程 江

（海洋石油富島有限公司，海南 東方 572600）

0 引 言

海洋石油富島有限公司化肥一期合成氨裝置采用ICI-AMV工藝，以天然氣為原料氣，設(shè)計(jì)合成氨產(chǎn)能為1000t/d；其轉(zhuǎn)化系統(tǒng)主要包括預(yù)轉(zhuǎn)化爐、一段轉(zhuǎn)化爐（一段爐）、二段轉(zhuǎn)化爐（二段爐）等設(shè)備。一期合成氨裝置自1996年10月投產(chǎn)以來，總體運(yùn)行穩(wěn)定、能耗低。

一期合成氨裝置自原始開車以來，在轉(zhuǎn)化系統(tǒng)冷態(tài)開車氮?dú)庋h(huán)升溫的過程中，需將預(yù)轉(zhuǎn)化爐、一段爐、二段爐、高溫變換爐之催化劑床層從常溫預(yù)熱到一定的溫度，以便下一步導(dǎo)入蒸汽（預(yù)轉(zhuǎn)化爐除外）進(jìn)行升溫時(shí)不會產(chǎn)生冷凝水。實(shí)際生產(chǎn)中，轉(zhuǎn)化系統(tǒng)冷態(tài)升溫時(shí)間長，延長了合成氨裝置停車后重啟恢復(fù)生產(chǎn)的時(shí)間，且存在冷態(tài)升溫過程天然氣和精制水消耗大等問題。

1 轉(zhuǎn)化系統(tǒng)氮?dú)庋h(huán)升溫流程簡介

轉(zhuǎn)化系統(tǒng)氮?dú)庋h(huán)升溫動力源為外置氮?dú)鈮嚎s機(jī)，預(yù)轉(zhuǎn)化爐、一段爐、二段爐及變換系統(tǒng)高溫變換爐升溫，稱之為大氮循環(huán)升溫（此為氣頭合成氨企業(yè)的通俗稱謂）；而低溫變換爐升溫單獨(dú)進(jìn)行，在一段爐蒸汽升溫和化工投料前完成，稱之為小氮循環(huán)升溫。由于在串低溫變換爐時(shí)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)已經(jīng)升溫至開車串入溫度，不影響開車進(jìn)度，故轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的冷態(tài)升溫時(shí)間只考慮大氮循環(huán)升溫時(shí)間。大氮循環(huán)升溫所需熱量由一段爐燒嘴提供，小氮循環(huán)升溫所需熱量則由中壓蒸汽換熱器（04-E101）提供。

轉(zhuǎn)化系統(tǒng)氮?dú)庋h(huán)升溫流程如圖1（圖中：MPSTEAM—中壓蒸汽；NGLINE—混合原料氣；WCS—循環(huán)冷卻水上水；WCR—循環(huán)冷卻水回水；START-UPH2——還原用氫氣）。離開氮?dú)鈮嚎s機(jī)（04-K101）的氮?dú)?，從工藝天然氣和蒸汽的混配站進(jìn)入轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，經(jīng)混合氣盤管（03-B002E01A）進(jìn)入預(yù)轉(zhuǎn)化爐（03A-R001），然后進(jìn)入混合氣盤管（03-B002E01B），再進(jìn)入一段爐（03-B001）；一段爐為側(cè)燒爐，由燒嘴燃燒外熱法加熱轉(zhuǎn)化管，從而對流通的氮?dú)膺M(jìn)行加熱，設(shè)置有進(jìn)口溫度（TR03012）和出口溫度（TC03020）作為控制參數(shù)。離開一段爐的氮?dú)庖来谓?jīng)過二段爐 （03-R001）、第一廢鍋 （03-E001）、高壓蒸汽預(yù)熱器（03-E002）、高壓蒸汽第一預(yù)熱器 （03A-E003）、高溫變換爐 （04-R001）、第二廢鍋（04-E001）、鍋爐給水預(yù)熱器（04-E002）、低溫變換爐入口分離器（04-F001）后回到氮?dú)鈮嚎s機(jī)（04-K101）入口。第一廢鍋（03-E001）和高壓蒸汽預(yù)熱器（03-E002）分別設(shè)置手操器旁路閥（HV03004）和工藝氣出口溫度控制閥 （TV03023），高壓蒸汽第一預(yù)熱器（03A-E003）設(shè)置的旁路由現(xiàn)場手動閥控制。氮?dú)鈮嚎s機(jī)（04-K101）設(shè)置氮?dú)庋h(huán)壓差旁路控制閥 （PDC04012），目的是保證氮?dú)鈮嚎s機(jī)（04-K101）的自循環(huán)和控制氮?dú)庋h(huán)壓力。轉(zhuǎn)化系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，工藝天然氣也是從混合氣盤管 （03-B002E01A） 進(jìn)入預(yù)轉(zhuǎn)化爐 （03AR001），與氮?dú)庋h(huán)升溫流程一致，一直到低溫變換爐入口分離器（04-F001），然后進(jìn)入低溫變換爐（04-R002），再進(jìn)入脫碳系統(tǒng)。

