韓勝顯 古扎麗阿依·麥提肉孜 潘從錦 張玉勤

（克拉瑪依石化有限責(zé)任公司）

克拉瑪依石化有限責(zé)任公司催化裂化裝置分餾系統(tǒng)，一直存在分餾塔頂?shù)蜏匚粺嵩蠢貌怀浞值膯栴}。2001年7月該催化裝置采用UOP技術(shù)，裝置由50×104t/a擴(kuò)量改造為80×104t/a，分餾塔頂油氣負(fù)荷隨之增加，上述問題更加凸顯。因為分餾塔頂部油氣含有大量的焦炭和催化劑等固體顆粒物，管束易堵塞，所以空冷和水冷經(jīng)過長周期運行，管束內(nèi)、外部就會出現(xiàn)腐蝕、堵塞、積塵、結(jié)垢，整體設(shè)備老化、生銹等問題，冷后溫度會逐漸升高，即使通過檢修也無法滿足工藝要求。夏季，空冷和水冷全部投用的情況下，冷凝負(fù)荷不足，冷后溫度超出工藝指標(biāo)，溫度高富氣量大的諸多弊端顯現(xiàn)，裝置加工負(fù)荷嚴(yán)重受限。到了冬季，為了降低冷后溫度，空冷無法停運，管束防凍成為很大的安全隱患。另外加工負(fù)荷的頻繁調(diào)整，及空冷管束的頻繁測溫，也大幅度增加了員工的勞動強度和工作壓力。通過技術(shù)攻關(guān)，塔頂?shù)蜏匚粺嵩吹玫搅顺浞掷茫坏_(dá)到節(jié)汽、節(jié)電、節(jié)水的目的，并且消除了裝置加工瓶頸，解決了裝置安全隱患，降低了員工勞動強度和工作壓力。

1 概述及解決措施

1.1 裝置現(xiàn)狀分析

2018年9月催化裝置分餾塔頂油氣系統(tǒng)技術(shù)改造之前，采取的是傳統(tǒng)流程：分餾塔頂產(chǎn)出的油氣溫度為110～120℃，通過六組并聯(lián)空冷KL-201/1-6冷卻至70～80℃，再通過四組并聯(lián)水冷L-202/1-4冷卻降溫至40～45℃，油氣混合物進(jìn)入分離罐E-201，然后分兩路，凝縮油一路送至吸收-穩(wěn)定系統(tǒng)，富氣一路送至氣壓機(jī)系統(tǒng)。冷后溫度工藝指標(biāo)為40～45℃，是利用空冷和水冷來降低油氣溫度，這樣塔頂油氣從產(chǎn)出到冷卻后送出，溫差近80℃的顯熱被白白浪費，且需要消耗大量的電能和循環(huán)水。每年夏季，在塔頂六組并聯(lián)空冷KL-201/1-6和四組并聯(lián)水冷L-202/1-4必須全部投用的情況下，仍然無法滿足冷后溫度40～45℃工藝指標(biāo)，會造成：富氣量過大，氣壓機(jī)做功增加，凝汽式汽輪機(jī)消耗大量蒸汽；富氣帶凝縮油，打擊氣壓機(jī)葉片，造成機(jī)組損壞，工作中存在極大安全隱患；富氣量過大，氣壓機(jī)滿負(fù)荷成為瓶頸，限制了裝置加工負(fù)荷，公司物料分配、經(jīng)濟(jì)效益受到嚴(yán)重影響。春、秋兩季，塔頂油氣冷后溫度可以滿足工藝指標(biāo)，但是塔頂空冷和水冷必須全部投用。冬季，則要保持一半空冷和全部水冷同時運行的情況下，才能夠滿足工藝指標(biāo)，空冷管束防凍成為很大的安全隱患。公司四年一次的檢修周期會對空冷KL-201/1-6和水冷L-202/1-4進(jìn)行檢修，但是因為催化分餾塔頂部油氣內(nèi)含有大量的焦炭和催化劑等固體顆粒物，分餾塔頂油氣空冷和水冷管束易堵塞是該行業(yè)催化裂化裝置低溫?zé)峄厥盏囊粋€難題，所以空冷和水冷檢修后，通常運行3個月壓降就會出現(xiàn)明顯上升，6個月必須外部在線清洗一次。隨著運行周期延長，空冷和水冷的取熱效果會快速下降，在線清洗效果變差，塔頂油氣系統(tǒng)冷凝負(fù)荷不夠的問題會越來越凸顯。

