低温甲醇洗装置再沸器疏水阀后管道水锤现象的分析与消除

王 涛

(恒力石化(大连)炼化有限公司,辽宁大连 116318)

恒力石化(大连)炼化有限公司煤制氢甲醇车间有2个系列低温甲醇洗装置(一系列低温甲醇洗装置简称低甲一,二系列低温甲醇洗装置简称低甲二),2个系列低温甲醇洗装置所采用的技术均为林德低温甲醇洗工艺技术,工程设计任务由中国天辰工程有限公司承担。

低温甲醇洗岗位的主要任务是脱除变换气中的CO2、H2S及有机硫杂质,同时也脱除变换气中带入的饱和水,制得φ(CO2)<0.5%、φ(H2S+COS)<0.1×10-6的合格净化气送往变压吸附(PSA)工段进一步精制净化。

低甲一脱除部分变换气中的CO2、H2S及有机硫杂质,并脱除部分变换气中带入的饱和水,制得φ(CO2)=2.5%、φ(H2S+COS)<0.1×10-6的合格净化气送往甲醇合成工段;同时为CO2装置提供合格的CO2原料气(φ(CO2)≥98.5%);浓缩H2S馏分,为炼化硫回收装置提供适宜浓度的H2S气体(φ(H2S)>25%);处理外排尾气、甲醇水混合物,在回收甲醇的同时符合环保要求。

低甲二除了将合格的净化气送PSA工段制氢,还脱除未变换气中的CO2、H2S及有机硫杂质,并脱除未变换气中带入的饱和水,制得φ(CO2)=10×10-6、φ(H2S+COS)<0.1×10-6的合格净化气送往CO分离及压缩装置;同时处理外排尾气、甲醇水混合物,在回收甲醇的同时符合环保要求。

低温甲醇洗是一种物理吸收法,低温、高压下在甲醇洗涤塔中完成低温甲醇对CO2、H2S、COS的吸收;吸收了CO2、H2S、COS等气体的甲醇溶液(无硫富甲醇和含硫富甲醇)分别经过节流降压(少量的H2和CO在吸收过程中也被吸收,经节流降压闪蒸、压缩后得以回收),释放出CO2、H2S,再在热态下将CO2、H2S从甲醇溶液中完全再生出来,得到完全再生的甲醇(贫甲醇)循环使用。甲醇热再生过程中需要用蒸汽进行加热再生。在热再生环节,低低压蒸汽(0.5 MPa饱和蒸汽)经甲醇热再生塔再沸器(E012)加热甲醇后变成高温冷凝液送到凝液收集罐(V017)。2个系列低温甲醇洗装置的此股冷凝液进入凝液收集罐(V017)的管线后,都出现明显的水锤现象,低甲二冷凝液管线水锤现象特别严重。

1 蒸汽冷凝液流程

煤制氢甲醇车间2个系列低温甲醇洗装置分别于2019年2月和2019年4月投入运行。本文以低甲二疏水阀后冷凝液管线调整及改造过程进行说明。该低温甲醇洗装置甲醇热再生塔使用的0.5 MPa饱和蒸汽经再沸器(E012)与塔内甲醇换热后,经蒸汽疏水阀组(2个并连的疏水阀组及公用1组旁路阀)分离出冷凝液后,与来自管网0.5 MPa饱和蒸汽伴热疏水和来自CO分离及压缩装置的再生气加热器(44143E003)产生的冷凝液汇合后,进入凝液收集罐(V017)。凝液收集罐(V017)产生的闪蒸汽送变换除氧器(43132V008),凝液收集罐(V017)的冷凝液经冷凝液泵(44142P012)加压至1.0 MPa后送到冷凝液管网。低甲二甲醇/水分离塔再沸器(44142E015)用1.0 MPa蒸汽加热后,经疏水阀组进入凝液闪蒸槽(44142V016),凝液闪蒸槽(44142V016)产生的高压闪蒸汽送到0.5 MPa的饱和蒸汽管网,冷凝液经液位自调阀(44142LV2812)送到凝液收集罐(V017)[1-2]。产生水锤振动现象的位置是再沸器(E012)疏水阀后管道与来自管网0.5 MPa饱和蒸汽伴热疏水,以及来自CO分离与压缩装置的再生气加热器(44143E003)产生的冷凝液汇合后的总管汇合处。蒸汽冷凝液流程见图1。

图1 蒸汽冷凝液流程

2 蒸汽疏水阀原理及水锤现象

在有压力的管路中,某种外界原因(如阀门突然关闭、水泵机组突然停车)使水的流速突然发生变化,从而引起水击的水力现象称为水击或水锤[3]。

蒸汽疏水阀是一个能无需外界帮助,自动从设备或管道中排出冷凝水的装置。蒸汽疏水阀的作用是自动排除加热设备或蒸汽管道中的蒸汽凝结水及空气等不凝气体,且不漏出蒸汽[4]。由于蒸汽疏水阀具有阻汽排水的作用,可使蒸汽加热设备均匀给热,充分利用蒸汽潜热防止蒸汽管道中发生水锤。

蒸汽系统和冷凝水回收系统中发生的水锤,通常分为两大类:

(1) 在蒸汽主管上由于辐射散热的原因,会产生冷凝水;蒸汽在管道内高速的流动从而带动冷凝水一起流动造成了涟漪,随着蒸汽的带动冷凝水在管道内慢慢形成了一定的规模。在这种情况下,类似于强风引起的巨大海浪,高速的冷凝水突然进入管道内,当冷凝水猛烈地撞击到弯头或一个关闭着的阀门时,发生水锤现象。

