趙大雷

（中國(guó)石油哈爾濱石化分公司，黑龍江哈爾濱 150056）

0 引言

由于存在著諸如氫氣、油類等介質(zhì)的雙重作用，所以在加氫設(shè)備中存在著高度的危險(xiǎn)。而且，由于加氫過程本身就是一種強(qiáng)烈的放熱反應(yīng)，所以在高溫和壓力下，有些管線會(huì)發(fā)生氫化，導(dǎo)致發(fā)生爆炸。而且，除了氫氣之外，在加氫過程中，也存在著其他易燃和爆炸的危險(xiǎn)。從這一點(diǎn)可以看出，氫氣設(shè)備的換熱器故障是極其危險(xiǎn)的，如果發(fā)生這種情況，將會(huì)給周圍的環(huán)境帶來巨大的破壞。因此，在實(shí)際使用這類換熱器時(shí)，必須重視對(duì)其進(jìn)行故障的診斷和分析，從而能夠迅速地找到并處理這些問題。只有如此，才能保證氫氣設(shè)備的使用，從而防止因設(shè)備的失效而造成的安全隱患。

1 加氫式換熱器失效原因分析

（1）由于循環(huán)氫的流動(dòng)對(duì)熱交換器的溫度產(chǎn)生了作用而引起的失效。在操作過程中，循環(huán)氫氣又稱為“急冷氫氣”，它的流動(dòng)速度較高，使熱交換機(jī)內(nèi)的溫度下降，從而使設(shè)備的轉(zhuǎn)換效率下降；但循環(huán)氫氣的流速過小，就會(huì)影響到整個(gè)裝置的冷卻，造成裂解過程中的過量反應(yīng)，使床內(nèi)的溫度持續(xù)上升，最后造成設(shè)備的失效。

（2）由于供給的流量對(duì)熱交換器的溫度產(chǎn)生了影響而造成的失效。在此設(shè)備操作過程中，如果其他情況都相同，物料的用量就會(huì)增大，并且每小時(shí)的催化物料的通過率也會(huì)相應(yīng)增大，使物料與催化劑的反應(yīng)速度加快，不但會(huì)對(duì)產(chǎn)品的品質(zhì)產(chǎn)生不利的效果，而且還會(huì)引起換熱設(shè)備的溫度升高，進(jìn)而引起設(shè)備失效。

（3）由于原料的溫度對(duì)交換器的溫度產(chǎn)生作用而引起的失效。在特定的換熱器工作過程中，當(dāng)加熱爐的加熱溫度增加時(shí)，其末端的反應(yīng)速度就會(huì)增加，使其本身的熱量增加，使其處于較高的溫度下，使其在較高的溫度下易于結(jié)炭，進(jìn)而引起熱交換器失效[2]。

（4）由于冷卻介質(zhì)的干擾而造成的失效。當(dāng)塔頂部的冷卻液突然停止供給，隨著反應(yīng)的進(jìn)行和熱積累，塔尖的溫度會(huì)急劇升高，一旦超過了設(shè)計(jì)值，不但會(huì)影響到產(chǎn)品的品質(zhì)，還會(huì)引起裝置的失效，從而引起安全問題。

（5）由頂部回流末端對(duì)頂部的溫度產(chǎn)生的作用而引起的失效。在使用中，當(dāng)塔頂部回流發(fā)生中斷時(shí)，會(huì)使塔頂部的溫度急劇上升，使煤油和柴油的回收量增大，不但會(huì)對(duì)塔底部的成品造成不利的影響，而且極有可能由于過熱引起的熱交換器失效，造成火災(zāi)、爆炸等安全問題。

2 加氫式換熱器的故障診斷模式的構(gòu)建

2.1 換熱器的主成分和反應(yīng)產(chǎn)品

在石化工業(yè)中，對(duì)加氫氣設(shè)備的換熱器進(jìn)行建模時(shí)，必須確定其主要成分及反應(yīng)產(chǎn)品，并據(jù)此進(jìn)行分析，以便為以后的建模打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。就現(xiàn)有的制氫工藝而言，它的基本原則是將氫氣、油中的硫、沸點(diǎn)比汽油高的噻吩類等物質(zhì)分離出來，從而達(dá)到提高原油的質(zhì)量，達(dá)到符合當(dāng)前環(huán)保要求的目的。在實(shí)際的加氫法中，加氫裂化和加氫精致是兩大類技術(shù)。氫氣、油及其所含氮、氧、硫、重金屬等的雜質(zhì)是氫氣和油，其主要產(chǎn)品為低分子量產(chǎn)物。

