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原料气流量计与合成系统工艺蒸汽流量波动的分析与优化

时间:2018/05/15来源:未知

    要:

先容合成系统工艺蒸汽波动对系统的影响, 从原始工艺联锁设计、原始管道仪表设计和操作员技术水平方面提出各项优化措施, 从而提高装置的运行稳定性以及抗波动能力。

 

1 概述

重庆建峰化肥有限企业第二套化肥装置 (简称建峰二化) 设计年产45万吨合成氨, 80万吨尿素, 合成氨工艺采用美国KBR深冷净化工艺。该系统采用高、中、低三个压力等级的蒸汽, 高压蒸汽设计工况为12.07 MPa、510℃, 中压蒸汽设计工况为4.6 MPa、386℃, 低压蒸汽设计工况为0.35MPa、200℃, 主要来源有装置副产高压蒸汽经汽轮机抽汽减压和外供补充蒸汽 (快装锅炉) , 总流量约为290 t/h (满负荷, 下同) , 其中作为一段转化炉蒸汽转化的工艺蒸汽为102 t/h, 部分 (19.3 t/h) 经汽提塔后继续作为工艺蒸汽, 另一中压蒸汽大用户为联运尿素的二氧化碳压缩机, 用量约为122 t/h, 多余部分则通过中压减低压阀减至低压蒸汽管网。正常时压力调整可由高压汽轮机抽汽、高压减中压阀、高压蒸汽放空阀、中压蒸汽放空阀等控制, 高压汽轮机跳车时可由高压减中压手动阀联锁动作维持管网稳定, 若管网压力超压则触发安全阀保护管网安全, 蒸汽系统流程如图1所示。

图1 蒸汽系统流程

图1 蒸汽系统流程

 

2 工艺蒸汽波动的影响

在整个工艺系统中, 工艺蒸汽流量由工艺蒸汽调节阀控制, 压力则由中压蒸汽管网压力控制, 为了确保装置安全运行, 设计有蒸汽流量低联锁, 水碳比低联锁等关键保护措施。自2012年装置正常投产以来, 建峰二化多次因中压蒸汽波动引发工艺蒸汽波动***终导致停车, 且停车范围也不尽相同, 经济损失巨大。蒸汽波动导致装置停车统计如表1所示。

表1 蒸汽波动导致装置停车统计    下载原表

表1 蒸汽波动导致装置停车统计

3 原因分析及优化措施

3.1 原始工艺联锁设计抗波动性差

3.1.1 水碳比低联锁设计值偏高

该系统原始设计水碳比低联锁值为2.4, 正常时控制中压蒸汽压力为4.55 MPa, 当该压力因外供蒸汽波动突然降至4.40 MPa左右时, 水碳比低联锁就会陆续发生, 加之受外供蒸汽影响较大, 很难在短时间内控制稳定。

将水碳比低联锁值由2.4改为2.0, 当水碳比为2.0时, 系统短时间内也不易积碳[1], 以增强系统抗蒸汽压力波动的能力, 在正常运行过程中, 水碳比按2.7 0~2.7 5控制。经过长期运行验证, 在外供蒸汽压力波动时, 如果处理得当, 水碳比不低于2.5, 而且一段转化炉催化剂也无积碳现象[2], 原始装填的催化剂于2 0 16年5月才进行更换, 使用寿命长达4 a多。

3.1.2 空气系统跳车影响

2 0 13年4月17日, 空气压缩机因设备原因跳车, 引起空气系统停车, 根据联锁逻辑设计, 工艺蒸汽流量控制设定值自动降到6 0 t/h, 原料气流量控制设定值自动降到18 t/h, 由于原料气流量由3 5 t/h联锁到18 t/h, 引起原料气压缩机出口压力迅速上涨, 防喘振阀快速打开引起原料气压缩机出口原料气流量 (8.4 2 t/h) 低联锁 (设计低联锁值为9 t/h, 无延时) 出现, 造成原料气系统直接停车。

在系统实际运行过程中, 空气系统停车对原料气及蒸汽流量无太大影响, 尤其工艺蒸汽流量更无需强制联锁, 空气系统停车时一段转化炉温度下降较快, 主控及时调整, 可以保证不因空气系统而造成主装置停车。因此, 取消空气系统停车强制联锁蒸汽流量和工艺气流量, 确保空气系统停车后不会引起事故扩大。

3.1.3 二氧化碳压缩机跳车影响

原始设计二氧化碳压缩机跳车后, 中压蒸汽放空阀A、B分程控制, 根据二氧化碳压缩机消耗蒸汽量 (消耗蒸汽量÷117×10 0%) 自动打开一定阀位, 而且主控操作员无法动作, 中压蒸汽压力迅速下降, 造成转变系统蒸汽流量低联锁跳车。

