制氫裝置汽包蒸汽帶水問題的分析

劉永輝，宋鵬，于朋

（中國石油廣西石化公司，廣西 欽州 535008）

某石化公司制氫裝置采用的烴類蒸汽轉(zhuǎn)化工藝中，所用蒸汽為裝置自產(chǎn)的中壓蒸汽，通過除鹽水與煙氣及轉(zhuǎn)化氣的換熱來生產(chǎn)中壓蒸汽。制氫裝置的汽包是裝置的核心設(shè)備，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)構(gòu)件較多，出現(xiàn)問題時不容易判斷故障原因，除氧水質(zhì)量、排污操作、加藥、汽包液位、壓力等因素都會對蒸汽質(zhì)量產(chǎn)生影響。因汽包所產(chǎn)蒸汽幾乎全部用于轉(zhuǎn)化爐的原料反應(yīng)，因此汽包的穩(wěn)定運行對整個裝置的平穩(wěn)運行至關(guān)重要。

1 汽包簡介

制氫裝置主要由原料預(yù)熱、原料精制、轉(zhuǎn)化反應(yīng)、中變冷卻系統(tǒng)等組成，設(shè)計采用煉廠氣、石腦油作為原料，公司天然氣開通后原料改為天然氣。裝置的凈化部分采用變壓吸附提純工藝，PSA 氫氣回收率設(shè)計達到90%，產(chǎn)品氫氣純度達到99.9%，具有投資省、能耗低、操作可靠性、靈活性高等優(yōu)點。

汽包是制氫裝置最核心的設(shè)備，利用高溫轉(zhuǎn)化氣和煙氣進行加熱而產(chǎn)生中壓蒸汽，所產(chǎn)蒸汽大部分作為轉(zhuǎn)化爐配汽使用，多余部分外送至蒸汽管網(wǎng)。轉(zhuǎn)化爐的原料轉(zhuǎn)化對蒸汽質(zhì)量的要求極為嚴格，蒸汽中的二氧化硅、鈉離子、氯離子等雜質(zhì)均是轉(zhuǎn)化催化劑的永久毒物，一旦蒸汽質(zhì)量發(fā)生波動，將會對轉(zhuǎn)化催化劑造成致命的傷害。影響蒸汽質(zhì)量的因素較多，設(shè)備的完整性、操作波動等均會影響蒸汽的質(zhì)量。

汽包內(nèi)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由上水線、換熱線、定期排污線、連續(xù)排污線、加藥線、旋風(fēng)分離器、百葉窗分離器等部分組成。日常操作時，可通過控制液位、壓力、上水、排污、加藥等操作工序，保證所產(chǎn)蒸汽的質(zhì)量合格。

2 汽包波動的現(xiàn)象

2.1 汽包相關(guān)參數(shù)的變化

如圖1所示，裝置開工進料后，有一段時間汽包壓力的波動較大，汽包壓力出現(xiàn)了無法控制的情況。壓力在3.5～3.95MPa 之間波動，蒸汽放空閥門頻繁開關(guān)，同時汽包液位、所產(chǎn)蒸汽溫度等隨之發(fā)生劇烈變化，且變化周期相同。如圖2所示，汽包液位在60%～68%之間波動，需要頻繁手動開關(guān)上水閥門。如圖3 所示，所產(chǎn)蒸汽溫度的波動最大，在250～380℃之間波動，最低時已接近蒸汽的飽和溫度，出現(xiàn)了蒸汽帶水現(xiàn)象。

圖1 汽包壓力的變化趨勢

圖2 汽包液位的變化趨勢

圖3 蒸汽溫度的變化趨勢

2.2 轉(zhuǎn)化爐相關(guān)參數(shù)的變化

由于所產(chǎn)蒸汽的溫度變化較大，加之蒸汽帶水，因此蒸汽和原料進入轉(zhuǎn)化爐后，最直接的表現(xiàn)就是轉(zhuǎn)化爐的入口溫度發(fā)生了變化。如圖4 所示，轉(zhuǎn)化爐的入口溫度在360～530℃之間波動，最低溫度降到了360℃，達不到轉(zhuǎn)化爐的最低操作溫度，若溫度再繼續(xù)降低，蒸汽會在轉(zhuǎn)化爐管中冷凝，催化劑會有泡水的風(fēng)險，對催化劑的傷害是不可挽回的。發(fā)生此現(xiàn)象后，操作人員立即將入口溫度進行了手動控制，將波動范圍控制在430～510℃之間。

