黃圣，錢恒昌

（中國(guó)石化揚(yáng)子石油化工有限公司芳烴廠，南京210047）

揚(yáng)子石化芳烴廠合成氣車間一氧化碳裝置是以天然氣為原料，通過水蒸汽轉(zhuǎn)化、MDEA脫碳、深冷分離等工藝生產(chǎn)高純CO、H2及1∶1配比的羰基合成氣（OXO）。裝置采用AP設(shè)計(jì)的冷箱進(jìn)行深冷分離，在開車階段冷箱需要經(jīng)過干燥、預(yù)冷、升壓、進(jìn)料積液、建立甲烷循環(huán)等多個(gè)操作階段，期間產(chǎn)出的中間產(chǎn)物及不合格產(chǎn)品等均進(jìn)入火炬系統(tǒng)，造成較大的經(jīng)濟(jì)損耗。

通過對(duì)冷箱制冷原理、換熱方式等的整理分析，并利用裝置多次開停車機(jī)會(huì)對(duì)操作方法進(jìn)行驗(yàn)證，摸索出一整套冷箱進(jìn)料積液的操作技術(shù)，能夠在不同工況下將冷箱開車積液階段耗時(shí)從28 h縮短為16 h，節(jié)能減排，提升經(jīng)濟(jì)效益85萬(wàn)元。

1 冷箱積液流程簡(jiǎn)介

冷箱進(jìn)料積液階段流程（見圖1）與正常生產(chǎn)時(shí)基本相同，不同點(diǎn)主要是：1）未建立起從精餾塔DA603底部去洗滌塔DA601上部的甲烷洗滌流程；2）在壓縮機(jī)GB751入口處補(bǔ)入了開車階段用于循環(huán)及制冷的N2；3）在脫氣塔DA604塔頂分液罐FA607中注入液氮以提供附加的冷量。

約10℃的2.80 MPa粗合成氣進(jìn)入冷箱，經(jīng)過主熱換熱器EA601和主冷換熱器EA602降溫后，首先在分液罐FA601中冷凝積液。未冷凝的粗合成氣大部分進(jìn)入洗滌塔DA601中，其中少部分在塔中冷凝積液，絕大部分從塔頂?shù)漠a(chǎn)品線放火炬。分液罐FA601中少量未冷凝的粗合成氣和部分凝液在分液罐FA602中混合后，經(jīng)過主冷換熱器EA602后進(jìn)入精餾塔DA605中，少部分在塔中冷凝積液，絕大部分通過塔頂產(chǎn)品線放火炬。當(dāng)FA601、DA605、DA601中有足夠的液位后，開始向脫氣塔DA602引料積液。

經(jīng)過主冷換熱器EA602加熱后的前段凝液在脫氣塔DA602中快速降壓至0.60 MPa，不凝氣從塔頂作為吹掃氣送出冷箱，凝液逐步在脫氣塔DA602塔釜積聚。當(dāng)DA602中有足夠液位后，則繼續(xù)向脫氣塔DA604引料積液。

脫氣塔DA604控制壓力在0.40 MPa左右。在脫氣塔DA604塔頂分液罐FA607持續(xù)注入液氮，將冷量留在DA604中，氣化的N2則作為吹掃氣送出冷箱。在經(jīng)過主冷換熱器EA602降溫后的脫氣塔DA602凝液進(jìn)入DA604中繼續(xù)冷凝，并在DA604中快速積液。當(dāng)脫氣塔DA604液位持續(xù)上升時(shí)，開始向精餾塔DA603中進(jìn)料積液。

DA603在積液階段一般控制壓力在0.15 MPa左右。DA603的進(jìn)料分為兩路，其中一路作為冷流股進(jìn)料，直接進(jìn)入塔的中上部；另一路要經(jīng)過主冷換熱器EA602加熱后進(jìn)入塔的中下部。同時(shí)塔的中下部側(cè)線采一股量作為吹掃氣送出冷箱。

