陳鳳壯

（中海石油化學(xué)股份有限公司，海南 東方 572600）

中海石油化學(xué)股份有限公司富島一期擁有一套年產(chǎn)30萬t的合成氨裝置，1996年建成投產(chǎn)，采用ICI-AMV工藝，主要生產(chǎn)原料為天然氣和蒸汽。裝置設(shè)計(jì)有壓力10.8MPa、溫度513℃的高壓過熱蒸汽235t/h，一部分來自工藝氣余熱回收系統(tǒng)產(chǎn)生，另一部分來自輔助鍋爐產(chǎn)生。工藝氣反應(yīng)熱通過余熱回收系統(tǒng)對鍋爐給水和蒸汽進(jìn)行加熱而回收，該系統(tǒng)由3臺高壓廢熱鍋爐、2臺鍋爐給水預(yù)熱器、1臺高壓蒸汽預(yù)熱器和1臺高壓汽包共7臺設(shè)備組成 （見圖1），其整體布局非常緊湊，均由德國BROSIG公司設(shè)計(jì)和制造。

圖1 工藝氣余熱回收系統(tǒng)設(shè)備布置圖

工藝氣余熱回收系統(tǒng)總設(shè)計(jì)蒸汽產(chǎn)量為135t/h，其中1號高壓廢熱鍋爐03E001產(chǎn)生高壓飽和蒸汽76t/h進(jìn)入蒸汽預(yù)熱器03E002內(nèi)進(jìn)行初步預(yù)熱，再送至一段爐對流段蒸汽盤管進(jìn)一步加熱，最終形成高壓過熱蒸汽匯入高壓蒸汽管網(wǎng)。2018年3月，富島一期成功對03E001和03E002進(jìn)行更新改造，兩臺設(shè)備的主要參數(shù)見表1。

表1 高壓廢熱鍋爐03E001、高壓蒸汽預(yù)熱器03E002設(shè)計(jì)參數(shù)

1 存在問題

1.1 給水系統(tǒng)跑酸

1）跑酸事故的發(fā)生。來自公用工程裝置的脫鹽水進(jìn)入合成裝置，經(jīng)過兩級換熱后升溫至120℃進(jìn)入脫氧槽，經(jīng)熱力除氧和化學(xué)除氧，并在脫氧槽出口加入氨水調(diào)節(jié)pH值至9.0～10.3后作為鍋爐給水。2001年1月和2002年5月，因公用工程脫鹽水裝置集散控制系統(tǒng)不完善，引起排放出口閥故障，含有鹽酸的再生液殘液進(jìn)入脫鹽水儲罐內(nèi)，使送至合成裝置的脫鹽水pH≤4，呈明顯的酸性。2009年5月，從二氧化碳壓縮機(jī)一段分離器來的酸性冷凝液串入到合成脫鹽水總管中，鍋爐給水pH值由8.6逐漸下降到4.97，鍋爐給水跑酸。

2）跑酸事故的影響。經(jīng)過化學(xué)清洗且工況正常的情況下，在設(shè)備表面都有一層帶磁性的致密Fe3O4氧化膜，對金屬有良好的保護(hù)作用，只有當(dāng)Fe3O4氧化膜發(fā)生破壞設(shè)備才會被腐蝕；而使該氧化膜發(fā)生破壞的一個(gè)重要因素就是給水的pH值過高或過低，pH=10左右腐蝕率最小，pH＞13或者pH＜8都會加速腐蝕的發(fā)生。延性腐蝕原理顯示，當(dāng)金屬表面有附著物時(shí)導(dǎo)熱性下降，工藝氣的熱量無法被鍋爐水迅速帶走，導(dǎo)致附著物處金屬溫度急劇升高，使鍋爐水急劇濃縮，酸堿濃度升高，當(dāng)鍋爐給水中混入氯離子時(shí)便容易發(fā)生酸腐蝕。脫鹽水系統(tǒng)3次跑酸，pH值都降至5以下，破壞了Fe3O4氧化膜，特別是公用工程脫鹽水系統(tǒng)兩次跑酸中混入氯離子，且并沒有立即采取停車并重新進(jìn)行化學(xué)清洗的方式進(jìn)行置換和修復(fù)，而工藝氣溫度高達(dá)900℃，也加速了廢熱鍋爐列管腐蝕的發(fā)生。

