陳冬景（中石化寧波工程有限公司 浙江寧波315103）

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水煤漿制氫氣裝置典型現(xiàn)場問題分析

陳冬景
（中石化寧波工程有限公司 浙江寧波315103）

0　前言

近年來，水煤漿氣化技術(shù)在國內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，根據(jù)下游裝置不同的用氣需求，配套相應(yīng)的凈化技術(shù)，生產(chǎn)氫氣、合成氣等?，F(xiàn)以國內(nèi)建成投產(chǎn)的某套煤制氫氣裝置為例，對該裝置在建設(shè)過程中出現(xiàn)的不同類型問題，選擇其中7個問題分析發(fā)生原因和整改方案。

1　施工工程量變化

（1）施工方案變化的主要原因是施工條件和施工環(huán)境的不確定性。例如，儲運系統(tǒng)布置在拆除的老廠房處，施工單位原方案使用螺旋樁機進行地下樁基施工，開挖后發(fā)現(xiàn)地下存在大量舊基礎(chǔ)及砼地坪等障礙物，對原施工方案進行了調(diào)整，導(dǎo)致產(chǎn)生額外施工費用。

（2）施工范圍變化的主要原因是基礎(chǔ)設(shè)計階段與供貨商、業(yè)主或第3方對接不清導(dǎo)致。例如，裝置用于卸壓的火炬管線（DN1 200 mm），設(shè)計選材為碳鋼加內(nèi)防腐，且為供貨商整體供貨，可現(xiàn)場到貨后發(fā)現(xiàn)這些管線未做內(nèi)防腐處理，考慮到施工進度等原因，最后由施工單位在現(xiàn)場對這批管道補做內(nèi)防腐處理，產(chǎn)生了額外的施工工程量。

2　黑水管線角閥組振動問題

角閥因其結(jié)構(gòu)簡單、耐高壓差性能好、適用于含固體顆粒介質(zhì)等特點，在水煤漿氣化裝置黑水處理系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。由于黑水介質(zhì)含固體顆粒，為防止固體顆粒在角閥兩側(cè)積聚，角閥組在配管時，通常要比旁路閥高。由于黑水經(jīng)過角閥后降壓明顯，可能出現(xiàn)部分閃蒸繼而形成兩相流，造成管系的波動。例如，洗滌塔的液位控制黑水管線上，設(shè)置了1組角閥組，整改前角閥組管線和支架設(shè)置見圖1。現(xiàn)場開車準(zhǔn)備階段，通過控制角閥開度給洗滌塔建立液位時，發(fā)現(xiàn)角閥處發(fā)出巨大噪聲，角閥組管線振動明顯，且角閥的開度不穩(wěn)定，特別開度在30%以下時，角閥開度波動更大，管線振動及噪聲情況更加嚴(yán)重，無法正常運行。停泵拆開角閥檢查，發(fā)現(xiàn)角閥的閥芯和閥座已被撞壞。

圖1　整改前角閥組管線和支架布置

根據(jù)上述情況，經(jīng)設(shè)計方和供貨商進一步核實，認(rèn)為發(fā)生此問題主要原因如下。

（1）角閥存在設(shè)計缺陷。在設(shè)計時，只考慮了正常操作工況，未考慮開車工況。正常操作工況下，閥前壓力為7.2 MPa，閥后壓力為6.5 MPa，前后壓差為0.7 MPa，閥門最大關(guān)閉壓差為8.9 MPa。開車工況下，洗滌塔還沒有建立液位，因此，角閥下游為常壓，閥前壓力為7.2 MPa，閥后壓力為0.1 MPa，壓差達(dá)7.1 MPa，與操作工況下角閥前后壓差偏差較大，角閥的定位器和導(dǎo)向杠等元件設(shè)計過于單薄，引起角閥開度不穩(wěn)定等問題。

（2）管線支架設(shè)置不合理。從圖1可以看出，角閥組處只在旁路管線上設(shè)置了2根彈簧支架（支架1和支架2），由于角閥自身質(zhì)量達(dá)1.2t，導(dǎo)致閥組的重心偏高。經(jīng)過應(yīng)力核算，角閥組管線的固有頻率偏低，如果角閥稍受外力作用，就會引起管線搖晃?，F(xiàn)場用手推角閥閥體，的確有引起閥組的搖晃現(xiàn)象。

（3）黑水介質(zhì)的波動。黑水的操作溫度為170℃，飽和蒸汽壓為0.8 MPa，因此黑水經(jīng)角閥減壓后會出現(xiàn)閃蒸，黑水中夾雜著閃蒸氣，形成小氣泡，隨著小氣泡爆破，造成灰水紊流，使角閥成了激震源，帶動管線振動。

為此，作出如下調(diào)整，由角閥供貨商更換定位器和導(dǎo)向套等元件，使角閥能正常工作；重新計算管線應(yīng)力，在角閥兩側(cè)立管上增設(shè)導(dǎo)向支架（見圖2），增加管線剛度和固有頻率?，F(xiàn)場整改完成后，角閥運行較為穩(wěn)定。