精餾塔DA603塔頂產(chǎn)出的以CO為主、回流循環(huán)N2為輔的低壓混合氣，經(jīng)過多個(gè)換熱器加熱后以25℃常溫出冷箱至壓縮機(jī)GB751入口，并與壓縮機(jī)入口的補(bǔ)充N2混合后，在壓縮機(jī)中分別被加壓至0.80 MPa和2.80 MPa后送至冷箱膨脹機(jī)GP601及各節(jié)流膨脹閥中產(chǎn)生冷量，循環(huán)使用。

圖1 冷箱進(jìn)料積液階段工藝流程

2 遇到的問題和難點(diǎn)

2.1 沒有完善的操作規(guī)程，積液操作時(shí)間長(zhǎng)

裝置自2010年投產(chǎn)運(yùn)行以來(lái)，冷箱及壓縮機(jī)GB751的操作一直都是整套工藝的“黑匣子”，在工藝包中沒有任何指導(dǎo)性操作描述，也沒有實(shí)際的操作規(guī)程。工藝及崗位人員對(duì)冷箱的理解和操作都只能通過自己的慢慢摸索，從一次次開停車中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)和方法，逐步形成多套個(gè)人或班組的經(jīng)驗(yàn)操作方式。

同時(shí)因裝置每次開車工況的變化，界外公用氮、高壓蒸汽、中壓蒸汽用量的限制等，冷箱每次開車期間的進(jìn)料工況均有差別，在很長(zhǎng)一段時(shí)間都沒有整理出一套統(tǒng)一的、標(biāo)準(zhǔn)的操作方式。當(dāng)冷箱開車期間遇到一些突發(fā)的設(shè)備、工藝、電氣儀表等異常情況時(shí)，既定的開車網(wǎng)絡(luò)時(shí)間無(wú)法準(zhǔn)時(shí)完成，冷箱開車時(shí)間延長(zhǎng)。

2.2 開車積液階段物料流量及組成差異

1）粗合成氣進(jìn)料流量不同

在冷箱開車階段，裝置熱區(qū)負(fù)荷在75%左右，且沒有界外CO2的配入，進(jìn)料量81 000 m3/h左右，與正常生產(chǎn)時(shí)近90 000 m3/h的進(jìn)料相比相差較大。因此給冷箱中的物料平衡帶來(lái)影響，無(wú)法以日常的經(jīng)驗(yàn)值為參考，需要在開車階段重新尋找物料平衡點(diǎn)。

2）粗合成氣進(jìn)料組成不同

裝置前段轉(zhuǎn)化爐進(jìn)行的主要反應(yīng)見式（1）～（3）。在負(fù)荷較低時(shí)，反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率因溫度低于正常負(fù)荷下爐溫而略有降低。同時(shí)由于缺少了界外CO2的配入，使得轉(zhuǎn)化爐的反應(yīng)不能向生成更多CO的方向偏移。因此造成了進(jìn)入冷箱粗合成氣組成的進(jìn)一步變化。

表1為冷箱進(jìn)料積液階段與正常生產(chǎn)階段冷箱入口粗合成氣組成對(duì)比。由表1可知，甲烷組分的增加將必然使冷箱向熱的方向偏移，需要消耗更多的冷量；而CO組分的減少，也將對(duì)冷箱冷量的產(chǎn)生造成不利影響，需要額外提供更多冷量才能夠達(dá)到一個(gè)新的冷熱平衡點(diǎn)。