2.2 換熱器的故障特性

根據(jù)加氫設(shè)備中熱交換材料和反應(yīng)產(chǎn)物特性，在構(gòu)建該系統(tǒng)時(shí)，可以將該系統(tǒng)分成若干個(gè)虛擬群，并根據(jù)其用途將該系統(tǒng)分成若干個(gè)集合。根據(jù)熱交換機(jī)所具備的動(dòng)力學(xué)理論，可以分為原料油、航空煤油、柴油、輕石腦油、重石腦油和煤氣等原料。在該裝置工作時(shí)，柴油、輕石腦油、重石腦油和煤氣都會(huì)在同一時(shí)間產(chǎn)生，而在反應(yīng)器內(nèi)，液態(tài)的混合速度也不會(huì)改變。在這種情況下，根據(jù)熱交換器與氫的壓力輸出關(guān)系，可以得到如下的結(jié)論：

其中，Ki表示換熱器的溫度以及氫的壓力；Ai表示反應(yīng)總量的前期因素；e 表示虛擬的因子，Ei表示活性，R 表示污染因子，T 表示溫度[4]。采用恩氏蒸發(fā)技術(shù)對(duì)熱交換器內(nèi)的油及反應(yīng)劑進(jìn)行分離，從而達(dá)到了對(duì)虛擬成分進(jìn)行科學(xué)分割的目的。

2.3 熱交換機(jī)的故障分析程序的制定

根據(jù)以上各項(xiàng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的指標(biāo)，調(diào)整各部件的流速、壓強(qiáng)，從而達(dá)到了科學(xué)地建立故障診斷的過程。在此過程中，可以將其分為4 大部分：①過程體系，其主要檢查的是設(shè)備進(jìn)口部位的溫度和進(jìn)氣濾清器過高的壓力；②系統(tǒng)故障，主要檢查系統(tǒng)進(jìn)水，部件損壞，振動(dòng)和部件的溫度；③裝置監(jiān)測(cè)，其主要功能有控制電路、儀表型號(hào)、控制信號(hào)的穩(wěn)定；④公共設(shè)備，包括蒸汽溫度、循環(huán)氫供應(yīng)中斷、儀器故障等。

利用此模式對(duì)氫氣設(shè)備的換熱器進(jìn)行故障分析時(shí)，采用以上方法對(duì)各部件進(jìn)行流量和壓力的檢測(cè)。在具體的檢查中，重點(diǎn)檢查了下列物質(zhì)的流動(dòng)和壓力：主分餾塔的進(jìn)料、汽提進(jìn)料、塔頂冷卻塔、酸液排出、塔頂油、塔底排油、塔底排油、最后排油、煤油、二次回流、超氣化油的回流、塔頂回流、煤油汽提塔、柴油汽提塔。

由于加氫換熱器的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，因此在進(jìn)行特定的檢查時(shí)，為了綜合反映動(dòng)態(tài)和物理性能的各種因素，可以使實(shí)測(cè)得到的結(jié)果與真實(shí)的結(jié)果存在一些偏差。

2.4 熱交換機(jī)的故障診斷模式的構(gòu)建

在石化工業(yè)中，一般采用加氫氣交換器來處理直餾柴油、焦化汽油和焦化柴油。故障分析模式的原理如圖1 所示。

這類熱交換器有兩種主要的類型，一種是高壓的混合供給型，另一種是低分油型，兩種不同類型的熱交換器的比較見表1。

表1 兩種類型的熱交換器比較

在加氫廠的換熱器實(shí)際使用中，存在的問題有：反應(yīng)爐內(nèi)的溫度超過限值，加熱爐的停爐引起的爐膛閃爆，高壓或低壓分離器的水位控制故障，安全儀表故障，循環(huán)氫氣壓縮機(jī)故障等。加氫脫氧、加氫脫硫、加氫、加氫裂化等過程，都會(huì)產(chǎn)生劇烈的放熱現(xiàn)象，這種狀況下，必須向加氫設(shè)備內(nèi)加入急冷氫，才能保證催化劑床層的溫度不變。在這個(gè)階段，若加載的急冷氫氣流量不夠，則會(huì)導(dǎo)致大量的熱無法被及時(shí)地排出，導(dǎo)致反應(yīng)床內(nèi)的氣溫持續(xù)升高。若長(zhǎng)期處于這種工作狀態(tài)，氫氣設(shè)備的換熱器極易產(chǎn)生漏油現(xiàn)象，造成火災(zāi)、爆炸等嚴(yán)重的安全隱患；當(dāng)設(shè)備在反應(yīng)期間，系統(tǒng)的壓力是由一個(gè)高壓分離機(jī)來完成的，這時(shí)，當(dāng)液體的高度超過限制，就會(huì)有大量的高壓氣體流入到低壓系統(tǒng)中，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)因?yàn)槌瑝憾a(chǎn)生爆炸。若低壓分流裝置中的液體水平較高或氣體水平較低，則會(huì)導(dǎo)致脫丁烷塔內(nèi)的高壓，造成裝置的損傷；循環(huán)式壓縮機(jī)在使用過程中，如果溫度和壓力太大，很容易損壞管道、壓縮機(jī)和儀器，引起泄漏，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起火災(zāi)和爆炸。在加氫爐的換熱器中，已經(jīng)安裝了危險(xiǎn)的、易燃性的警報(bào)設(shè)備，但如果警報(bào)設(shè)備沒有安裝到位，或是操作人員沒有對(duì)其進(jìn)行定期的檢測(cè)，就會(huì)造成警報(bào)系統(tǒng)的工作狀態(tài)不正常，不能根據(jù)需要進(jìn)行報(bào)警。而且，由于它的主要媒介是易燃的、腐蝕的，如果其內(nèi)部發(fā)生了變化，很可能會(huì)導(dǎo)致裝備的破損和材料泄漏，從而引發(fā)爆炸、火災(zāi)等嚴(yán)重的安全問題。

