低温甲醇洗绕管式换热器泄漏原因及处理措施

张红卫，张 武

（国家能源集团宁夏煤业有限责任公司煤制油分公司，宁夏银川 750411）

绕管式换热器是一种新型高效的换热设备，目前较多应用于化工领域的深冷装置，其结构紧凑，单位容积传热面积大，可将几股工艺物料同时冷却或加热，且冷热端温差小，换热效率高，冷量的回收较为彻底[1]，在低温甲醇洗装置中还可以减少甲醇的循环量，降低水、电、冷量和蒸汽的消耗，因此备受青睐。绕管式换热器对换热管要求高，管子长，对接质量高，绕制工艺复杂，且处于装置的关键部位，若发生泄漏，则整套装置需要停工。重造一台设备至少需要半年时间，企业损失将非常严重。实际运行过程中，绕管式换热器受制造过程、材料选用、工艺条件、操作管理等多种因素影响而导致的泄漏问题比较突出。

低温甲醇洗装置中所使用的绕管式换热器自2016年7月至2020年4月，已出现7 次泄漏，严重影响装置的长周期和满负荷运行，因此，排查换热器泄漏原因，从根本上解决换热器泄漏问题显得至关重要。

1 装置概况

某装置400 万t/a 煤制油是目前世界上单体规模最大的煤制油项目[2]，属国家级示范性工程。该项目包含28 台气化炉、10 台动力锅炉、12 套空分，堪称煤化工项目中的巨人。年产合成油品405 万t，甲醇100 万t。油品中调和柴油为273 万t，石脑油98 万t，液化石油气33 万t。项目对解决中国油气资源短缺、平衡能源结构、推进国家中长期能源发展战略、降低对外依存度、保障国家能源安全等问题具有非常重要的战略意义。

该项目中合成气净化装置包括4 套低温甲醇洗单元、4 套CO2压缩单元、4 套丙烯制冷单元、1 套燃料气压缩单元。低温甲醇洗单元采用鲁奇低温甲醇洗技术，并由其提供工艺包，由寰球公司完成基础设计及详细设计。

来自变换装置的7.566×105 Nm3/h 变换原料气进入变换气洗氨塔T-3100X07 后，通过锅炉给水的洗涤除掉其中的NH3和HCN，吸收了NH3和HCN之后的锅炉水排出界区。经洗涤后的变换原料气分成两股，一股经变换原料气/尾气换热器E-3100X03与低温尾气逆流换热，随后进入变换气分离罐D-3100X05 以减少水分，冷凝下来的酸性工艺冷凝液送至酸水汽提装置。为了防止洗涤后的变换原料气中的饱和水在低温下结冰，在原料气进一步冷却前预先喷入少量甲醇，随后通入变换气/尾气换热器Ⅱ，E-3100X04 与低温尾气逆流换热至-26 ℃。另外一股是来自变换气洗氨塔T-3100X07 的变换原料气主要部分，其经变换原料气冷却器E-3100X01 与变换合成气和CO2产品气逆流换热，预冷后的变换原料气进入变换原料气分离罐D-3100X01 以减少水分，冷凝下来的酸性工艺冷凝液送至酸水汽提装置。为防止洗涤后变换原料气中的饱和水在低温下结冰，在原料气进一步冷却前预先喷入少量甲醇，然后变换原料气经变换原料气终冷器E-3100X02 与变换合成气和CO2产品气逆流换热至-20 ℃。最后变换原料气与来自E-3100X04 的变换原料气流股混合，再分为等量的两股气流，分别送至变换气吸收塔T-3100X02A/B。变换气冷却流程简图见图1。

图1 变换气冷却流程图

2 E-3100X03 泄漏现象分析

2.1 E-3100X03 泄漏现象及危害

经过E-3100X03 换热后的CO2产品气进入尾气洗涤塔，经脱盐水洗涤后，在洗涤塔出口检测尾气中H2S 含量，此含量作为环保指标（设计指标质量比为20 mg/kg），需严格控制。当E-3100X03 泄漏时，尾气中H2S 含量会严重超标，环保指标超标又会严重影响装置生存和长周期运行，同时原料气的泄漏造成产品产量下降，影响装置满负荷运行。

2.2 E-3100X03 泄漏原因分析

2016—2020年E-3100X03 换热器泄漏次数统计见表1。

表1 E-3100X03 泄漏次数统计表

2.2.1 制造缺陷 缠绕管管束在绕制过程中有较高的要求，间距必须均匀，端部管子折弯要自然过渡。管子供货是盘形的，在绕制前的校直过程中会出现“哑铃”现象，两头粗中间细以及过度弯曲可能产生较大的内应力，使管束存在隐患，再加上操作条件不稳定、疲劳积累过度，导致缺陷扩展，致使管子断裂[3]。该装置同类型、同厂家换热器共16 台，唯独E-3100X03 出现泄漏，因此不能判定为制造缺陷。

2.2.2 工艺流程设计不合理 原料气在经过氨洗涤塔后分为两股，在送达E-3100X03 前经过气量调节阀3100XFC0013，调节阀处管道内径为35 cm，而调节阀前后管道内径为45 cm，较大的变径使管道压降增大，造成通过E-3100X03 的气量远低于设计气量，设计气量28 万Nm3/h，实际气量不足20 万Nm3/h，气量减少造成换热后温度降低，增大了E-3100X03发生冻堵的可能性。