表1 冷箱進(jìn)料組成對(duì)比

3）循環(huán)制冷線中CO組分不純

CO與N2雖然分子量相同，但性質(zhì)完全不同。正常生產(chǎn)時(shí)，壓縮機(jī)GB751增壓后送入冷箱循環(huán)制冷介質(zhì)為純CO；冷箱開車預(yù)冷階段及進(jìn)料積液至DA603之前的階段，循環(huán)制冷線中的介質(zhì)為純N2；而當(dāng)精餾塔DA603進(jìn)料后，純N2逐步被DA603塔頂產(chǎn)出的CO置換。同一管線中不同的介質(zhì)，使得冷箱膨脹機(jī)GP601及節(jié)流膨脹閥FV642/FV633/FV623的制冷效果差異較大。尤其是在CO替換N2過程中，冷箱的冷熱變化波動(dòng)極為劇烈，需要通過手動(dòng)快速調(diào)整才能避免冷箱局部過冷、過熱。

2.3 在積液過程中遇到的異常情況

1）CO出冷箱管線溫度過低

在冷箱引料初期，由于粗合成氣進(jìn)料較少，冷箱處于過冷狀態(tài)，主熱換熱器中低壓CO去GB751管線的介質(zhì)溫度快速下降，接近聯(lián)鎖溫度值。如不能及時(shí)控制好粗合成氣進(jìn)料與冷箱冷量的平衡，極易造成冷箱溫度低聯(lián)鎖，影響冷箱開車進(jìn)度。

2）脫氣塔DA602超壓起跳

在脫氣塔DA602引料積液時(shí)，來(lái)自分液罐FA601和洗滌塔DA601的高壓凝液（約2.80 MPa）在脫氣塔DA602中快速閃蒸降壓至0.60 MPa，從而脫除其中的絕大部分氫氣。當(dāng)引入的液相過多時(shí)，DA602壓力超高導(dǎo)致塔頂?shù)某瑝罕Ｗo(hù)切斷閥高壓起跳，當(dāng)壓力回落后自動(dòng)關(guān)閉。超壓保護(hù)閥的起跳，使得在冷箱中積聚的冷量直接大量損失，冷箱變熱，必須重新積聚冷量，拖延了冷箱的開車進(jìn)度。

3）壓縮機(jī)GB751入口壓力大幅波動(dòng)

當(dāng)冷箱引料至精餾塔DA603并開始有液時(shí)，精餾塔塔頂溫度趨向于正常生產(chǎn)時(shí)的-180℃，此時(shí)進(jìn)入DA603的CH4全部冷凝至塔釜。當(dāng)冷箱溫度波動(dòng)變熱時(shí)，由于精餾塔DA603處于低溫低壓狀態(tài)，受影響最為明顯。精餾塔DA603的過熱，造成液相CH4上騰，在壓縮機(jī)GB751入口處快速氣化，壓縮機(jī)入口壓力劇烈波動(dòng)，如不能手動(dòng)快速調(diào)整壓縮機(jī)GB751入口放火炬閥的開度，極易造成GB751入口壓力高/低聯(lián)鎖。壓縮機(jī)一旦聯(lián)鎖，則冷箱同步聯(lián)鎖，需要花費(fèi)成倍時(shí)間恢復(fù)正常。

3 技術(shù)攻關(guān)及改進(jìn)措施

3.1 完善理論架構(gòu)，明確關(guān)鍵因素

1）明確積液期間的主要制冷方式

在正常生產(chǎn)工況下，冷箱的制冷方式為節(jié)流閥的節(jié)流膨脹制冷和膨脹機(jī)的絕熱膨脹制冷。而在開車積液階段，冷箱的冷量來(lái)源主要有液氮罐的補(bǔ)充注冷和膨脹機(jī)滿載下的絕熱膨脹制冷[1]。由于流程的不連貫性，同時(shí)冷箱中各節(jié)流閥的開度均為初始開度，工況及介質(zhì)不能形成穩(wěn)態(tài)，節(jié)流膨脹制冷不作為主要冷量來(lái)源。

2）明確積液操作的最根本思路

冷箱的引料積液，從根本上說(shuō)就是將預(yù)冷到接近正常生產(chǎn)工況下的冷箱，按照流程分步驟逐個(gè)將各塔罐繼續(xù)降溫至正常生產(chǎn)工況的一個(gè)操作過程。這個(gè)過程同時(shí)也是一個(gè)需要慢慢等待的過程，各塔罐積液等待時(shí)間的長(zhǎng)短與其壓力及體積正相關(guān)[2]。