1.2 設(shè)備問題凸顯

03E001長期在高溫、高氫、高氮含量環(huán)境下運(yùn)行，隨著設(shè)備腐蝕和運(yùn)行年限增加，材質(zhì)出現(xiàn)老化和裂化，兩次出現(xiàn)爆管事故，設(shè)備運(yùn)行安全性和經(jīng)濟(jì)性大幅下降，見表2。

03E002換熱管（U形）管束為全封閉結(jié)構(gòu)，管口在管板上的分布無規(guī)律可循，檢修難度大。該設(shè)備曾兩次出現(xiàn)爆管，造成全系統(tǒng)停車共12天。設(shè)備存在材質(zhì)老化、主要部件腐蝕減薄、爆管風(fēng)險(xiǎn)不可控的問題，見表3。

表2 廢熱鍋爐03E001存在的問題

表3 蒸汽預(yù)熱器03E002存在的問題

1.3 蒸汽產(chǎn)量下降

03E001設(shè)計(jì)蒸汽產(chǎn)量占整個(gè)工藝氣余熱回收系統(tǒng)總產(chǎn)汽量的56%，因堵管10根，造成的蒸汽產(chǎn)量損失約4t/h。此外，03E001前系統(tǒng)存在3爐催化劑和大量耐火襯里，其中含有的SiO2在高溫下被氣化流失，當(dāng)溫度降低后會重新凝結(jié)附在換熱管內(nèi)壁上，從而引起換熱效率降低。近10年工藝氣余熱回收系統(tǒng)產(chǎn)汽量由133t/h下降至118t/h，無法滿足系統(tǒng)對蒸汽的需求，只能外購蒸汽，導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加。因03E001換熱能力下降，工藝氣熱量后移，使得裝置存在出口工藝氣管道超溫、一段爐對流段盤管溫度偏高等問題。2017年8月，隨著蒸汽產(chǎn)量下降，位于一段爐對流段的工藝氣和蒸汽兩組盤管回收熱量不足，導(dǎo)致鍋爐給水盤管溫度高于設(shè)計(jì)值30℃，裝置只能限產(chǎn)。

03E002換熱能力下降。前系統(tǒng)催化劑粉塵、工藝雜質(zhì)、耐火材料進(jìn)入到管束外壁，沉積在U形管底部且無法清理，導(dǎo)致?lián)Q熱能力下降，換熱后的出口蒸汽溫度較設(shè)計(jì)值偏低50℃。換熱能力下降使得出口工藝氣溫度升高，影響高變爐催化劑使用壽命。

2 技改思路與實(shí)施

2.1 技改方案選擇

2.1.1 03E001技術(shù)選擇

03E001采用德國BORSIG的加強(qiáng)型薄管板結(jié)構(gòu)以及氣側(cè)旁通閥專利技術(shù)（圖2）。該結(jié)構(gòu)好處在于，操作時(shí)管板受到管子膨脹和廢熱鍋爐的壓力引起的外力可以通過指狀加強(qiáng)桿傳到加強(qiáng)板上，然后傳遞給殼體。這樣當(dāng)管子膨脹時(shí)殼體也跟著伸長，并使管板基本上不變形。由于使用薄管板，管板的溫度接近于水溫，使管板表面溫度低于材質(zhì)的氮化溫度。采用該技術(shù)的鍋爐結(jié)構(gòu)復(fù)雜，國內(nèi)尚未掌握，無法制造，也不能對該結(jié)構(gòu)的廢鍋采用現(xiàn)場換管、換管板的方式進(jìn)行維修，因此本次改造繼續(xù)選擇BORSIG生產(chǎn)制造。

圖2 BROSIG公司加強(qiáng)薄管板專利技術(shù)

03E001位于工藝氣余熱回收系統(tǒng)7臺設(shè)備的中心位置，焊口最多，施工難度最大。改造主要有兩種方案（表4）。經(jīng)過評估對比優(yōu)缺點(diǎn)，最終選擇了方案（一）作為改造方向。

表4 03E001更換方案對比

2.1.2 03E002技術(shù)選擇

03E002與一臺汽包、兩臺給水預(yù)熱器、三臺廢熱鍋爐一起組成了工藝氣余熱回收系統(tǒng)，均由BROSIG整體設(shè)計(jì)制造。由于專有技術(shù)的原因，圖紙資料有限，在國內(nèi)還沒有專業(yè)制造公司掌握該技術(shù)，無法采用現(xiàn)場更換管束及中心管的方法維修，因此本次改造選擇BROSIG生產(chǎn)制造。

