石油化工行业加氢装置换热器故障诊断措施

韩丽丽

（大庆油田化工有限公司甲醇分公司，黑龙江大庆 163411）

加氢装置换热器的危险性很高，因受到介质（氢气和油）的影响，换热器具有易燃易爆的特征。同时，因为加氢反应自身就属于强放热反应，在高温高压下，设备中的一些导线很容易出现氢催反应，从而很容易引发爆炸。另外，由于加氢反应所产生的尾气中不仅有氢气，还有其他一些易燃易爆物质，一旦出现故障，便很容易出现火灾、爆炸等事故。由此可见，加氢装置换热器故障具有非常大的危害性，一旦出现了危险事故，便会导致严重的经济损失甚至人员伤亡，同时也会对周边环境造成很大程度的不良影响[1]。基于此，在此类换热器的具体应用中，石油化工行业一定要注重其故障的诊断与分析，以便及时发现和解决。通过这样的方式，才可以确保加氢装置换热器的应用效果，避免其故障所导致的安全事故。

1 加氢换热器故障主要影响因素

1）循环氢流量影响换热器温度导致的故障。运行中，循环氢也叫急冷氢，其流量越大，换热器中的温度就会越低，装置中的转化率便由此降低；但是如果循环氢的流量太低，便无法对装置起到降温效果，从而导致裂化反应过度，床层温度不断升高，最终引起设备故障。

2）进料量影响换热器温度导致的故障。在该装置的运行中，若其他条件均不变，进料量越多，装置中的空速就越大，单位时间内催化原料的通过量也会随之增加，导致原料和催化剂之间的反应时间缩短，这样不仅会对产品质量造成不良影响，同时也会引发换热器升温，从而造成故障。

3）进料温度影响换热器温度导致的故障。在换热器具体运行中，随着进料温度的升高，其末端的反应速率便会上升，从而导致换热器自身温度过高，催化剂床层很容易在高温条件下发生结焦现象，从而导致换热器故障[2]。

4）冷剂中断影响塔顶温度导致的故障。在塔顶位置的冷剂突然中断供应之后，伴随着反应的进行和热量的积聚，塔顶温度将迅速上升，如果其温度超出了塔顶温度的设计极限，不仅会导致产品质量不合格，同时也很容易引发设备故障，造成安全事故。

5）塔顶回流终端影响塔顶温度所导致的故障。在换热器的运行过程中，如果塔顶回流出现了中断现象，塔顶的温度将会迅速升高，从而增加煤油以及柴油的回收量，这样不仅会导致塔底尾油产品质量受到不良影响，同时也很容易因超高温而引发换热器故障，造成火灾、爆炸等的安全事故。

2 加氢换热器故障诊断模型建立

2.1 换热器中的主要原料及其反应产物

在对石油化工行业中的加氢装置换热器进行故障诊断模型的建立中，首先需要明确其主要的原料和反应产物，然后以此为依据进行分析，这样才可以为后续的模型建立奠定良好基础。就目前的加氢技术来看，其主要原理就是让油中的硫醇性硫、沸点比油品高的噻吩以及其他的一些杂质脱离，以此来实现油的中间馏分以及品质提升，并与目前的环境标准相符。在加氢技术的具体应用中，其主要的技术形式有两种，第一是加氢裂化，第二是加氢精制。因此，在加氢换热器中，主要的原料是氢气、油以及其所含有的氮、氧、硫和重金属等的杂质，主要产物是低分子量产物。

2.2 换热器故障参数分析

按照加氢装置中的换热器原料及其反应产品的具体特征，在对其进行故障诊断模型建立的过程中，可将加氢反应体系按照多个虚拟组进行划分，并按照不同目的将虚拟组划分成不同总集。将换热器所具有的动力原理作为依据，可按照原料油、航空煤油、柴油、轻石脑油、重石脑油以及气体来进行其原料划分。当设备工作正常时，柴油、轻石脑油、重石脑油以及气体便会同时生成，反应器中的液体混合物也会具有不变的流速[3]。此时，按照换热器和氢气之间的出压函数，可得出以下结果：

式中，Ki代表换热器温度和氢气所具有的压力值；Ai代表反应总集中的前因子；e代表虚拟组的系数；Ei代表活性能；R代表污垢系数；T代表水温[4]。按恩氏蒸馏法对换热器中的油和反应物进行切割，以此来实现虚拟组分的科学划分。

2.3 换热器故障诊断流程确定

将上述各个动力反应参数作为依据，对各个部位的物料进行流量和压力调节，以此来实现故障诊断流程的科学建立。在该诊断流程中，主要可按照四个系统来进行划分：第一是工艺系统，主要的诊断内容包括机组入口位置温度以及入口过滤器压力过大；第二是设备系统，主要的诊断内容包括系统进水、组件损坏、机组振动和组件温度；第三是设备监控系统，主要的诊断内容包括控制回路、仪表型号以及信号稳定性；第四是公用系统，主要的诊断内容包括蒸汽温度、循环氢中断以及仪表中断。

在通过该模型对加氢装置换热器进行故障诊断的过程中，主要是将上述诊断流程作为依据，对其中的各个部分进行流量以及压力诊断。具体诊断中，主要对以下的物料进行流量和压力诊断：①主分馏塔进料；②汽提蒸汽进料；③塔顶冷凝器；④酸性水抽出；⑤塔顶石脑油；⑥塔底尾油；⑦柴油成品；⑧煤油成品；⑨二中回流；⑩过汽化油回流；塔顶回流；煤油汽提塔采出；柴油汽提塔采出。