在正常情況下，當(dāng)冷箱從預(yù)冷狀態(tài)轉(zhuǎn)為引料積液時(shí)，注液氮閥門全開，同時(shí)膨脹機(jī)加至滿載，最大限度給冷箱提供冷量來(lái)源。當(dāng)冷箱開始趨向過冷時(shí)，則逐步引入粗合成氣作為熱源，在中和冷箱中產(chǎn)生過量冷量的同時(shí)，將粗合成氣逐步引入冷箱并維持一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡。

3）明確冷箱積液的最關(guān)鍵指標(biāo)

冷箱的積液是一個(gè)由氣相變?yōu)橐合嗟倪^程，只有當(dāng)各塔罐的溫度低于組分的氣化溫度才會(huì)有液冷凝，這其中最需要關(guān)注的組分是CO、甲烷以及N2。當(dāng)混合氣體中CO與甲烷組分能夠快速冷凝、N2組分在低壓能夠快速氣化時(shí)，就可以極大的提高冷箱整體積液的速率和效果[3]。表2為三組分在不同壓力下的氣化溫度。

表2 CO/CH4/N2在不同壓力下的氣化溫度

由表2可知，當(dāng)FA601積液時(shí)，需要控制進(jìn)料溫度低于-150℃，才能保證分液罐長(zhǎng)期穩(wěn)定有液。當(dāng)DA604積液時(shí)，需控制塔溫在-175℃～-180℃，才能讓N2氣化分離的同時(shí)CO組分冷凝。當(dāng)DA603進(jìn)料時(shí)，需控制塔頂溫度不低于-186℃，以免使殘余N2組分液化；同時(shí)控制塔釜溫度不高于-150℃，以免大量液態(tài)甲烷氣化導(dǎo)致壓縮機(jī)GB751波動(dòng)。

3.2 劃分關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，明確關(guān)鍵參數(shù)值

針對(duì)冷箱進(jìn)料積液的幾個(gè)不同操作重點(diǎn)，將整個(gè)積液過程分為：1）FA601/DA601初始積液階段；2）DA605/602/604積液階段；3）DA603積液及GB751調(diào)整階段。

第一階段，通過對(duì)粗合成氣出主冷換熱器EA602的溫度測(cè)點(diǎn)TC601的監(jiān)控，以小幅度引粗合成氣為主，維持TC601溫度低于-150℃，冷箱進(jìn)料上限控制在20 000 m3/h左右。同時(shí)關(guān)注出主熱換熱器EA601的低壓CO去GB751管線溫度。

第二階段，可較大幅度引粗合成氣進(jìn)冷箱，重點(diǎn)需關(guān)注脫氣塔DA602塔壓穩(wěn)定，同時(shí)保持TC601溫度在-180℃左右，并逐步關(guān)小TC601控制閥HV653，做好制冷罐FA605/FA608蓄液準(zhǔn)備。

第三階段，當(dāng)DA603引料后，適當(dāng)提高壓縮機(jī)GB751的入口放空閥PC589設(shè)定值并派專人手動(dòng)控制。冷箱繼續(xù)引料至60 000 m3/h左右，同時(shí)控制好脫氣塔DA604塔壓穩(wěn)定，維持精餾塔DA603進(jìn)料穩(wěn)定，逐步建立溫度梯度。

3.3 編制標(biāo)準(zhǔn)化操作說(shuō)明，精確關(guān)鍵位置點(diǎn)

通過幾次冷箱開車的反復(fù)實(shí)踐驗(yàn)證，整理出一整套相對(duì)優(yōu)化的操作方法，編制了詳細(xì)的表單化冷箱積液開車操作說(shuō)明，將DCS上的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)、關(guān)鍵閥位等一一列出，同時(shí)繪制冷箱現(xiàn)場(chǎng)的閥位圖，便于操作人員現(xiàn)場(chǎng)識(shí)別。