(2) 蒸汽急速冷凝,发生相互撞击。当蒸汽损失了热量,它会转变为冷凝水,其体积是蒸汽体积的千分之一。因此,当蒸汽进入接触到低温的冷凝水从而发生冷凝时,蒸汽的体积立刻发生巨大的变化。当蒸汽在冷凝过程中,由于体积减小会暂时形成真空状态,因此管道内的冷凝水会被吸到这个真空的空间。这种情况就会形成水锤,冷凝水在管道内形成浪涌互相撞击。

简而言之,管道内的低温冷凝水与蒸汽混合是非常危险的,但这样的情况又是非常普遍的。在冷凝水回收系统或类似的系统中,这是一种非常难以解决的水锤形式。值得注意的是,这种类型的水锤形式不仅会出现在冷凝水回收系统中,还会发生在蒸汽配送管道和蒸汽用设备中。低甲二出现的水锤现象符合第2种现象。

水锤现象破坏力很大,它会导致管道振动大,甚至管道阀门破裂。低甲二就出现蒸汽疏水阀后阀门压盖泄漏,阀后压力表多次损坏,压力表根部阀前法兰泄漏。为了维护系统正常运行,只能对泄漏的法兰进行带压堵漏,以维持运行,这也给装置埋下安全隐患。

3 工艺调整及改造

该低温甲醇洗装置使用的蒸汽疏水阀是进口公司的杠杆浮球式疏水阀。经过观察,凝液收集槽(V017)的冷凝液进入冷凝液泵(44142P012),泵入口处安装了现场压力表,当此处的压力波动剧烈时(从0.15 MPa波动到0.32 MPa),容易出现管道异响(水锤现象)。

从多方面进行分析和处理,最初怀疑蒸汽疏水阀有问题,怀疑蒸汽疏水阀漏汽造成水锤。现场查看并拆检蒸汽疏水阀发现蒸汽疏水阀无异常,工作期间运行正常。现场调整了从凝液闪蒸槽(44142V016)来的蒸汽冷凝液量,将液位自调阀(44142LV2812)改成手动调节,稳定在一定开度,保持冷凝液流量稳定、无大幅度波动。经过一段时间观察,变换除氧器(43132V008)的压力稳定在0.18 MPa时,凝液收集罐(V017)压力依然波动,水锤现象依然频繁发生。尝试采用调整蒸汽疏水阀前后切断阀开度、开蒸汽疏水阀旁路阀,调整凝液收集罐(V017)液位满液位、关闭蒸汽疏水阀组,以及调整旁路阀开度的操作方式,均不能消除水锤振动现象。

根据蒸汽疏水阀厂家现场工程技术人员的考察,分析可能是凝液收集罐(V017)压力波动造成蒸汽疏水阀背压,即蒸汽疏水阀下游压力波动,从而影响疏水阀的正常使用。蒸汽疏水阀入口(一次侧)的压力和背压之间的差值为工作压差;如果有冷凝水流入的闪蒸罐的压力升高,背压也会升高。由于冷凝液收集罐(V017)压力波动较大,会使疏水阀失去正常功能(按照疏水阀厂家的要求疏水阀前后压差必须大于0.1 MPa)。蒸汽疏水阀厂家现场工程技术人员建议在蒸汽疏水阀后冷凝液管上增加止回阀,以消除冷凝液逆流现象,起到对设备、管道、阀门等的保护作用,并消除水锤现象。

借鉴其他再沸器运行的经验,计划增加再沸器的液位自调阀,以控制再沸器保持一定液位,减少液击现象发生。为此,设计院设计出了自调阀的安装配管方案并提供了自调阀技术规格要求。但该方案需要在系统停车时实施,同时这也是一种尝试手段,并不能保证一定会解决该项问题。

为了能早日解决当前正常生产状况下水锤现象的安全隐患,考虑到水锤现象主要发生在疏水阀后和冷凝液总管汇合处,提出从疏水阀后新配1条去凝液收集罐(V017)的管道,避免各种温度不同的冷凝液相遇出现水锤振动现象。由于凝液收集罐(V017)没有备用管口,只能利用远传和现场液位计根部阀;考虑冷凝液管道设计通径较大(DN80),2020年2月25日首先改造了低甲二远传液位计(DN80),并投用了1组蒸汽疏水阀,即关闭该蒸汽疏水阀去原冷凝液总管的后切断阀,打开直接去凝液收集罐(V017)液位计新配管道上的阀门(该阀门开2到3扣,太大易出现水锤振动),通过该管线的投用,完全消除了水锤现象。由于新配管线是安装在远传液位计的下口,导致远传液位波动。经过观察,投用该管线后,凝液收集罐(V017)压力相对稳定,波动较小(冷凝液泵(44142P012)入口压力在0.23～0.25 MPa波动)。2020年3月18日,又对低甲一甲醇热再生塔再沸器(E012)蒸汽疏水阀后管道进行改造,将该管道配到凝液收集罐(V017)现场液位计的根部阀(DN40)后,投用后,远传液位稳定,水锤现象完全消失。

改造后的蒸汽凝液流程见图2。

图2 改造后蒸汽凝液流程

4 结语

针对冷凝液管道出现水锤振动的现象,应该查找振动源,多方面总结分析调整,根据现场实际情况,在不影响系统正常运行的情况下,大胆摸索实践。本改造是一个成功的案例,投资少(1台DN80-150LB和1台DN50-150LB阀门,20 m的DN80钢管),施工简单,操作方便,有效消除了水锤隐患,维护了生产的安全长周期运行。蒸汽凝液管道的水锤问题不仅仅发生在单个装置内,对于系统管廊上多股凝液汇合后因各工艺凝液温度不同也会出现水锤的问题,该改造思路可为同类型装置的前期设计、安全稳定运行提供参考。