圖1 轉(zhuǎn)化系統(tǒng)氮?dú)庋h(huán)升溫流程簡圖

2 氮?dú)庋h(huán)升溫工藝指標(biāo)及設(shè)備性能參數(shù)

（1）氮?dú)庋h(huán)升溫過程中的主要工藝指標(biāo)：氮?dú)庋h(huán)升溫從常溫開始，升溫速率＜30℃/h［以一段爐出口溫度（TC03020）為準(zhǔn)］；結(jié)束時(shí)，一段爐出口溫度（TC03020）400～450℃，高溫變換爐催化劑床層溫度≥200℃。

（2）氮?dú)鈮嚎s機(jī)（04-K101）性能參數(shù)：氮?dú)鈮嚎s機(jī)為羅茨風(fēng)機(jī)，由電機(jī)驅(qū)動，驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速為735r/min，設(shè)計(jì)流量16500m3/h，進(jìn)口溫度50℃、出口溫度70℃，進(jìn)口壓力0.5MPa、出口壓力0.6MPa。

3 問題分析

本合成氨裝置開車過程中，氮?dú)庋h(huán)升溫耗時(shí)較長，冷態(tài)升溫耗時(shí)約25～28h，占整個(gè)系統(tǒng)開車時(shí)長比例大，而每次升溫主要存在的問題是高溫變換催化劑床層升溫慢。經(jīng)觀察，一段爐出口溫度達(dá)工藝指標(biāo)后，還需4～6h繼續(xù)進(jìn)行高溫變換催化劑床層的升溫。因此，高溫變換催化劑升溫成為每次冷態(tài)開車氮?dú)庋h(huán)升溫階段最關(guān)鍵的控制步驟。

氮?dú)庋h(huán)升溫過程無任何化學(xué)反應(yīng)，升溫的熱量由一段爐燒嘴燃料氣的燃燒提供。高溫變換催化劑裝填量為43m3，而目前氮?dú)鈮嚎s機(jī)（04-K101）由于服役時(shí)間較長，設(shè)備性能下降，打氣量已不能達(dá)到設(shè)計(jì)值，而高溫變換催化劑遠(yuǎn)離熱源，要提高升溫速率，在保持相對偏小的空速下，需考慮把更多的熱量通過氮?dú)鈳е粮邷刈儞Q催化劑床層才行。從工藝流程（如圖1）來看，高溫循環(huán)氮?dú)庖謩e經(jīng)過第一廢鍋（03-E001）、高壓蒸汽預(yù)熱器（03-E002）、高壓蒸汽第一預(yù)熱器（03A-E003）；其中，第一廢鍋（03-E001）中的爐水吸收熱量產(chǎn)生飽和蒸汽，高壓蒸汽預(yù)熱器（03-E002）、高壓蒸汽第一預(yù)熱器 （03AE003）中的飽和蒸汽吸收熱量變?yōu)檫^熱蒸汽，如何減少這3臺換熱器中的介質(zhì)，以減少蒸汽側(cè)吸收循環(huán)氮?dú)獾臒崃?，是調(diào)控高溫變換催化劑床層升溫速率的關(guān)鍵。