圖2　整改后角閥組管線和支架布置

3　高壓煤漿泵出口管線振動問題

高壓煤漿泵為電動隔膜泵，出口介質(zhì)流態(tài)呈脈沖形式，介質(zhì)為水煤漿，脈沖介質(zhì)會對管線產(chǎn)生較大的激振力，容易使管線振動。在設(shè)計時，為避免管道出現(xiàn)振動，所有支架均選用減振支架。原設(shè)計管線走向及支架設(shè)置示意如圖3所示。

圖3　原設(shè)計管線走向及支架設(shè)置示意

從圖3可以看出，節(jié)點10為高壓煤漿泵出口，管口高度為4.5 m，由于管線去氣化框架前需要跨過道路，因此，從節(jié)點85開始，將管線高度抬高到7.5 m。圖中節(jié)點85，110，120和130處均設(shè)置了減振和導(dǎo)向支架，結(jié)構(gòu)立柱為單柱形式。在高壓煤漿泵單試時，管線和結(jié)構(gòu)立柱振動嚴(yán)重。現(xiàn)場觀察，節(jié)點110處振動最為明顯，軸向振幅可達(dá)10 mm。

從上述情況看，單柱形式的立柱太單薄，在設(shè)計時未充分考慮煤漿介質(zhì)脈沖產(chǎn)生的激振力，僅按照管線應(yīng)力計算的受力值進行設(shè)計。由于水煤漿介質(zhì)壓力高、密度大，產(chǎn)生的激振力遠(yuǎn)大于管線的一次、二次應(yīng)力，造成原設(shè)計結(jié)構(gòu)立柱剛度不夠。另外，脈沖形式的流態(tài)只有在改變流向或流形變化時才會產(chǎn)生激振力，而從圖3可以看出，節(jié)點85和110距離彎頭均較遠(yuǎn)，導(dǎo)致彎頭處激振力沒有得到控制而使管線振動。因此，為增加立柱強度，改原單立柱支撐型式為框架式支撐，同時將彎頭位置移至節(jié)點110和120之間，在彎頭上新增設(shè)減振支架（見圖4）?，F(xiàn)場整改完成后，管線運行非常平穩(wěn)。

4　鎖斗排渣管線振動問題

氣化爐爐底的煤渣通過鎖斗排渣系統(tǒng)周期排放，每30 min完成一次排渣循環(huán)，屬于劇烈循環(huán)工況。鎖斗排渣管線示意見圖5。鎖斗排渣時，鎖斗沖洗水罐的沖洗水流至鎖斗，然后將鎖斗中的煤渣排出，排渣完成后，排渣閥關(guān)閉，完成一個排渣過程?，F(xiàn)場鎖斗排渣系統(tǒng)試運行時，在排渣閥關(guān)閉瞬間，排渣管線和上游的沖洗水管線振動嚴(yán)重、噪聲大，且鎖斗容易充壓過度。管線的瞬間振動造成管線上的膨脹節(jié)變形失效。

從上述情況分析，當(dāng)排渣線正在排渣時，管內(nèi)充滿沖洗水，由于排渣閥突然關(guān)閉，使沖洗水流速急劇變化，對上、下游均形成巨大壓力，而沖洗水幾乎無法壓縮，就引起管內(nèi)介質(zhì)的波動和管線振動，俗稱“水錘效應(yīng)”。因此，只要消除或減弱水錘，即可使管線振動減弱。設(shè)計所用排渣閥為氣動球閥，閥門的關(guān)閉時間為3.3 s，關(guān)閉速度較快，據(jù)水錘效應(yīng)產(chǎn)生的原理，只要延長閥門的關(guān)閉時間，即可減弱水錘效應(yīng)。因此在排渣閥氣缸的進氣管線上設(shè)置限流孔板，使排渣閥的關(guān)閉時間延長至6.8 s，減弱水錘效應(yīng)。整改完成后，排渣過程較為穩(wěn)定。

圖4　整改后管線和支架

圖5　鎖斗排渣管線示意

5　氣化爐預(yù)熱燒嘴和工藝燒嘴更換問題

氣化爐被預(yù)熱到1 300℃左右，在投料前需將預(yù)熱燒嘴更換為工藝燒嘴，在更換過程中，由于爐內(nèi)溫度會慢慢下降，為保證氣化爐順利投料，爐內(nèi)溫度需維持在900℃以上。根據(jù)現(xiàn)場爐溫的下降速度，工藝燒嘴的更換過程應(yīng)在50 min內(nèi)完成。但現(xiàn)場初次更換完工藝燒嘴后，發(fā)現(xiàn)煤漿管線和氧氣管線上的法蘭接口比工藝燒嘴管口法蘭低45 mm左右，法蘭錯位較大，導(dǎo)致螺栓無法緊固，無法在50 min內(nèi)順利完成更換燒嘴。