3.4 加強(qiáng)班組培訓(xùn)，確保崗位熟練掌握

制定學(xué)習(xí)計(jì)劃。車間通過安排工藝人員利用副班時(shí)間對(duì)崗位人員進(jìn)行教學(xué)培訓(xùn)并現(xiàn)場(chǎng)答疑，讓?shí)徫蝗藛T能夠切實(shí)理解、完全吃透積液操作的核心和關(guān)鍵。

加強(qiáng)崗位演練。利用車間反事故演練、崗位練兵、上崗考試現(xiàn)場(chǎng)部分等機(jī)會(huì)，加強(qiáng)對(duì)崗位人員尤其是內(nèi)操人員、骨干人員的操作考評(píng)，提高崗位操作的熟練度，加強(qiáng)在實(shí)際情況下判斷及操作的精準(zhǔn)性。

專家指導(dǎo)操作。在冷箱的開車過程中，專家對(duì)當(dāng)班班組進(jìn)行實(shí)際指導(dǎo)，快速提升當(dāng)班班組崗位人員的操作水平。

4 效益及成效

通過對(duì)冷箱開車積液操作的不斷深入研究及優(yōu)化改進(jìn)，明確了冷箱進(jìn)料積液階段的操作順序和操作方式，避免了不必要的冷量損失及換熱器凍堵現(xiàn)象，提高了冷箱開車的平穩(wěn)性，大大縮短了積液時(shí)間，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

1）縮短積液時(shí)間12 h

通過對(duì)冷箱進(jìn)料積液開車操作階段節(jié)點(diǎn)的劃分，操作思路的提煉，有效縮短了各塔罐的積液等待時(shí)間，尤其是對(duì)DA603引料前的積液時(shí)間。通過對(duì)關(guān)鍵溫度點(diǎn)的控制、引料幅度及引料量的把握，使在冷箱引料積液的過程中每一個(gè)塔罐液位的積累都是一次性完成，沒有反復(fù)。同時(shí)也避免了曾經(jīng)因積液時(shí)間過長(zhǎng)而造成的換熱器及管線過冷凍堵。

2）節(jié)能降耗顯著

在冷箱引料積液階段，裝置熱區(qū)一直在75%負(fù)荷平穩(wěn)運(yùn)行，原料天然氣經(jīng)水蒸氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)后產(chǎn)生的粗合成氣在冷箱中深冷分離后通過各產(chǎn)品管線直接放火炬，造成很大浪費(fèi)。同時(shí)冷箱開車階段壓縮機(jī)GB751的循環(huán)N2制冷、液氮罐提供的注液制冷等，也是開車成本。如表3所示，縮短冷箱積液12 h，裝置節(jié)約非正常排放費(fèi)用約85萬(wàn)元。

5 結(jié)論

冷箱開車積液操作的優(yōu)化與改進(jìn)方法是在經(jīng)過裝置多年生產(chǎn)運(yùn)行、不斷汲取生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)的同時(shí)，車間及班組崗位人員不斷進(jìn)行工藝、操作優(yōu)化等的成果總結(jié)，對(duì)同類型裝置的生產(chǎn)有一定的借鑒意義。

表3 冷箱開車積液階段節(jié)約的費(fèi)用統(tǒng)計(jì)

對(duì)于成套引進(jìn)的裝置，特別是首套裝置，需要充分發(fā)揮學(xué)習(xí)的自主能動(dòng)性，從零開始實(shí)踐摸索，打破國(guó)外工藝保護(hù)壁壘，熟悉、掌握工藝?yán)碚摵筒僮鳎拍懿粩噙M(jìn)行技術(shù)攻關(guān)、優(yōu)化生產(chǎn)，在確保裝置平穩(wěn)生產(chǎn)的基礎(chǔ)上創(chuàng)造更好的經(jīng)濟(jì)效益。