最近一次氮?dú)庋h(huán)升溫操作過程中，2020年10月13日17：17氮?dú)庋h(huán)升溫結(jié)束時(shí)，主控流程顯示第一廢鍋出口工藝氣溫度（TI03023）為247.8℃、高壓蒸汽第一預(yù)熱器出口工藝氣溫度（TI03310）為218.6℃、高溫變換爐入口工藝氣溫度（TI04001）為220.3℃。可以看出，欲讓高溫變換爐催化劑床層溫度＞200℃，即需要在氮?dú)庋h(huán)升溫時(shí)保證高溫變換爐入口工藝氣溫度（TI04001）＞220℃、第一廢鍋出口工藝氣溫度（TI03023）＞250℃。

4 優(yōu)化改進(jìn)措施

針對轉(zhuǎn)化系統(tǒng)冷態(tài)開車氮?dú)庋h(huán)升溫耗時(shí)長的問題，在符合操作規(guī)程的前提下，探索最優(yōu)的操作方法，以期節(jié)約轉(zhuǎn)化系統(tǒng)氮?dú)庋h(huán)升溫時(shí)間4h。梳理與總結(jié)過去多次大氮循環(huán)升溫不同的操作方法，可采取以下優(yōu)化改進(jìn)措施。

4.1 氮?dú)庋h(huán)量控制

氮?dú)庋h(huán)升溫時(shí)，控制氮?dú)庋h(huán)量＞16000 m3/h，即氮?dú)鈮嚎s機(jī)（04-K101）設(shè)置的氮?dú)庋h(huán)壓差旁路控制閥 （PDC04012）投自動時(shí)，PDC04012開度不可過大，開度過大時(shí)進(jìn)入轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的氮?dú)饬繙p少，載熱量少，不利于系統(tǒng)升溫；但開度也不宜過小，因?yàn)榈獨(dú)鈮嚎s機(jī)出口安全閥設(shè)定壓力為0.8MPa，PDC04012開度過小或全關(guān)容易觸發(fā)安全閥啟跳。同時(shí)，控制氮?dú)庋h(huán)入口壓力在0.48～0.50MPa為宜，PDC04012投自動給定為0.10MPa。以往曾經(jīng)控制氮?dú)庋h(huán)入口壓力在0.55～0.60MPa、PDC04012投自動給定在0.12～0.13MPa，氮?dú)鈮嚎s機(jī)出口安全閥易啟跳，對氮?dú)庋h(huán)升溫造成很大影響。

4.2 減少03-E001蒸汽側(cè)吸熱量

通過操作總結(jié)，氮?dú)庋h(huán)升溫過程中全開手操器旁路閥（HV03004）和工藝氣出口溫度控制閥（TV03023），可減少第一廢鍋（03-E001）爐水吸熱量，這樣一來更多的熱量可以由氮?dú)廨d入高溫變換爐催化劑床層，當(dāng)?shù)谝粡U鍋出口工藝氣溫度（TI03023）達(dá)到380℃、高溫變換爐催化劑床層溫度＞370℃時(shí)，工藝氣出口溫度控制閥（TV03023）視溫度情況逐漸小幅度多次回關(guān)，此時(shí)已經(jīng)轉(zhuǎn)為蒸汽升溫階段。氮?dú)庋h(huán)升溫結(jié)束時(shí)一段爐煙氣溫度在515℃左右，一段爐煙氣溫度高，為保護(hù)一段爐對流段各組盤管，需要通過回關(guān)手操器旁路閥（HV03004）讓汽包產(chǎn)生蒸汽流通經(jīng)過8英寸放空管。以往一段爐氮?dú)庋h(huán)升溫都是過早回關(guān)手操器旁路閥（HV03004）和工藝氣出口溫度控制閥（TV03023）為高壓汽包提溫提壓，此舉易導(dǎo)致轉(zhuǎn)化系統(tǒng)氮?dú)庋h(huán)升溫耗時(shí)長且實(shí)際意義不大。工藝操作優(yōu)化后，手操器旁路閥（HV03004）的回關(guān)條件是：高壓汽包壓力＞0.2MPa，蒸汽已導(dǎo)至8英寸主放空管。