将中压蒸汽放空阀由分程控制改为单回路控制, 控制方式为中压蒸汽放空阀A控制中压蒸汽压力, 中压蒸汽放空阀B控制二氧化碳压缩机跳车蒸汽放空, 正常运行时中压蒸汽放空阀A投自动, 将二氧化碳压缩机跳车动作选择中压蒸汽放空阀B, 投手动, 当二氧化碳压缩机跳车时, 中压蒸汽放空阀B自动打开, 其阀位开度为二氧化碳压缩机消耗蒸汽量 (消耗蒸汽量÷117×6 0%) [3]。

修改后经测试, 当二氧化碳压缩机停车后, 中压蒸汽管网压力基本保持不变, 工艺蒸汽流量也比较稳定。

3.2 原始管道仪表设计不合理

3.2.1 中压蒸汽外供和放空系统

本装置设计快装锅炉外供中压蒸汽、工艺蒸汽、中压蒸汽放空均在中压蒸汽管线末端, 且相距较近, 遇到快装锅炉跳车后, 工艺蒸汽流量瞬间大幅降低, 尤其快装锅炉供汽量在5 0 t/h时, 对工艺蒸汽流量影响更明显, 中压蒸汽放空对工艺蒸汽流量的影响也非常明显。因中压蒸汽管网设计有2个安全阀, 设计压力分别为4.9 0 M P a、5.14 5 M P a。当中压蒸汽波动甚至中断时, 需首先将系统高压蒸汽通过减压阀减至中压蒸汽管网, 此时必须要用中压蒸汽放空阀调整维持中压蒸汽压力稳定。

针对外供蒸汽波动的影响, 在装置运行期间, 曾采用附近热电厂富裕蒸汽供本装置蒸汽缺口, 其并入点选择装置中压蒸汽主管网另一头, 在与热电厂联运时, 其外供蒸汽波动对工艺蒸汽影响相对较小, 在运行期间也曾多次出现大幅波动, 对该系统蒸汽流量影响都比较小, 未出现事故停车, 且对操作员要求相对较低。

3.2.2 联锁原料气流量计

本装置设计水碳比联锁为三取二, 其中参与联锁的原料气流量测点位于脱硫系统出口至原料气调节阀之间, 且靠近调节阀侧, 而工艺蒸汽并入点则在原料气调节阀与一段转化炉之间, 且原料气流量计与工艺蒸汽并入点现场安装位置相距不足5 m, 原料气流量计安装位置如图2所示。

图2 原料气流量计安装位置

图2 原料气流量计安装位置   下载原图

 

当工艺蒸汽并入量大幅度变化时, 原料气流量受干扰特别明显, 且原料气调节阀易出现超调现象, 在近几年遇到的蒸汽系统波动事故中, 原料气流量都出现比较明显的变化, 尤其当蒸汽压力大幅增加引起蒸汽流量突然上涨, 会导致原料气流量突然减少, 曾多次出现空碳比高联锁跳车。

为减小蒸汽系统波动对其他系统安全运行的影响, 将原料气调节阀前、后压差的正常控制值由15 0 k P a提高至3 5 0 k P a, 经过多次实践总结得出, 蒸汽系统大幅波动时, 需先适当减少工艺空气量, 防止空碳比高联锁的出现。

3.3 操作员技术水平薄弱

近年来, 人员流动不断增加, 后备操作人员技术储备不足, 现有操作员很难合理把控事故要害, 恰当处理事故。为了快速提高操作员的技术水平, 企业有针对性地编写事故应急预案, 并定期开展理论实践培训工作。尤其在事故应急预案的编写中, 从***初的原则性培训引导, 到后期的具体操作要点, 再到现在重点阀门的调整幅度, 逐步细化, 让操作员在处理事故时能做到精准无误, 确保事故安全处理, 不再扩大。

3.4 后期的优化思路

经上述分析, 原料气流量计设计的位置不合理, 结合建峰一化设计理念, 后期论证将该流量计的取点位置改至脱硫槽之前, 在不影响计量的情况下远离工艺蒸汽并入点, 从而降低工艺蒸汽波动对原料气流量的影响。

因建峰二化原始设计外供蒸汽1套快装锅炉, 前几年运行时有附近热电厂外供补充蒸汽, 快装锅炉基本处于备用热保护状态, 现热电厂已关停, 该快装锅炉也经历过水冷壁管的大检修, 运行稳定性存在极大风险, 决定新建1套快装锅炉, 确保系统安全运行, 在新增快装锅炉中压蒸汽并入点时, 需规避现并入点的弊端。初步拟定在原热电厂外供蒸汽并入点补充系统缺口, 降低外供蒸汽波动时的危害。

4 结束语

该装置经过多年运行, 遇到多次工艺蒸汽波动的事故, 随着工艺联锁的不断修改完善以及事故操作预案的不断细化, 近年来多次遇到快装锅炉跳车事故可快速有效处理, 在保证人员设备安全的前提下, 将事故损失降到较低。随着后期可行性论证的不断深入, 该装置设计中的不合理将会得到更加完善, 操作员的技术水平也将不断提高, 装置安稳长满优的目标也会得到更大的保障。


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