圖4 轉(zhuǎn)化爐入口溫度的變化趨勢

圖5 汽包液位計的安裝示意圖

3 蒸汽帶水原因分析

3.1 裝置運行不穩(wěn)定影響

查看裝置的進料量和外送氫氣量的變化趨勢，均顯示正常，除了轉(zhuǎn)化爐的入口溫度發(fā)生波動外，其余參數(shù)均處于正常操作范圍內(nèi)，沒有大的波動。轉(zhuǎn)化爐燃料氣、解吸氣、鼓風(fēng)流量等指標(biāo)均正常，PSA運行正常，汽包所產(chǎn)蒸汽的流量穩(wěn)定，因此初步判斷導(dǎo)致此問題的原因，不是進料或轉(zhuǎn)化爐的操作出現(xiàn)波動，應(yīng)該是蒸汽發(fā)生系統(tǒng)本身出現(xiàn)了問題。

3.2 汽包爐水質(zhì)量的影響

根據(jù)汽包液位和壓力波動較大的情況，初步判斷汽包發(fā)生了汽水共沸現(xiàn)象，蒸汽夾帶水進入了蒸汽管道。蒸汽最容易發(fā)生汽水共沸的原因，是鍋爐水的水質(zhì)不合格。除了除氧水中二氧化硅等雜質(zhì)超標(biāo)的因素之外，裝置使用的外部除鹽水加熱后會產(chǎn)生除氧水，除鹽水為全廠統(tǒng)一使用，不應(yīng)只在某裝置出現(xiàn)不合格的情況。為此，操作人員加大了排污操作，將除氧水溫度提高至90℃，以保證除氧水的質(zhì)量合格。采取措施后發(fā)現(xiàn)波動現(xiàn)象沒有減弱，為此排除了水質(zhì)不合格這一原因。

3.3 汽包內(nèi)構(gòu)件的影響

汽水分離達不到效果的另一個原因，是汽水分離器的內(nèi)構(gòu)件發(fā)生了損壞，尤其是旋風(fēng)分離器、百葉窗分離器可能發(fā)生了故障。這些內(nèi)構(gòu)件一旦發(fā)生損壞，起不到汽水分離效果，會造成汽包內(nèi)的蒸汽與水分離不完全，蒸汽帶水離開汽包。在現(xiàn)場進行查看，沒有聽到汽水分離器內(nèi)部有雜音，開工前也對汽包內(nèi)構(gòu)件進行過檢查，在開工過程中沒有出現(xiàn)大的波動，初步排除了汽包內(nèi)構(gòu)件出現(xiàn)損壞的可能。

3.4 汽包滿水的影響

汽水分離達不到效果的另一種可能，是汽水分離器滿水，起不到汽水分離的作用，蒸汽和水一起進入蒸汽管道。查看歷次開工的紀錄，發(fā)現(xiàn)本次開工時，汽包兩側(cè)液位計的顯示數(shù)值相差較小，液位控制比歷次開工高10%以上。汽包兩側(cè)的液位計分別為導(dǎo)波雷達式和差壓式液位計，由于2 個液位計的測量原理不同，因此在開工不穩(wěn)定的狀態(tài)下，2個液位計的測量值會出現(xiàn)偏差，但汽包處于穩(wěn)定狀態(tài)后，2 個液位計的顯示值應(yīng)差別不大。儀表人員檢查后確定液位計的顯示無誤，與現(xiàn)場的玻璃板液位計進行了比對，2個液位的測量顯示真實。

查看汽包液位計的設(shè)置，液位計的上下引出點分別安裝在汽包中心線位置的750mm和650mm處，液位計全長1400mm，汽包中心位置的液位計顯示為46.4%。按照汽包液位的控制要求，正常液位應(yīng)該在汽包中心線上，即液位計指示應(yīng)為46.4%，控制范圍應(yīng)該在±5%左右。

對比設(shè)計值和本次開工的實際液位值，本次開工的液位控制在65%左右，遠高于汽包要求的液位設(shè)置。按照65% 液位進行計算，液位計全長1400mm，實際液位應(yīng)在液位計的910mm 處，高于中心線260mm。查看設(shè)計圖紙，實際液位已達到旋風(fēng)分離器的頂部，旋風(fēng)分離器起不到分離汽水的作用，汽包所產(chǎn)的飽和蒸汽帶水嚴重，導(dǎo)致汽包內(nèi)部出現(xiàn)汽水共沸。

4 結(jié)論

根據(jù)以上分析結(jié)果，排除了外部操作波動、除氧水質(zhì)量不合格、汽包內(nèi)構(gòu)件損壞等可能，由此確定了導(dǎo)致汽包波動、蒸汽帶水的原因，是汽包液位的控制過高，汽包液位已超過汽包旋風(fēng)分離器，旋風(fēng)分離器未能起到汽水分離的作用，造成蒸汽與水的分離不完全。為此，逐步將汽包液位逐步至55%以下。汽包液位調(diào)整到正常數(shù)值后，汽包液位、壓力、蒸汽溫度、轉(zhuǎn)化爐入口溫度等各項參數(shù)逐步趨于穩(wěn)定，表明汽包蒸汽帶水的原因，確實是液位控制過高造成的。