1.2 改造措施

1.2.1 確定方案

1）SEI提出的方案是增加空冷、更換擴(kuò)大冷凝面積的后冷。提出采用：增加2臺管式換熱（低溫?zé)峄厥?，油?水換熱）+2片空冷+更換4臺后冷。此方案需要新建一換熱器框架，還需加固舊冷換框架、基礎(chǔ)，施工工程量巨大。

2）克拉瑪依石化公司提出使用傳熱效率高的板式換熱器作為油氣-工藝熱水換熱器選項。低溫?zé)峄厥帐褂冒迨綋Q熱器，爭取油氣-工藝熱水換熱器增加取熱，從而達(dá)到不增空冷、不更換后冷的目的[1-3]。

經(jīng)對比，克拉瑪依石化公司提出的方案用催化分餾塔頂油氣加熱換熱水，熱水為氣分裝置提供熱源。該方案既能夠消除裝置瓶頸，又能夠充分利用塔頂?shù)蜏匚粺嵩?，達(dá)到節(jié)氣、節(jié)電、節(jié)水的目的。

1.2.2 方案優(yōu)化

1）工藝熱水流程：方案一為熱水換熱并聯(lián)方案流程見圖1；方案二為熱水換熱串聯(lián)方案流程見圖2。

圖1 熱水換熱并聯(lián)方案流程Fig.1 Parallel scheme flow of hot water heat transfer

圖2 熱水換熱串聯(lián)方案流程Fig.2 Series scheme process of hot water heat transfer

2）換熱方案：共有四個方案。工藝條件為熱側(cè)流量：101 625 kg/h；熱側(cè)進(jìn)口溫度：122℃；冷側(cè)入口溫度：70℃。不同方案工藝參數(shù)對比見表1，設(shè)備參數(shù)對比見表2。在表1、表2中的板式方案3為串聯(lián)方案[4]。管式換熱器與板換方案對比見表3。

表1 工藝參數(shù)對比Tab.1 Comparison of process parameters

表2 設(shè)備參數(shù)對比Tab.2 Comparison of device parameters

表3 換熱器對比Tab.3 Comparison of heat exchangers

1.2.3 施工對比

1）管式換熱器方案：原框架-1框架上更換4臺換熱器并新增1臺換熱器，對原平臺進(jìn)行加固或更換；原框架-1框架新增2組空冷器，對原構(gòu)架進(jìn)行加高并加固。原框架-5框架頂增設(shè)4臺換熱器平臺，對原構(gòu)架進(jìn)行加高并加固。加固部分落地塔基礎(chǔ)，新建或加固部分設(shè)備基礎(chǔ)等。

2）板換方案，泵房頂新增框架。

1.2.4 費用對比

1）工藝熱水方案-管式換熱器：催化裝置需要新增頂部油氣-工藝熱水換熱器4臺（管式換器）；管束碳鋼，水側(cè)防腐，重量66.3 t；新增2臺換熱水泵，增加兩片空冷重量23 t；更換4臺后冷，重量52 t，共計費用570萬元。利舊框架要進(jìn)行加高并加固，新建和更換框架較多。整體工程施工量大，時間長，費用昂貴。

2）工藝熱水方案-板式換熱器：油氣側(cè)換熱終溫93℃，空冷、后冷不需要作改動。板換3臺總重21 t，費用490萬元。泵房頂新增框架，施工量小，時間短，費用少。