由于現(xiàn)場空間非常狹小，需將03E002吊裝后才能騰出03E001平移與吊裝的空間。改造主要有兩種方案（表5）。從合規(guī)性及檢修質(zhì)量方面考慮，最終選擇了方案（一）作為改造方向。

表5 03E002更換方案對比

2.2 方案實(shí)施

1）施工步驟。專用鋼結(jié)構(gòu)固定汽包→支撐二段爐，切割03E001、03E002連接煙道管線→切割03E002工藝氣、蒸汽管線及周圍其他設(shè)備有阻礙吊裝的管線→吊裝03E002→切割03E001高溫側(cè)→制作專用移動平臺移出03E001→吊出03E001→吊裝03E001新設(shè)備并移動就位→吊裝03E002新設(shè)備固定就位→找正、焊接、消氫、RT、熱處理、筑爐、電加熱烘爐、加鋼襯套→鋼結(jié)構(gòu)復(fù)位→設(shè)備保溫、拆除架子，施工耗時(shí)40天。

2）化學(xué)清洗。主要步驟有：水沖洗試漏、堿洗、堿洗后水沖洗、酸洗、酸洗后水沖洗、漂洗、鈍化、人工檢查清洗、充氮保護(hù)。清洗耗時(shí)3.5天，測得碳鋼試片酸洗腐蝕率為4.9g/(m2·h)，總腐蝕量為61.38g/m2，符合標(biāo)準(zhǔn)要求，清洗后檢查鈍化膜良好。

3）爆破吹掃。03E002只有在裝置開車接近正常時(shí)才有高壓蒸汽，而此時(shí)無法將設(shè)備單獨(dú)隔離，03E002不具備蒸汽吹掃的條件。本次采用空氣吹掃的方式，以汽包作為儲氣罐，在03E002蒸汽管出口焊接臨時(shí)閥門，充壓至0.5MPa(G)后進(jìn)行爆破吹掃。

4）水壓試驗(yàn)。由于工藝余熱回收裝置的7臺設(shè)備作為一個(gè)整體，彼此之間沒有閥門或盲板進(jìn)行隔離，水壓試驗(yàn)只能將所有設(shè)備涵蓋在內(nèi)?？紤]到鍋爐水系統(tǒng)曾幾次發(fā)生跑酸，歷年大修檢測顯示其他舊設(shè)備也存在一定程度的缺陷，加上03E001及03E002設(shè)備出廠前都進(jìn)行過水壓試驗(yàn)，因此本次不再進(jìn)行安裝后的水壓試驗(yàn)，但所有焊口都要經(jīng)過RT射線檢測判定合格。

5）耐火材料。切割過程中將耐火材料打掉，設(shè)備焊接完成后需要在現(xiàn)場重新修復(fù)耐火材料。廢熱鍋爐工藝氣溫度高達(dá)940℃，且工藝氣中含有大量的還原性氣體，所以對耐火材料的要求是非常嚴(yán)格的。一般來說，耐火材料中的SiO2和Fe2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別不能超過0.5%和0.4%，以防止因SiO2氣化流失和Fe2O3反應(yīng)流失，造成耐火襯里疏松形成空洞而失效。廢鍋耐火襯里由隔熱層和工作層組成，用抓釘進(jìn)行固定，其中隔熱層選用保溫性能好的LWI-20#材料，工作層選用抗沖刷腐蝕性能好的PLICAST#40KK材料。

6）升溫烘爐。耐火材料養(yǎng)護(hù)和烘爐不當(dāng)常常是造成耐火襯里失效的原因。養(yǎng)護(hù)和烘爐時(shí)間不足，會造成耐火襯里強(qiáng)度不足，開車后易出現(xiàn)裂紋等質(zhì)量問題。烘爐溫度控制過低會明顯影響耐火襯里的強(qiáng)度趨勢，溫度控制過高會影響耐火襯里的凝結(jié)硬化和常溫強(qiáng)度。本次烘爐分為電加熱烘爐和開車烘爐兩部分，電加熱烘爐72h以上，然后在開車中隨著一段爐、二段爐等轉(zhuǎn)化系統(tǒng)一起升溫。從室溫不大于20℃/h的速度升溫至250℃并恒溫24h，再以不大于20℃/h的速度升溫至600℃并恒溫24h，最后轉(zhuǎn)入正常開車階段，開車烘爐耗時(shí)約3天。

