莫玉禮（茂名瑞派石化工程有限公司（原茂名石化設(shè)計(jì)院），廣東茂名525000）

1 案例

某企業(yè)遇上瀝青銷售旺季，需在原有的加工能力的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高原油加工量以滿足客戶訂單需求。其中的一套常減壓蒸餾裝置的提量操作造成加熱爐負(fù)荷增加的同時(shí)，過熱蒸汽溫度迅速增大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了工藝安全指標(biāo)。因過熱蒸汽溫度較高，整個(gè)廠區(qū)能使用過熱蒸汽的場(chǎng)合較少，以及直接放空排放部分過熱蒸汽造會(huì)成能源浪費(fèi)，為確保加熱爐的過熱蒸汽管道系統(tǒng)處于安全狀態(tài)，該廠技術(shù)高管提出在過熱蒸汽進(jìn)爐前入口管線上增加注水，通過注水來迅速控制過熱蒸汽升溫過快及超溫問題。該注水系統(tǒng)投用后，常造成過熱蒸汽溫度、壓力波動(dòng)幅度過大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成加熱爐火咀熄火，并且加熱爐霧化蒸汽噴咀頻繁堵塞，致使切換燃燒器及清理火咀的工作更加頻繁。更嚴(yán)重的問題是，最終引起了爐前霧化蒸汽管線和塔底吹汽管線的嚴(yán)重堵塞。

圖1 原過熱蒸汽注水方案示意簡(jiǎn)圖

本文就該加熱爐過熱蒸汽設(shè)置注水系統(tǒng)存在的若干現(xiàn)象與問題的進(jìn)行分析研究。

2 問題與分析

針對(duì)上述案例的幾個(gè)現(xiàn)象，經(jīng)過對(duì)該過熱蒸汽系統(tǒng)和注水系統(tǒng)關(guān)鍵部位進(jìn)行排查，并對(duì)該注水系統(tǒng)的全套設(shè)計(jì)方案以及應(yīng)用的原理進(jìn)行分析研究，發(fā)現(xiàn)該加熱爐過熱蒸汽設(shè)置注水系統(tǒng)存在若干問題。其中最主要的問題為加鹽除垢原理的錯(cuò)誤應(yīng)用和注水量控制不嚴(yán)兩個(gè)方面。圖1是原過熱蒸汽注水方案示意簡(jiǎn)圖。

2.1 加鹽除垢原理的錯(cuò)誤應(yīng)用，導(dǎo)致蒸汽管線積聚鹽垢，造成蒸汽管線堵塞

圖2 過蒸汽注鹽水分析簡(jiǎn)圖

先分析一下該注水系統(tǒng)存在原理應(yīng)用方面存在的問題。該注水系統(tǒng)參照循環(huán)水中加藥除菌除垢原理，在注水中加入除垢鹽，并未經(jīng)脫鹽純化處理，直接注入加熱過熱蒸汽系統(tǒng)中。如圖2過蒸汽注鹽水分析簡(jiǎn)圖所示，注水進(jìn)入過熱蒸汽系統(tǒng)后可能發(fā)生兩種工況：完全汽化和部分汽化。

注水加鹽后未經(jīng)脫鹽純化處理，注水實(shí)質(zhì)為溶液狀態(tài)。由蒸發(fā)原理可知，該注水完全汽化后，鹽垢晶體會(huì)完全析出，在管線內(nèi)表面非光滑處和結(jié)構(gòu)突變處積聚、長(zhǎng)大，造成管線堵塞。

注水加鹽未經(jīng)脫鹽純化處理，部分汽化后，蒸汽管線內(nèi)的介質(zhì)為蒸汽帶水溶液，即是汽液共存狀態(tài)，好會(huì)有部分鹽垢晶體析出。該工況將產(chǎn)生多方面嚴(yán)重影響。首先，析出的鹽垢晶體，會(huì)造成管線堵塞；其次，蒸汽嚴(yán)重帶水，進(jìn)入加熱爐火霧化蒸汽和吹掃蒸汽管線，會(huì)造成加熱爐火咀熄火。再次，該工況會(huì)造成蒸汽溫度過低，從而影響其他一系列生產(chǎn)操作。

經(jīng)過對(duì)上述兩種工況的分析可知，管線堵塞的根源，就在于注水加鹽后未經(jīng)脫鹽純化處理，直接進(jìn)入過熱蒸汽系統(tǒng)汽化后析出鹽垢晶體，最終導(dǎo)致管線堵塞，如圖3管線堵塞分析簡(jiǎn)圖所示。