1.2.5 板換的選擇

1）選擇全焊接板換，不存在泄漏問題。

2）板片焊接采用激光焊。板片材料采用254SMO，厚度不小于1 mm。

3）板片結(jié)構(gòu)：考慮塔頂油氣易于夾帶污垢，全焊接板式換熱器單張板片溝槽深度不小于5 mm，且冷熱兩側(cè)必須四面可拆，允許采用高壓水槍進(jìn)行百分百無死角機(jī)械清洗；板片間流道應(yīng)設(shè)有機(jī)械清洗通道；換熱器四周應(yīng)留有足夠的檢修沖洗通道[5-6]。

4）換熱器冷熱兩側(cè)各個流程都必須保證自排凈，不殘留工藝介質(zhì)。

5）安裝方式：水平安裝，油氣側(cè)上進(jìn)下出。板式換熱器安裝結(jié)構(gòu)見圖3，板式換熱器結(jié)構(gòu)見圖4。

圖3 板式換熱器安裝結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Installation structure diagram of plate heat exchanger

圖4 板式換熱器結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure diagram of plate heat exchanger

6）板片材質(zhì)的選擇。雙相鋼2507材質(zhì)：抗拉強度Rm和規(guī)定非比例延伸強度Rp0.2（規(guī)定的引伸計標(biāo)距0.2%時的應(yīng)力），均高于254SMO，這說明2507沖壓后極有可能出現(xiàn)微小裂紋。斷后伸長率A（原始截面積的開方）：2507是15%，254SMO是35%，這說明2507不易沖壓。NB/T47004也沒有把2507列入常用板材，本項目前期技術(shù)交流時，有兩個廠家也明確表示，不能夠沖壓2507板材。所以選型板片材質(zhì)為254SMO較為合適。

1.2.7 綜合評估

1）板換符合現(xiàn)有裝置的設(shè)備分布要求，占地合理，重量輕、體積小，單體設(shè)備凈重和操作重分別是7.86 t和9.72 t，3臺總重21 t，占地面積僅2623 mm×1 406 mm，單獨構(gòu)架布置，更容易在現(xiàn)有鋼結(jié)構(gòu)上進(jìn)行布置以滿足更大的裝置產(chǎn)能需求，而無需對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強，只需要在泵房頂起框架安裝就行，安裝施工工作量小。

2）換熱溫差小。板換換熱終溫溫差7℃，能夠產(chǎn)生103℃工藝熱水，空冷、水冷可以利舊[7-8]。

3）板換依靠高表面剪切應(yīng)力，高湍流來達(dá)到低結(jié)垢的傾向[9]。

4）板換的換熱油氣側(cè)出入口通暢、流道暢通、流通能力大、沒有死角，不易結(jié)垢和堵塞。

5）抗腐蝕。板換傳熱效率高，板片薄，重量輕，材質(zhì)升級為254SMO，在催化分餾塔頂油氣條件下為零腐蝕設(shè)計。

1.2.8 設(shè)備概況

阿法拉伐全焊接板式換熱器主要特點如下：

1）高效傳熱：汽-液工況（冷凝或再沸），傳熱系數(shù)是普通管殼式換熱器的2～3倍，可以實現(xiàn)3℃的極限段溫差，特別適合熱回收工況。

2）耐壓差能力：板片波紋壓槽成正交接觸，接觸點形成正方形邊長不足1 cm，板片相互支持形成一個整體結(jié)構(gòu)，可承受3.5 MPa全壓差。

3）加工工藝：板片焊接工藝為激光焊接，焊接速度快，輸入熱量小，可以有效地避免應(yīng)力集中，更適合應(yīng)力腐蝕場合。

4）結(jié)構(gòu)設(shè)計：板片組采用對焊結(jié)構(gòu)，并預(yù)留清洗通道，冷熱兩側(cè)四面可拆，現(xiàn)場可以采用1 000 kg高壓水槍進(jìn)行百分百無死角機(jī)械清洗。

1.2.9 工藝改造

公司科技處和車間技術(shù)人員通過多方調(diào)研，比選，評估，對分餾塔頂油氣、公司系統(tǒng)采暖水等介質(zhì)，及對空冷、水冷等設(shè)備進(jìn)行傳熱及水力學(xué)參數(shù)計算，最后確定的方案：熱水流程采用方案2，即串聯(lián)方案；油側(cè)采用板換方案3。