3 加氫換熱器模擬試驗(yàn)與研究

3.1 試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)

利用此方法，對(duì)石化企業(yè)加氫換熱器進(jìn)行了故障診斷建模，從而對(duì)其實(shí)際使用情況進(jìn)行分析，并對(duì)其進(jìn)行模擬分析。在這一模擬試驗(yàn)中，主要試驗(yàn)思想是利用新的故障診斷模式，來模擬石化工業(yè)中使用的氫氣換熱器的故障，并將其與常規(guī)的故障檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，從而達(dá)到可靠性判定的目的。

3.2 試驗(yàn)方案

在試驗(yàn)中，以上重要的原因作為試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，以不同的因子進(jìn)行了分類：①由于供給率對(duì)換熱裝置的溫度造成的失效；②由于原料溫度對(duì)換熱裝置溫度造成的失效；③由于冷卻介質(zhì)干擾對(duì)塔尖的溫度造成的失效；④由于頂部回流末端對(duì)塔尖的溫度造成的失效。將此模式設(shè)置為試驗(yàn)組，將常規(guī)故障檢測(cè)法設(shè)置為控制點(diǎn)。此次模擬試驗(yàn)選取了100 個(gè)樣品。

3.3 試驗(yàn)成果

根據(jù)以上的故障分析模式，分析了由于不同原因引起的加氫氣設(shè)備的換熱樣品的失效原因，并將試驗(yàn)組與常規(guī)診斷法得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。試驗(yàn)組與常規(guī)診斷的比較正確性如圖2 所示。

圖2 試驗(yàn)組與常規(guī)診斷的比較正確性

3.4 試驗(yàn)研究

從以上兩種方法的識(shí)別精度來看，此方法與常規(guī)方法相比，可以提高石化企業(yè)的換熱器的故障識(shí)別精度。與常規(guī)人工探測(cè)方法相比，本方法能有效提高設(shè)備的故障診斷率，并能有效地發(fā)現(xiàn)設(shè)備的失效和故障產(chǎn)生的不利后果。因此，這種方法的可靠性很高。

4 結(jié)束語

在石化工業(yè)中，加氫機(jī)的換熱裝置是重要的工藝裝備。在實(shí)際操作中，一旦發(fā)生故障，極有可能導(dǎo)致嚴(yán)重的安全隱患，造成無法估計(jì)的經(jīng)濟(jì)損失。為了更好地保證換熱器的工作性能，防止它的失效，相關(guān)企業(yè)、科研工作者和技術(shù)工作者都要加強(qiáng)對(duì)它的分析和分析。針對(duì)實(shí)際的失效狀況和影響因子，科學(xué)地構(gòu)建了一個(gè)基于數(shù)學(xué)建模的數(shù)學(xué)模型，并用試驗(yàn)?zāi)M方法對(duì)該數(shù)學(xué)建模進(jìn)行檢驗(yàn)。經(jīng)過檢驗(yàn)，與常規(guī)的手工診斷方法相比，采用一種更加科學(xué)、合理的診斷方法，能夠及時(shí)準(zhǔn)確地診斷出換熱元件的失效，為及時(shí)排除故障和維護(hù)裝置的正常運(yùn)轉(zhuǎn)奠定基礎(chǔ)。只有這樣，石化工業(yè)生產(chǎn)中的換熱器問題才能得到有效解決，提高生產(chǎn)效率、質(zhì)量和安全性，使石化工業(yè)健康發(fā)展。