未見明顯振動(均運(yùn)行正常)，但仍然應(yīng)定期委托設(shè)計院協(xié)助對輻射段底板和橫梁以及對流段高壓蒸汽過熱盤管第一組模塊支撐、盤管、集合管與第五組模塊支撐、盤管、集合管運(yùn)行的安全性進(jìn)行評估。

(2)一是對轉(zhuǎn)化爐燒嘴進(jìn)行改造升級，優(yōu)化燒嘴火焰燃燒效果，即通過改造燒嘴燃?xì)鈬姌屌c噴頭設(shè)計，提升燃?xì)鈮毫?，增加火焰剛性，嘗試改善轉(zhuǎn)化爐燒嘴燃燒不佳的狀況，以提高轉(zhuǎn)化爐輻射段熱效率，降低轉(zhuǎn)化爐煙氣量；二是由設(shè)計院提供模塊加固方案，停車搶修期間實(shí)施模塊加固，改變高壓蒸汽過熱器殼側(cè)固有振動頻率，同時在系統(tǒng)停車時進(jìn)入模塊內(nèi)部進(jìn)行檢查，確認(rèn)模塊盤管組及支撐是否正常[2]。

4 結(jié)束語

綜上所述，在確保甲醇聯(lián)合裝置安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行的前提下，通過優(yōu)化調(diào)整，適當(dāng)降低轉(zhuǎn)化系統(tǒng)水碳比以減少轉(zhuǎn)化反應(yīng)輻射熱需求，減少燃料氣的消耗，降低轉(zhuǎn)化爐爐膛煙氣溫度，降低轉(zhuǎn)化爐煙氣量，轉(zhuǎn)化爐出口高壓蒸汽過熱器模塊頂部振動過大問題有所改善。下一步榆林能化擬利用甲醇聯(lián)合裝置停車檢修機(jī)會改造升級轉(zhuǎn)化爐燒嘴，并對對流段高壓蒸汽過熱器模塊進(jìn)行加固，以徹底解決蒸汽過熱器模塊振動大的問題。