法蘭錯位的原因為煤漿管線和氧氣管線均為冷態(tài)安裝，在冷態(tài)下可以與工藝燒嘴管口法蘭順利連接，但是氣化爐經(jīng)過預(yù)熱后，氣化爐頂部管口從鞍座開始往上膨脹，導(dǎo)致工藝燒嘴的管口被抬高，此時煤漿管線和氧氣管線還未投料，仍處在冷態(tài)，因此才產(chǎn)生了45 mm的法蘭錯位。為保證燒嘴更換順利完成，現(xiàn)場重新調(diào)整煤漿管線和氧氣管線的標(biāo)高，將其管端法蘭口抬高45 mm，同時重新整定支撐管線的彈簧支架，既耽誤工期又耗費財力。

為避免出現(xiàn)上述問題，需從兩方面著手。①在管道預(yù)制安裝時，煤漿管線和氧氣管線的安裝標(biāo)高需在設(shè)計圖紙的管線高度上增加氣化爐的膨脹量，膨脹量可在氣化爐烘爐時進行標(biāo)定。②在設(shè)計過程中，由于工藝燒嘴的管口允許受力很小，管口初始位移對管線應(yīng)力影響較大，因此，在計算煤漿管線和氧氣管線的應(yīng)力時，需增加氣化爐為熱態(tài)、管道為冷態(tài)的工況，滿足管口受力要求。

6　三偏芯蝶閥的安裝方向問題

變換單元的變換氣管線為高溫、高壓管線，管線上的切斷閥為三偏芯硬密封蝶閥。三偏芯蝶閥的結(jié)構(gòu)見圖6。由于蝶閥的密封原理為扭力密封，導(dǎo)致蝶閥兩側(cè)的密封效果不一樣，分為主密封和次密封。安裝時需根據(jù)工藝要求，使閥門關(guān)閉時，主密封朝向高壓側(cè)。但現(xiàn)場按照閥體上的流向箭頭全部正向安裝，未考慮工藝操作和檢修要求，導(dǎo)致現(xiàn)場15只（≥DN400 mm）高壓三偏芯蝶閥重新調(diào)整安裝方向。例如，調(diào)節(jié)閥組的前、后切斷閥，在調(diào)節(jié)閥進行檢修時，兩側(cè)切斷閥關(guān)閉，2只閥門的高壓側(cè)剛好相反，下游切斷閥需要反向安裝。

圖6　三偏芯蝶閥的結(jié)構(gòu)

7　設(shè)備保冷施工問題

低溫甲醇洗單元的大部分管線和設(shè)備需要進行保冷，設(shè)計的保冷結(jié)構(gòu)為聚氨酯保冷層+CPU聚氨酯防水卷材防潮層+20 mm巖棉和鋁皮保護層。采用CPU聚氨酯防水卷材進行施工時，先需要在保冷材料上涂1層膠水，然后進行卷材安裝，且安裝時接縫也需要進行涂膠水黏結(jié)。由于部分設(shè)備直徑較大、設(shè)備本體上有許多平臺、管道支架和管口，使CPU聚氨酯防水卷很難完全與設(shè)備保冷材料緊密貼合；現(xiàn)場施工時，聚氨酯卷材出現(xiàn)褶皺，密封效果比較差。設(shè)計在鋁皮保護層前包裹20 mm厚巖棉，主要為鋁片保護層進行捆扎時，防止自攻螺釘破壞CPU聚氨酯防水卷材，由于巖棉質(zhì)地很軟，固定自攻螺釘時，很難保證不穿透CPU聚氨酯防水卷材；而且晝夜空氣溫差變化大，保護層表面容易結(jié)露，致使巖棉容易吸水而被損壞。特別是低溫甲醇洗系統(tǒng)的再吸收塔直徑達(dá)3.8 m，高度達(dá)98.0 m，高空作業(yè)加上環(huán)境因素影響，施工難度大，不僅施工工期長，而且很難保證施工質(zhì)量。

考慮到現(xiàn)場所有的保冷材料均已到貨，為減少材料浪費和保證施工質(zhì)量，將設(shè)備上的防潮層結(jié)構(gòu)由原CPU聚氨酯防水卷材防潮層+20 mm巖棉和鋁皮保護層調(diào)整為瑪蹄脂防潮層+鋁皮保護層，管道上的保冷結(jié)構(gòu)維持不變。

8　結(jié)語

自水煤漿制氫技術(shù)引進中國后，國內(nèi)已建成投產(chǎn)多套煤制氫氣裝置。但在設(shè)計和建設(shè)每套裝置過程中總會出現(xiàn)類似問題和新問題，不僅拖延了裝置的建設(shè)進度，也造成了一定經(jīng)濟的損失。從以往裝置建設(shè)中吸取經(jīng)驗教訓(xùn)，舉一反三，提升設(shè)計質(zhì)量和施工質(zhì)量，保證裝置建設(shè)的健康發(fā)展尤為重要。

（收到修改稿 2015-10-09）