劉永輝

（中國石油廣西石化公司，廣西 欽州 535008）

制氫裝置水碳比波動問題分析

劉永輝

（中國石油廣西石化公司，廣西 欽州 535008）

某石化公司14×104Nm3·h-1制氫裝置采用天然氣、煉廠氣、石腦油和液化氣為原料，與裝置自產(chǎn)的中壓蒸汽反應(yīng)，生產(chǎn)純度為99.9%的工業(yè)氫氣送至氫氣管網(wǎng)。水碳比是制氫裝置最核心的控制參數(shù)，其是否穩(wěn)定將直接影響整套裝置的平穩(wěn)運行。2015年7月份DCS上顯示水碳比突然由3.4降低至0.8左右，后又恢復(fù)，但是SIS系統(tǒng)沒有發(fā)生變化，因此裝置沒有因為水碳比低低而聯(lián)鎖停車。查找原因并進行計算分析，當時裝置為天然氣單一進料，天然氣和水蒸汽流量沒有變化，只有石腦油流量表發(fā)生了變化，認為此次水碳比波動是由石腦油流量計波動引起的。通過校正流量計，裝置此后沒有再發(fā)生此類現(xiàn)象。

制氫裝置；DCS；水碳比；天然氣；石腦油

14×104Nm3·h-1制氫裝置是某石化公司高硫原油加工配套工程中的一套新建裝置，造氣部分采用典型的烴類水蒸氣轉(zhuǎn)化制氫工藝，提純部分采用變壓吸附工藝。水蒸氣與原料中碳的摩爾比（簡稱水碳比）是制氫裝置最核心的工藝控制參數(shù)，水碳比低會導致原料轉(zhuǎn)化率低，嚴重時會引起烴類原料在催化劑上結(jié)碳，進而引起轉(zhuǎn)化爐及催化劑破壞；水碳比高雖然原料轉(zhuǎn)化率會升高，但是過多的蒸汽進入轉(zhuǎn)化爐，會使轉(zhuǎn)化爐熱負荷明顯增加，同時多余的蒸汽進入后續(xù)冷卻系統(tǒng)，會增加后續(xù)冷卻系統(tǒng)的負荷，裝置能耗明顯增加。水碳比波動會導致轉(zhuǎn)化爐爐管的熱吸收發(fā)生明顯波動，進而引起轉(zhuǎn)化爐溫度波動，因此控制合適的水碳比對于制氫裝置降低能耗、提高氫氣收率、裝置長周期安全平穩(wěn)運行具有重要意義。

1 裝置簡介

14×104Nm3·h-1制氫裝置為目前國內(nèi)最大的單系列烴類蒸汽轉(zhuǎn)化制氫裝置。造氣部分采用TECHNIP公司的低能耗蒸汽轉(zhuǎn)化制氫技術(shù)，主要由原料預(yù)熱、原料精制、預(yù)轉(zhuǎn)化反應(yīng)、轉(zhuǎn)化反應(yīng)、中變冷卻系統(tǒng)等部分組成；凈化部分采用UOP公司的PSA提純工藝，PSA氫氣回收率高達90%，產(chǎn)品氫氣純度高達99.9%。裝置設(shè)計采用天然氣、煉廠氣、石腦油、液化氣等4種原料，設(shè)計時以天然氣作為主工況，公司含硫原油配套工程開工后，一直采用天然氣作為原料。

2 水碳比波動原因分析

2.1 水碳比波動情況

2015年7月份DCS上顯示水碳比儀表報警，水碳比突然由3.4降低至0.8左右，當時裝置進料平穩(wěn)，裝置沒有進行任何操作調(diào)整，水碳比波動后迅速恢復(fù)正常，但是SIS系統(tǒng)沒有發(fā)生變化，因此裝置沒有因為水碳比低低而聯(lián)鎖停車。查找原因發(fā)現(xiàn)，當時裝置為天然氣單一進料，天然氣和水蒸汽流量均沒有變化，但是脫硫后原料流量略有降低。按照裝置設(shè)計，脫硫后原料由天然氣、煉廠氣、石腦油、液化氣4種原料和氫氣組成混合。查找相關(guān)儀表歷史趨勢，天然氣、煉廠氣、氫氣流量均沒有波動，只有石腦油與液化氣共用流量計發(fā)生波動。當時裝置為天然氣單一進料，脫硫后原料只有天然氣和氫氣，煉廠氣、石腦油和液化氣系統(tǒng)并沒有投用，因此石腦油和液化氣共用流量計發(fā)生波動是由于現(xiàn)場儀表誤報引起。

2.2 水碳比波動原因分析

2.2.1 脫硫后原料流量降低的原因

脫硫后原料為天然氣、石腦油、煉廠氣、氫氣、液化氣混合物，查看5種物料的流量指示，天然氣、氫氣流量穩(wěn)定，煉廠氣流量為零，石腦油和液化氣系統(tǒng)共用流量計略有波動，流量指示由零增加到2656kg·h-1，因此脫硫后原料流量指示值實際為天然氣、氫氣、石腦油的混合流量經(jīng)溫壓補償計算后的流量。石腦油流量突然上升，如果按照簡單的加和原理，脫硫后原料流量為三股進料量的綜合，總流量應(yīng)該隨之上升，但是DCS顯示脫硫后原料流量下降。

脫硫后原料流量計為孔板型質(zhì)量流量計，其測量數(shù)值與密度的開方成正比，因此通過孔板的物質(zhì)密度發(fā)生變化，其測量數(shù)值也會隨之變化。