2018年9月對催化裝置分餾塔頂油氣系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造，改造內(nèi)容是在傳統(tǒng)的分餾塔頂油氣流程基礎(chǔ)上，增設(shè)3臺阿法拉伐全焊接塔頂油氣-熱水板式換熱器，已達(dá)到消除裝置瓶頸，解決安全隱患，充分利用熱源，節(jié)氣、節(jié)電、節(jié)水的目的。

分餾塔頂油氣-換熱水板式換熱器為3臺阿法拉伐全焊接板式換熱器Compabloc，型號CPX75，水平安裝，板材SMO254，接口法蘭面標(biāo)準(zhǔn)HG/T 20615—2009，Class 150，WN-RF。主體設(shè)備參數(shù)見表4，不同工況下工藝參數(shù)見表5。

表4 主體設(shè)備參數(shù)Tab.4 Main equipment parameters

表5 不同工況下工藝參數(shù)Tab.5 Process parameters of various working conditions

阿法拉伐全焊接板式換熱器技術(shù)方案具有如下特點：

1）壓力降完全滿足設(shè)計要求，油氣側(cè)小于3 kPa；內(nèi)部完全實現(xiàn)自排凈。

2）可以回收10 000 kW的熱量，比管殼式換熱器回收熱量更多，產(chǎn)生熱水量更大。

3）板片采用254SMO，相當(dāng)于雙相鋼2507，更耐受油氣側(cè)垢下腐蝕[10]，可以保證設(shè)備連續(xù)穩(wěn)定長周期運行。

4）板型為煉油工藝專門定制，通道間隙可達(dá)10 mm，可以有效防止污垢堵塞，且便于清洗。

技術(shù)改造后的分餾塔頂油氣流程為：分餾塔頂油氣（110～120℃），經(jīng)過3臺并聯(lián)阿法拉伐全焊接板式換熱器H-203/1-3（90℃）、六組并聯(lián)空冷KL-201/1-6（80℃）和四組并聯(lián)水冷L-202/1-4（40℃）后進(jìn)入混合油氣分離罐E-201，富氣氣體至壓縮機(jī)壓縮后進(jìn)入E-301，凝縮汽油從罐底抽出進(jìn)入吸收-穩(wěn)定系統(tǒng)。油氣工藝流程見圖5。

通過圖5可以看出，分餾塔頂阿法拉伐全焊接油氣-換熱水板式換熱器，可以將塔頂120℃的油氣降低到90℃，取熱30℃，降低了空冷和水冷的取熱負(fù)荷。

圖5 油氣工藝流程Fig.5 Oil and gas process flow

技術(shù)改造后的低溫余熱系統(tǒng)工藝流程為：換熱水自D-209引出經(jīng)換熱水泵（P-212/1-2）升壓進(jìn)入分餾塔頂油氣/換熱水板式換熱器（H-203/1-3）加熱升溫至88.4℃后，分為三路，分別進(jìn)入頂循環(huán)/換熱水換熱器（H-501/1-2）、輕柴油/換熱水換熱器（H-502/1-2）以及穩(wěn)定汽油換熱水換熱器（H-503/1-2）繼續(xù)加熱到98℃后，經(jīng)原聚丙烯加熱站線出裝置后，送至裝置外低溫?zé)嵊脩簦?#中控室、2#中控室、45×104t汽油加氫脫硫、15×104t汽油醚化、瀝青軟包裝及氣分裝置；降溫至70℃后返回至換熱水緩沖罐（D-209），氣壓機(jī)凝結(jié)水作為補水。通過低壓氮氣氮封來調(diào)整罐內(nèi)壓力。低溫余熱系統(tǒng)流程見圖6。

圖6 低溫余熱系統(tǒng)流程Fig6 System process of low temperature waste heat

系統(tǒng)采暖水經(jīng)過阿法拉伐全焊接油氣-換熱水板式換熱器換熱后，將進(jìn)水溫度70℃升高到88.4℃，取熱19℃，節(jié)約了用于加熱采暖水的蒸汽。