4.3 減少03-E002與03A-E003蒸汽側(cè)吸熱量

升溫過程中，當(dāng)高壓汽包壓力達(dá)到0.2 MPa、蒸汽已導(dǎo)至8英寸主放空管放空時(shí)，才回關(guān)手操器旁路閥（HV03004）和工藝氣出口溫度控制閥（TV03023）為高壓汽包提溫提壓，不宜過早提高高壓汽包壓力，因?yàn)檫^早提壓，飽和蒸汽通過高壓蒸汽第一預(yù)熱器（03A-E003）、高壓蒸汽預(yù)熱器（03-E002）蒸汽側(cè)吸熱，會使進(jìn)入高溫變換爐的氮?dú)廨d熱損失大。當(dāng)高壓汽包壓力＞0.15MPa時(shí)，才開高壓汽包至一段爐高壓管線暖管導(dǎo)淋排液，這是因?yàn)樘崆芭芤鄷淼獨(dú)廨d熱損失。以往的操作中，蒸汽升溫中后期才將蒸汽導(dǎo)至8英寸主放空管放空。

4.4 蒸汽系統(tǒng)的調(diào)整

在建立中低壓蒸汽管網(wǎng)后，往脫氧槽盡可能多地加入低壓蒸汽，以提高鍋爐給水上水溫度，減少第一廢鍋（03-E001）爐水吸熱量。高壓汽包間斷使用小旁路閥上水，關(guān)閉高壓汽包導(dǎo)淋，這是因?yàn)閷?dǎo)淋排放的是熱的爐水，用溫度較低的鍋爐給水上水補(bǔ)充會降低高壓汽包內(nèi)爐水的溫度，導(dǎo)致第一廢鍋（03-E001）吸收的氮?dú)廨d熱量增多。以往在氮?dú)庋h(huán)升溫初期就打開高壓汽包導(dǎo)淋，這樣做完全沒有必要。

4.5 一段爐的操作控制

一段爐燒嘴控制為保持低背壓、多投用燒嘴。進(jìn)行氮?dú)庋h(huán)升溫時(shí)，一段爐出口工藝氣溫度（TC03020）上升過緩時(shí)，主控人員可通過調(diào)整一段爐燃料氣壓力控制閥（PV03001）增加燃料氣量，以提升系統(tǒng)升溫速率。

氮?dú)庋h(huán)升溫階段遇到操作人員交接班或吃飯時(shí)，應(yīng)做好協(xié)調(diào)安排，或者提前多投用燒嘴，由此主控可通過增加燃料氣量來控制溫升速率，不會因操作人員交接班或吃飯而影響氮?dú)庋h(huán)升溫進(jìn)度。以往由于未能進(jìn)行統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，需現(xiàn)場操作人員頻繁進(jìn)行調(diào)整及增加點(diǎn)燃燒嘴數(shù)量，導(dǎo)致系統(tǒng)升溫速率受到影響。

5 結(jié)束語

通過對轉(zhuǎn)化系統(tǒng)冷態(tài)開車耗時(shí)過長問題的分析與探討，找到了節(jié)省系統(tǒng)開車時(shí)長可能存在的優(yōu)化空間，在后續(xù)兩次轉(zhuǎn)化系統(tǒng)冷態(tài)開車中，氮?dú)庋h(huán)升溫環(huán)節(jié)平均節(jié)約用時(shí)4h左右，即在操作規(guī)程許可范圍內(nèi)及保證生產(chǎn)設(shè)備安全運(yùn)行的前提下，驗(yàn)證了上述氮?dú)庋h(huán)升溫環(huán)節(jié)省時(shí)間的操作優(yōu)化措施的有效性，達(dá)到了縮短合成氨裝置開車時(shí)間的目的，預(yù)計(jì)每次開車過程可節(jié)約成本10萬元，為企業(yè)的節(jié)能減排與系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行做出了一點(diǎn)貢獻(xiàn)。今后，我們將進(jìn)一步研究整套合成氨裝置冷態(tài)、熱態(tài)開車過程的操作優(yōu)化，助力系統(tǒng)的優(yōu)質(zhì)運(yùn)行。