2.2.3 设计缺陷 原设计中E-3100X03 换热后温度为22 ℃，故未设计喷淋甲醇。喷淋甲醇的目的是利用甲醇与水完全互溶形成水合物以降低水的冰点，防止水在低温下结冰。但实际运行中，E-3100X03换热后温度为-5 ℃，原料气中的饱和水在低温下结冰，会附着在换热器列管上，严重时就会造成E-3100X03 冻堵。冻堵现象发生后，E-3100X03 前后压差增大，原料气量急剧减少，因原料气经过管程，冻堵发生在列管内部，水结冰膨胀，造成列管破裂。亦或是痕量的水过冷，累积成冰粒，在气流冲击下，对管子弯曲段反复撞击，逐渐导致管子破裂或穿孔[4]。对比包头煤化工180 万t 煤制甲醇装置[4]，原料冷却器Ⅱ与E-3100X03 类似，入口安装有喷淋甲醇，正常运行未发生冻堵，但在贫甲醇泵联锁停车事故中，喷淋甲醇中断，原料冷却器Ⅱ运行压差由运行时22 kPa 上涨至35 kPa，说明喷淋甲醇中断期间会发生冻堵情况。变换原料气/尾气换热器Ⅱ、E-3100X04同为绕管式换热器，且在E-3100X03 的后方，工艺介质流程与E-3100X03 相同，工艺运行参数同样低于设计指标，入口设计有喷淋甲醇，换热器运行至今从未发生泄漏。综上确定，E-3100X03 发生冻堵是造成泄漏的主要原因。

3 泄漏判断及泄漏量计算

进行泄漏量计算的目的在于确定换热器泄漏的根数及泄漏量，核算泄漏损失，判断泄漏有无增大，便于决策是否停车检修。

以净化某一套装置泄漏E-3100X03 为例，其表现为CO2尾气中H2S 含量超标，经分析化验，E-3100X03 的壳程入口中H2S 含量为0.01%，壳程出口中H2S 含量为0.51%，故判断E-3100X03 发生内漏。变换原料气中H2S 含量为50%，当运行负荷为100%时（变换原料气量为75 万Nm3/h，尾气量为24 万Nm3/h，E-3100X03 列管内径为20 mm，原料气压力为3.0 MPa，温度为0 ℃，尾气压力为0.01 MPa，气体流速20 m/s），

原料气的内漏量=（0.51%-0.01%）×240 000/50%=2 400 Nm3/h，

每根断裂列管的漏气量=3.14×0.01×0.01×20×3 600×2×30=1 356.48 Nm3/h，

泄漏的列管数量=2 400/1 356.48=1.77≈2 根。

4 处理措施

（1）装置停车，将E-3100X03 换热器进行隔离，气压查漏后对泄漏列管进行对堵消漏。经多次检修消漏，发现泄漏管束均发生在靠近设备筒体边缘，主要原因是原料气经E-3100X03 顶部进入，从换热器列管穿过后再集中送出，两头小中间大，边界效应影响造成换热器中心地带气量大、流速快，换热器边缘地带气量小、流速慢，故在换热器边缘地带更易发生冻堵现象。于是将E-3100X03 最外圈列管全部对堵，预判性地消除设备隐患。堵漏列管数未超过换热器列管数的20%，因此不会造成换热器换热效果下降或者压差增大等情况。

（2）将E-3100X03 前调节阀割除，变径管线全部用全通径管代替以减小流通阻力，以此来增大E-3100X03 的原料气量及换热后温度。经改造优化实施后，经过E-3100X03 的原料气量增加约3 万Nm3/h。

（3）在E-3100X03 前增加喷淋甲醇，并根据现场管道布局尽可能将喷淋甲醇装置前移，保证甲醇的喷淋与混合在进入换热器之前的管道中完成，防止原料气带水或冰点太高造成换热器冻堵泄漏。包头煤化工180 万t 煤制甲醇装置曾进行了同样改造[5]。

E-3100X03 物料及设计参数见表2～表3。

表2 E-3100X03 设备设计参数表

表3 E-3100X03 工艺设计参数表 ℃

5 取得效果

通过采用以上解决措施，4 套E-3100X03 换热器自2020年4月检修后投用至今未出现泄漏现象，取得较好的经济效益，大大提高了装置满负荷运行周期。E-3100X03 换热器改造前后实际工况对比见图2～图3。

图2 E-3100X03 换热器改造前工况

图3 E-3100X03 换热器改造后工况

6 结论

E-3100X03 换热器泄漏是由于通过E-3100X03 的原料气量不足，达不到设计要求，换热后温度始终低于设计指标，且未设计喷淋甲醇装置，原料气通过E-3100X03 换热后温度过低，低于水的冰点，原料气中所含饱和水在E-3100X03 换热器列管内结冰，造成换热器冻堵，堵塞严重导致换热器泄漏。本装置针对已泄漏换热器采取对堵消漏；将原料气变径管更换为全通径管；增加喷淋甲醇装置。通过实施以上措施，4 套E-3100X03 换热器自2020年4月投用运行至2021年7月均未出现泄漏情况，大大提高了装置满负荷运行周期，取得较好的经济效益。