2 當(dāng)前國內(nèi)外同類技術(shù)對比

2.1 技術(shù)優(yōu)勢

阿法拉伐全焊接板式換熱器與傳統(tǒng)管殼式換熱器相比，板式換熱器技術(shù)方案具有如下顯著優(yōu)勢：

1）板換依靠高表面剪切應(yīng)力，高湍流來達(dá)到低結(jié)垢的傾向。

2）壓力降完全滿足設(shè)計要求，油氣側(cè)僅3 kPa；且內(nèi)部完全實現(xiàn)自排凈。

3）采用板式換熱器，可以回收10 000 kW的熱量，比管殼式換熱器回收熱量更多，產(chǎn)生熱水量更大。

4）設(shè)備凈重和操作重分別是7.86 t和9.72 t，占地面積僅2623 mm×1 406 mm，更容易在現(xiàn)有鋼結(jié)構(gòu)上進(jìn)行布置以滿足更大的裝置產(chǎn)能需求，而無需對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強。

5）板片采用254SMO，相當(dāng)于雙相鋼2507，更耐受油氣側(cè)垢下腐蝕，可以保證設(shè)備連續(xù)穩(wěn)定長周期運行。

6）板型為煉油工藝專門定制，通道間隙可達(dá)10 mm，可以有效防止污垢堵塞，且便于清洗。完全相同的設(shè)計已經(jīng)推廣應(yīng)用在中石油呼和浩特?zé)捰蛷S280×104t催化和四川石化250×104t催化裝置。

2.2 主要特點

1）高效傳熱：汽-液工況（冷凝或再沸），傳熱系數(shù)是普通管殼式換熱器的2～3倍可以實現(xiàn)3℃的極限段溫差，特別適合熱回收工況。

2）耐壓差能力：板片波紋壓槽成正交接觸，接觸點形成正方形邊長不足1 cm，板片相互支持形成一個整體結(jié)構(gòu)，可承受3.5 MPa全壓差。

3）加工工藝：板片焊接工藝為激光焊接，焊接速度快，輸入熱量小，可以有效地避免應(yīng)力集中，更適合應(yīng)力腐蝕場合。

4）結(jié)構(gòu)設(shè)計：板片組采用對焊結(jié)構(gòu)，并預(yù)留清洗通道，冷熱兩側(cè)四面可拆，現(xiàn)場可以采用1 000 kg高壓水槍進(jìn)行百分百無死角機(jī)械清洗。

2.3 技術(shù)要求

1）板片組板片間焊接采用全激光焊接方式。

2）換熱器冷熱兩側(cè)端板（四面）均為安裝位可拆式，在原位可用高壓水槍清洗；板片間流道應(yīng)設(shè)有機(jī)械清洗通道，保證不留有清洗死角。

3）換熱器四周應(yīng)留有足夠的檢修沖洗通道。

4）換熱板片一次整體壓制成型，不得采用拼接板，端板采用整塊鋼板。

5）端板與換熱板組之間的密封墊片采用增強型石墨墊片。

6）連接法蘭、端板等與換熱介質(zhì)接觸部位均應(yīng)襯有與板片同材質(zhì)的襯板或襯管，襯板與基板（或襯管與基管）貼合緊密。襯板厚度不小于3 mm。放空、排凝接口為法蘭連接；設(shè)備總裝圖紙上注明接管口最大允許的力和力矩。

7）設(shè)備管嘴受力由供貨方進(jìn)行應(yīng)力計算，滿足API 662 Table 2。

8）全焊接兩端可拆式板式換熱器的換熱板組等關(guān)鍵部件的生產(chǎn)、制造、檢測和檢驗需為原裝進(jìn)口產(chǎn)品，且在原產(chǎn)地工廠完成，整體設(shè)備的最后組裝可在國內(nèi)完成。