因为加氢换热器具有比较复杂的内部构造，基于此，在具体诊断中，出于对整体反应动力学参数以及物性参数等各个方面的误差及其影响因素考虑，可允许实际测量中获得的数据值和实际值有一定误差。

2.4 换热器故障诊断模型建立

在石油化工行业中，加氢装置换热器通常被用来进行直馏柴油、焦化汽油以及焦化柴油的加工。图1为其故障诊断模型示意图。

图1 故障诊断模型示意图

而在此类换热器中，主要的类型有两种，第一是混合进料形式的高压换热器，第二是低分油形式的换热器。表1是两种换热器的对比情况。

表1 两种换热器的对比情况

在加氢装置换热器的具体应用中，主要的故障包括反应器温度超出限值、因加热炉熄火所导致的炉膛闪爆、高压或低压分离器中的液位控制出现故障、安全仪表出现故障以及循环氢压缩机出现故障等。在通过加氢装置换热器进行加氢脱氧、加氢脱硫和加氢裂化等各种反应中，将会出现强烈的放热反应，在这样的情况下，为了让催化剂床层始终保持一个稳定的温度状态，就需要将急冷氢注入其中。在此过程中，如果注入的急冷氢流量不足，反应过程中释放出来的大量热量将不能够及时被带走，反应床层中的温度将会继续上升。如果长时间运行在这样的工作环境中，加氢装置换热器便很容易出现泄漏问题，从而导致火灾和爆炸等重大安全事故发生；在该装置处于反应阶段的过程中，系统压力主要通过高压分离器来进行控制，此时，如果液面高度超出了限值，低分系统中便会有高压氢气进入，在这样的情况下，系统将会因超压而发生爆炸事故。如果低压分流器中的液位高度过大，低分气液位太低，脱丁烷塔便会出现压力过高现象，从而损坏设备；在循环氢压缩机的工作中，如果气体温度、压强等过高，便很容易损坏管线、压缩机缸体以及仪表等，从而导致泄漏情况发生，严重时甚至造成火灾或者是爆炸等安全事故。在加氢装置换热器内进行了有害气体以及可燃气体等的报警装置设置，但是如果报警装置并没有设置在恰当的位置，或者是运维中没有定期做好报警装置的检查，便会导致报警装置运行状况不佳，从而无法及时针对相应的情况发出报警[5]。另外，因其主要介质具有易燃易爆以及腐蚀性特征，若换热器自身内部出现了变形问题，设备损坏以及物料泄漏等问题便很容易出现，从而引发爆炸、火灾等的重大安全事故。

3 加氢换热器故障诊断仿真实验分析

3.1 实验目的

在通过上述方式对石油化工行业中的加氢换热器进行了故障诊断模型建立之后，为对其应用性能加以确定，本次特通过该模型对石油化工行业中的加氢换热器进行故障诊断仿真。本次仿真实验中，主要的实验思路是通过本次所建立的故障诊断模型对石油化工行业中所应用的加氢装置换热器进行故障诊断仿真，并将其诊断的准确率和传统故障诊断方法的准确率进行对比，以此来实现该故障诊断模型的可信性判断。

3.2 实验方法

实验中，分别将上述换热器故障的主要影响因素用作实验对象，并对各种因素进行了编号。其中1号为进料量影响换热器温度导致的故障；2号为进料量影响换热器温度导致的故障；3号为进料温度影响换热器温度导致的故障；4号为冷剂中断影响塔顶温度导致的故障；5号为塔顶回流终端影响塔顶温度所导致的故障。将该故障诊断模型设定成实验组，将传统的故障诊断方法设定为对照组。本次共选择了100组样本进行仿真实验。

3.3 实验结果

在通过上述故障诊断模型对换热器各种影响因素所导致的加氢装置换热器样本进行了故障诊断之后，将实验组的诊断结果和传统诊断方法获取的结果之间的准确率对比情况如图2所示。

图2 实验组诊断结果和传统诊断方法结果之间的准确率对比情况

3.4 实验分析

通过上述故障诊断准确率对比可见，相比较传统形式的故障诊断而言，通过该故障诊断模型的应用，可进一步提升石油化工行业中的加氢装置换热器故障诊断准确率。同时，相比较传统形式的人为检测而言，该模型的应用也可以实现故障诊断效率的显著提升，从而更加及时地找出故障及其原因所在，尽最大限度防止因换热器故障所导致的风险事故与不良影响。由此可见，该故障诊断模型具有非常高的可信度。

4 结语

在石油化工领域的生产过程中，加氢装置换热器是一项关键的设备。具体运行中，如果该设备出现了故障，将很容易引发重大安全事故，酿成不可估量的损失。为实现换热器运行效果的良好保障，避免其故障发生，相关企业、研究者和技术人员就应该加大力度对其故障诊断方法进行研究。根据实际的故障情况及其影响因素，对故障诊断模型加以科学建立，并通过实验仿真的方式来验证模型的可信度。经验证发现，相比较传统形式的人工故障诊断而言，科学合理的故障诊断模型将会更加及时、准确地诊断出换热器故障，从而为其故障的及时消除和设备的良好运行提供保障。通过这样的方式，才可以让石油化工行业生产过程中的加氢装置换热器故障得以及时消除，从而进一步提升其生产效率、质量与安全性，促进石油化工行业在当今时代中的良好经营与发展。