一段炉高压蒸汽过热盘管翅片脱落分析与改造

许茂深

（中海石油化学股份有限公司，海南 东方 572600）

中海石油化学股份有限公司二期装置年产450kt合成氨、800kt尿素，合成氨装置采用美国KBR（Kellogg ＆Brown Root）公司深冷净化技术，一段炉采用顶烧式，分为辐射段和对流段，并以燃气轮机乏气为燃烧空气，进一步回收热量。

一段炉高压蒸汽过热盘管（101BCS2）由日本长崎钢业所于2002年制造，2003年安装、投运，盘管规格为4″，10排，每排18根，共180根，翅片材质为SS410，为高频电阻焊螺旋翅片盘管；此盘管的作用是回收烟道气热量，给高压蒸汽加热和过热。一段炉对流段流程示意如图1。

图1 一段炉对流段流程示意

1 翅片脱落的初判和确认

2010年5月，由于系统高压蒸汽产量以及高压蒸汽温度均出现下降，因而对高压蒸汽过热盘管前后工艺数据进行分析，高压蒸汽过热后的温度已由510～505℃降至500～495℃；前后烟道气温差降至143.41℃（设计值221℃），下降趋势明显；冷空气盘管和原料气盘管均出现超温现象，整个一段炉对流段热量后移严重，初步判断为高压蒸汽过热盘管换热出现问题。

2010年10月9日，利用装置停车检修机会，对高压蒸汽过热盘管进行了检查，发现101BCS2盘管螺旋翅片出现较大面积的脱落。从翅片的表面来看，没有发现过烧、腐蚀掉皮现象。其状貌如图2所示。

图2 101BCS2盘管翅片脱落照片

2 翅片脱落对系统运行的影响及风险分析

2.1 对合成氨系统的影响

101BCS2盘管翅片脱落后，高压蒸汽与烟道气换热效率下降，高压蒸汽的温度及产量逐步降低，严重影响高压蒸汽透平的安全运行与整个装置的蒸汽平衡；烟道气热量向后续盘管转移，工艺空气预热盘管和原料气预热盘管均出现超温现象，存在严重的安全隐患。

2.2 翅片脱落后的风险分析

随着盘管翅片脱落，换热效率将持续下降，原料气预热温度逐步上升，若超过420℃，镍钼加氢反应器发生设备毁坏事故的风险增大；原料气预热盘管和工艺空气预热盘管温度将继续上涨，若超过设计温度，盘管将发生蠕胀变形，甚至爆管，严重危及装置的安全运行。

3 翅片脱落的原因分析

经过对翅片管细致检查，发现101BCS2模块翅片焊接的溶深不够，损坏的管子溶深约0.04mm；另外，从焊接后的飞溅上可以验证溶深过浅，几乎没有飞溅物停在光管上。在新的模块翅片管上可以看见，且该飞溅物是不会脱落的，并在一段炉其他没有损坏的翅片管上可以看见。过热蒸汽盘管翅片损坏的直接原因为，翅片材质可焊性差，翅片焊接电流过小，焊接溶深太浅；在开停车期间由于温度变化较大，导致翅片脱落。

4 改造方案的分析与确定

4.1 改造的必要性与方案

随着101BCS2盘管换热效率持续下降，对高压蒸汽盘管、原料气预热盘管、工艺空气预热盘管、镍钼加氢脱硫单元的安全运行以及系统蒸汽平衡等带来一系列问题，严重影响装置的安全运行，并随生产周期的延长，日趋严重。经过对整个系统的研究分析，决定对盘管进行更新改造，并采取以下五种方案之一实施。