9）具有國內(nèi)同類催化裝置相同工位長周期（不小于3 a）安全平穩(wěn)運行記錄，需提供相應(yīng)業(yè)績證明材料及聯(lián)系方式等。

10）水壓試驗用水氯離子含量小于或等于25 ppm，試驗后吹掃干凈。出廠前設(shè)備每側(cè)均做單邊水壓試驗，試驗壓力按設(shè)計壓力的1.25倍。試驗介質(zhì)為反滲透處理后的去離子水，水中氯離子含量小于或等于25 ppm。試驗結(jié)束后用壓縮空氣將設(shè)備內(nèi)存水吹掃干凈。

11）端板、對外連接法蘭、接管等與換熱介質(zhì)接觸部位均應(yīng)襯有與板片同材質(zhì)的襯板或襯管（厚度為3 mm），襯板與基板（或襯管與基管）貼合緊密。板組耐差壓設(shè)計應(yīng)當(dāng)考慮單側(cè)失壓工況，且不低于3.5 MPa。

12）設(shè)備滿足裝置停工吹掃工況（介質(zhì)：1.0 MPa蒸汽，具體條件由用戶提供）。

3 應(yīng)用情況

1）催化裝置分餾塔頂油氣系統(tǒng)增加了阿法拉伐全焊接油氣-換熱水板式換熱器后，可以將塔頂120℃的油氣降低到90℃，取熱30℃，降低了空冷和水冷負(fù)荷，裝置全年加工量滿負(fù)荷的情況下，夏季，六組空冷可以做到減半運行，春秋兩季根據(jù)氣溫的變化，六組空冷可以停運三組以上，冬季，空冷可以全部停用。四組水冷一年四季可以做到減少一半循環(huán)水量，完全滿足油氣冷后溫度的工藝指標(biāo)。裝置全年節(jié)約了大量的電能，及循環(huán)水，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

2）由于安全合理的技術(shù)改造，空冷和水冷的操作彈性很大，一年四季冷后溫度可以根據(jù)工藝指標(biāo)正常調(diào)整，徹底解決了以往由于富氣量過大存在的問題：氣壓機(jī)做功增加，凝汽式汽輪機(jī)消耗蒸汽量大；富氣帶凝縮油，打擊氣壓機(jī)葉片，造成機(jī)組損壞，工作中存在極大安全隱患；氣壓機(jī)滿負(fù)荷成為瓶頸，限制裝置加工負(fù)荷，公司物料分配、經(jīng)濟(jì)效益受到嚴(yán)重影響，以及冬季空冷管束防凍的安全隱患。裝置瓶頸解決，全年加工量滿負(fù)荷運行。安全隱患消除，降低了員工勞動強度，減輕了工作壓力，社會效益顯著。

3）低溫余熱系統(tǒng)全年運行安全平穩(wěn)，分餾塔頂油氣流量為110 000 kg/h，熱水循環(huán)量510 000 kg/h，進(jìn)水溫度70℃，經(jīng)過板式換熱器取熱后溫度升高到88.4℃，可以回收10 000 kW的熱量，產(chǎn)生更大熱水量，節(jié)約了大量的加熱蒸汽。

4 結(jié)論

1）板式換熱器板片組件整體進(jìn)口，框架板和其他緊固件在國內(nèi)制造，廣泛用于煉油工藝中常減壓、催化、加氫、硫磺回收和胺液再生，目前在國內(nèi)已經(jīng)擁有超過300臺的運行業(yè)績。

2）該項目技術(shù)上有創(chuàng)新點，從2018年9月開始已經(jīng)連續(xù)應(yīng)用滿25個月，設(shè)備工藝表現(xiàn)安全穩(wěn)定，沒有壓降升高和通道堵塞的現(xiàn)象發(fā)生。

3）由于各石化企業(yè)傳統(tǒng)分餾塔頂油氣系統(tǒng)普遍存在上述問題，本次技術(shù)改造方案技術(shù)成熟可靠、無安全事故發(fā)生，取得顯著經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，具有很好的借鑒性。由于我們的應(yīng)用表現(xiàn)，完全相同的設(shè)計已經(jīng)推廣應(yīng)用在中石油呼和浩特?zé)捰蛷S280×104t催化和四川石化250×104t催化裝置。