圖3 管線堵塞分析簡(jiǎn)圖

對(duì)比一下循環(huán)水加鹽除菌除垢原理，循環(huán)水加鹽除菌除垢原理相對(duì)簡(jiǎn)單，見圖4循環(huán)水加鹽除菌、除垢原理簡(jiǎn)圖所示，加鹽前后，循環(huán)水的操作工況都為液態(tài)，沒有實(shí)質(zhì)性變化。且循環(huán)水溫度一般控制在25～50℃之間，循環(huán)使用，揮發(fā)量較小，所以加藥除菌除垢，能使循環(huán)水管線保持暢通。

圖4 循環(huán)水加鹽除菌、除垢原理簡(jiǎn)圖

過熱蒸汽注水與循環(huán)水加鹽除菌除垢原理的情況不同，往水里添加除垢劑，實(shí)際上是將鹽溶解在水中形成了水溶液。注水最終被汽化成水蒸汽，而鹽分則析出并堆積在管內(nèi)，造成管線堵塞。所以過熱蒸汽注水不能簡(jiǎn)單地直接套用循環(huán)水加鹽除菌除垢原理。

2.2 使用普通手控閘閥，無法精確控制注水量，造成過熱蒸汽溫度、壓力波動(dòng)幅度較大

該注水系統(tǒng)的閥門采用了普通手動(dòng)操作閘閥閥門。手動(dòng)操作閘閥閥門對(duì)實(shí)際注水流量以及閥門開度都不能精確控制，以致對(duì)注水流量不能滿足實(shí)際需求。當(dāng)注水量過大時(shí)，使過熱蒸汽降溫過快，部分注水還沒來得及汽化，所以會(huì)造爐前霧化蒸汽帶水，因而造成加熱爐火咀熄火。而且手動(dòng)操作閘閥閥門的反應(yīng)又遠(yuǎn)落后于工藝及加工量調(diào)整時(shí)引起的加熱爐負(fù)荷的波動(dòng)，因此加劇了過熱蒸汽溫度、壓力的波動(dòng)幅度。

有關(guān)注水量對(duì)過熱蒸汽壓力的影響，可以通過如下的簡(jiǎn)例子來分析：

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程pV=nRT（其中p 是壓強(qiáng)，V 是體積，n 是物質(zhì)的量，R 是氣體常數(shù)，T 是熱力學(xué)溫度）可得如下關(guān)系：

在標(biāo)準(zhǔn)狀況（STP）t=0℃(273K)、p=1.01×105Pa下，氣體摩爾體積為22.4L/mol。（當(dāng)溫度升高100℃，壓力增加1.5倍時(shí)，即P2=2.5P1時(shí)，氣體摩爾體積為12.24L/mol。）

在0℃、1.01×105Pa下，1L水的物質(zhì)的量：

經(jīng)過以上數(shù)據(jù)計(jì)算可以知道，1體積的水在100℃時(shí)常壓汽化后體積比原來增加1200 多倍。當(dāng)壓力增加1.5 倍，1 體積的水在100℃汽化后體積比原來增加600多倍。從這兩組計(jì)算數(shù)據(jù)可以看出，注水量對(duì)過熱蒸汽的溫度、壓力產(chǎn)生重大影響。

2.3 問題的解決方法與途徑

針對(duì)上述分析的兩大方面的問題，可以從增加過注水脫鹽純化工藝和采用自動(dòng)計(jì)量閥兩個(gè)方向來解決過熱蒸汽注水的主要問題。

在注水進(jìn)入加熱爐過熱蒸汽系統(tǒng)前增加脫鹽純化預(yù)處理工藝，例如混凝、過濾、吸附、軟化等工藝，去除注水中的懸浮物、微生物、膠體、有機(jī)物、重金屬和游離狀態(tài)的余氯等，以減少注在過熱蒸汽系統(tǒng)內(nèi)汽化后析出鹽垢晶體。

對(duì)流水注水量的控制，可以通過增加自動(dòng)計(jì)量閥，引用DCS自動(dòng)控制系統(tǒng)來對(duì)注水量進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)控與控制，從而減少過熱蒸汽的溫度、壓力頻繁過大幅度的波動(dòng)。

3 結(jié)語(yǔ)

加熱爐對(duì)流段過熱蒸汽增加注水是一個(gè)值得研究的課題，其優(yōu)點(diǎn)有：可以減少鍋爐房為生產(chǎn)裝置提供系統(tǒng)蒸汽的負(fù)荷；在擴(kuò)大生產(chǎn)裝置產(chǎn)能的同時(shí)能有充分利用加熱爐煙氣熱量，提高加熱爐能效，減少能損。加熱爐對(duì)流段過熱蒸汽增加注水，操作工況比較復(fù)雜，不能簡(jiǎn)單在照搬循環(huán)水加鹽除菌除垢的原理，應(yīng)該對(duì)過熱蒸汽增加注水可能產(chǎn)生的工況和可能現(xiàn)的問題進(jìn)行具體分析研究，進(jìn)而采取適合可行的方案。