假設(shè)脫硫后原料氣為理想氣體，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，可得出以下公式：

式中：n為摩爾量；m為質(zhì)量；M為原料分子量。

根據(jù)以上公式可分別計算出脫硫后原料氣密度變化如表2所示。M前、ρ前指石腦油流量沒有波動前混合原料的分子量和密度，M假、ρ假指石腦油波動時混合原料的分子量和密度，M真、ρ真指石腦油波動時真實的混合原料的分子量和密度。

表1 各種原料流量表

表2 脫硫后原料平均分子量變化表

從表2中可看出，石腦油流量計發(fā)生漂移后，混合原料的分子量會發(fā)生很大的變化。石腦油流量計發(fā)生漂移時，DCS中石腦油分子量輸入值為3，與實際值不相符，相差較大，其混合后原料的平均分子量M假為10.98；石腦油的真實分子量為93,若石腦油流量計發(fā)生漂移，其混合后原料的平均分子量M真為16.34。

石腦油流量計發(fā)生漂移后，系統(tǒng)按照當時DCS輸入的石腦油分子量計算混合原料的分子量從15.07降到了10.98，其對應(yīng)的混合原料的相對密度也會隨之降低，因此DCS顯示脫硫后原料流量下降。若石腦油DCS中輸入真實的分子量93，混合原料的分子量從15.07將升高到16.34，其對應(yīng)的混合原料的相對密度也會隨之增大，這樣脫硫后原料流量將會增加。這就是石腦油流量突然上升，脫硫后原料流量不隨之上升反而下降的原因。

2.2.2 DCS中水碳比大幅降低，SIS系統(tǒng)卻沒有太大波動的原因

水碳比是制氫裝置最重要的控制參數(shù)之一，其發(fā)生波動將直接影響轉(zhuǎn)化反應(yīng)的程度，進一步影響催化劑及轉(zhuǎn)化爐管。水碳比波動可能由兩部分造成，一是水蒸氣流量發(fā)生波動，二是原料流量發(fā)生波動。本次水碳比大幅波動時，查看與之相關(guān)的蒸汽系統(tǒng)歷史趨勢，蒸汽系統(tǒng)沒有任何參數(shù)發(fā)生波動，蒸汽流量、壓力、溫度均比較穩(wěn)定，因此本次水碳比波動是由于原料流量變化引起的。

表3 各原料基本參數(shù)表

表4 各種情況下計算的水碳比表

通過計算各種情況下的水碳比可看出，DCS中將石腦油的分子量由真實的93輸入錯誤的3后，石腦油流量計發(fā)生漂移，其原料總碳流量會發(fā)生大幅變化，其總碳流量由1567kmol·h-1變?yōu)?798.9kmol·h-1，計算后的水碳比由正常值3.35降為0.71，當時DCS當時顯示0.8，數(shù)值基本相近。SIS中石腦油的分子量輸入值為93，當石腦油流量計發(fā)生漂移，其原料總碳流量略有增加，其總碳流量由1567kmol·h-1變?yōu)?754kmol·h-1，因此水碳比略有降低，由正常值3.35降為3.0，沒有達到聯(lián)鎖值。這就是當石腦油流量計發(fā)生錯誤指示后，DCS中水碳比大幅下降，但是SIS中水碳比卻沒有大幅波動的原因。

3 解決方案

3.1 校正DCS輸入?yún)?shù)

本次裝置水碳比波動是由于石腦油計量流量計誤報引起的，雖然沒有引起裝置大的生產(chǎn)波動，但是應(yīng)引起足夠的重視。儀表維護人員應(yīng)校正石腦油流量計的相關(guān)讀數(shù)，確保流量計指示正確，同時將DCS中石腦油的分子量由錯誤的3改為93，這樣即使石腦油的流量計有輕微變化也不會對水碳比造成大幅波動。

3.2 停用無關(guān)儀表

裝置目前為單一天然氣進料，其余原料均不使用，因此停用石腦油和煉廠氣流量計，強制將兩塊流量計儀表讀數(shù)歸零，這樣既不影響裝置的計量及相關(guān)計算，也避免了由于無關(guān)儀表波動引起的裝置波動。

4 結(jié)論

通過計算分析，本次脫硫后原料流量及水碳比大幅波動的原因均是由于石腦油流量計的錯誤指示引起的，DCS中水碳比大幅波動還與石腦油的分子量輸入錯誤有直接關(guān)系。由于石腦油系統(tǒng)沒有投用，平時忽略了此系統(tǒng)相關(guān)儀表的檢查。通過校正石腦油流量計的相關(guān)讀數(shù)，并將DCS中石腦油的分子量輸入真實值，停用無關(guān)儀表，此后再無類似的事件發(fā)生。

[1] 郝樹仁，董世達.烴類制氫轉(zhuǎn)化技術(shù)[M].北京：石油工業(yè)出版社，2009：42-43.

[2] 郭成，何聯(lián)合.制氫裝置的水碳比控制方案優(yōu)化[J].化工設(shè)計，2016，26(5)：3-5.

[3] 崔欣，張彩慧，席小明.制氫裝置水碳比交叉限幅控制方案[J].煉油技術(shù)與工程，2016，46(10)：45-47.

Fluctuation Cause Analysis of Water Carbon Ratio in Hydrogen Production Plant

LIU Yonghui
(Guangxi Petrochemical Company, CNPC, Qinzhou 535008, China)

TQ 031

B

1671-9905(2017)08-0073-03

2017-05-16