方案一 全部用光管代替现在的翅片管，保持管间距、排间距和原结构不变，仅增加管排数。

方案二 全部用光管代替现在的翅片管，调整管间距，同时增加每排炉管数量及管排数。

方案三 在保证盘管安装尺寸不变的前提下对其进行整体更新。

方案四 保持现在的盘管状况，在该组盘管上部新增一组光管，用以弥补因翅片脱落造成换热效率下降导致的不足。

方案五 仅更换翅片脱落的盘管。

4.2 改造方案对比分析（表1）

从施工可行度、施工工程量、施工周期以及经济性多角度分析对比，确认整体更换过热蒸汽盘管模块（方案三），能够在较短的大修期间完成，并能彻底解决盘管换热效率下降所带来的一系列问题，故选择方案三。

表1 改造方案对比分析

5 改造的实施

2012年4月，利用装置大修的时间，对一段炉对流段的高压蒸汽盘管进行了整体更换。在制造、安装等过程中严把质量关；从设备到厂到安装就位，并用中压蒸汽对新盘管进行吹扫打靶合格，施工共历时13d。

6 改造后的效果及效益分析

6.1 高压蒸汽过热温度升高

改造前高压蒸汽经过101BCS2过热后温升为84℃；改造后温升为114℃，提高30℃，表明此盘管与烟道气的换热较改造前有很大的改观。2012年高压蒸汽经101BCS2的温升趋势如图3所示。图中直线部分为2012年4月大修期间，从图上来看，改造后盘管运行稳定。

图3 2012年101BCS2蒸汽温升趋势

6.2 高压蒸汽过热盘管前后烟气温差增大

设计中，通过101BCS2的烟气温度将由734℃降至513℃，设计温差值为221℃。2003年11月至2012年3月，101BCS2前后烟气温差逐步下降，由投产时的190.15℃降至2012年4月改造前的133.2℃。2012年4月改造后，现在温差为191.9℃，与投产时的190.15℃相当，也就是说现在盘管达到了工艺运行的要求。图4为2012年烟气经过101BCS2后的温降情况。可以看出，盘管更换后温降明显。

图4 2012年烟气温降趋势

6.3 原料气预热温度下降

原料气预热盘管出口温度设计值371℃。2006年1月1日该温度为382℃，盘管更新前该温度已升至421℃；现设定为383℃，与2006年相当，具有一定的可调性。改造前，由于高压蒸汽过热段换热效率下降，热量后移，迫使原料气预热温度上升，并且失去了可调手段，对脱硫等造成了一定的影响。图5为2012年原料气预热温度情况。从图中可以看到，预热温度有了明显的下降，更为重要的是其处于可调范围，确保了装置的稳定运行。

图5 2012年原料气预热温度趋势

6.4 乏气回收

101BCS2整体更换后，一段炉出来的烟道气的热量不再存在后移情况。改造后PIC1855一直处于70%的开度，PZ1021挡板开度下降3%，引风机转速有400r／min的上升，这些都表明改造后一部分的乏气被回收利用（即实现了减排），但此部分乏气的量较为难估（大约可回收430℃的乏气5t／h），经济效益核算时未计算在内。

6.5 经济效益分析

101BCS2更新前后蒸汽参数如表2。

表2 101BCS2更新前后蒸汽参数

经计算，更换前101BCS2热负荷为60841782.6kJ／kg，更换后101BCS2热负荷为89650368kJ／kg；即在96.1%的负荷下，可增产蒸汽11038kg／h。据市场结算价，12.7MPa的高压蒸汽约160元／t；装置年运行以330d计，则增产蒸汽的效益为11038kg／h／1000kg／t×24h／d×330d／a×160元／t＝13987353.6元／a。

其社会效益以节约标煤（标准煤发热值29270kJ／kg）计，则可节约标煤（89650368－60841782.6）×24×330／29270＝7795.1t／a。

7 结 语

自2010年5月发现过热蒸汽盘管换热效率下降问题，到2012年4月更换上新模块，历时1年10个月。过热蒸汽盘管的更新改造，提高了装置运行的安全性，降低了操作难度，为装置高负荷运行创造了条件；消除了隐患，降低了能耗，达到了既定的改造目标。