2.3 改造難點(diǎn)

1）移動汽包改為固定汽包。03E001與汽包相連的共有4條上升管和6條下降管。最初的方案是將汽包頂起，騰出03E001平移的空間。該方案焊口少，但施工難度較大，而且汽包移位時(shí)間太長可能會引起與汽包相連的其他設(shè)備管線的應(yīng)力發(fā)生變化，存在一定風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)過評估后，方案修改為將汽包固定，在4條上升管上分別多切1道焊口，并采取同時(shí)焊接的方式減小應(yīng)力。新方案雖然多增加4道焊口，施工時(shí)間有所延長，但降低了設(shè)備平移和對中的難度，更為穩(wěn)健。

2）設(shè)備找正與焊接。設(shè)備整體吊裝到位后，考慮到熱應(yīng)力的影響，焊接順序是：焊高溫側(cè)管箱焊口→再焊接03E001上升管→焊接03E001下降管→03E002管道焊接→焊接03E001/連接煙道管。03E001找正時(shí)高溫側(cè)入口管箱焊縫需預(yù)留3mm的間隙，同時(shí)新03E001和上升管端下部焊口處形成一個(gè)3mm的偏離。在高溫側(cè)管箱與新03E001的焊縫在焊接之后，會因?yàn)槔鋮s而收縮，進(jìn)而保證新03E001與上升管正確對中。所有焊口都要經(jīng)過焊接工藝評定PQR，嚴(yán)格控制焊口的焊接、消氫、RT檢測和熱處理過程。

3）吊耳整改。原設(shè)計(jì)中03E002沒有吊耳，無法吊裝。在原有進(jìn)出口蒸汽管線上用十字支撐加強(qiáng)管線并用盲板封堵，臨時(shí)改造為吊耳。因03E002進(jìn)出口管徑相差83mm，使用鋼管加筋焊接在進(jìn)口管底部，使進(jìn)出口底部平齊。

2.4 設(shè)備優(yōu)化

經(jīng)過20年的運(yùn)行，無論是在工藝操作或是設(shè)備檢修方面均積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。本次更新改造，兩臺設(shè)備都進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化改進(jìn)，見表6。

表6 03E001、03E002設(shè)備升級優(yōu)化改造表

2.5 數(shù)據(jù)對比與評估

表7 改造前后參數(shù)對比

新設(shè)備投入運(yùn)行后，由于設(shè)備性能恢復(fù)，二段爐出口工藝溫度可以提高20℃控制，帶來的好處一方面是蒸汽產(chǎn)量的上漲，另一方面是二段甲烷轉(zhuǎn)化率升高，改造前后關(guān)鍵參數(shù)的變化見表7。性能考核結(jié)果顯示，設(shè)備更新后蒸汽產(chǎn)量至少增加10t/h，不僅增加了蒸汽管網(wǎng)的操作彈性，而且不再需要從外部引入蒸汽就能維持蒸汽平衡。蒸汽產(chǎn)量增加后，相當(dāng)于降低的輔助鍋爐10%的負(fù)荷，可節(jié)省燃料氣750m3/h，年節(jié)約外購蒸汽和燃料天然氣費(fèi)用約1100萬元。溫度提高后，二段爐轉(zhuǎn)化出口殘余甲烷含量由1.05%下降至0.78%，相當(dāng)于每天增產(chǎn)尿素47t，理論年可增加效益3107萬元。

3 結(jié)論

廢熱鍋爐03E001和蒸汽預(yù)熱器03E002均為高溫高壓設(shè)備，運(yùn)行工況惡劣，且兩臺設(shè)備位于7臺余熱回收設(shè)備的中心位置，改造焊口多達(dá)41道，施工難度極大，所以技改采用了BORSIG的專利技術(shù)，并滿足了生產(chǎn)要求。富島一期從選定技術(shù)路線、縮小改造范圍、攻克施工難點(diǎn)、推進(jìn)方案實(shí)施、設(shè)備升級優(yōu)化到最終一次開車成功共耗時(shí)兩年多的時(shí)間，該過程中出現(xiàn)很多困難但都逐一解決，非常具有借鑒意義。設(shè)備投入運(yùn)行至今工況良好，解決了裝置瓶頸問題，已實(shí)現(xiàn)兩個(gè)100天以上的長周期運(yùn)行，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。