石化企业加氢设备换热器故障分析方法

赵大雷

（中国石油哈尔滨石化分公司，黑龙江哈尔滨 150056）

0 引言

由于存在着诸如氢气、油类等介质的双重作用，所以在加氢设备中存在着高度的危险。而且，由于加氢过程本身就是一种强烈的放热反应，所以在高温和压力下，有些管线会发生氢化，导致发生爆炸。而且，除了氢气之外，在加氢过程中，也存在着其他易燃和爆炸的危险。从这一点可以看出，氢气设备的换热器故障是极其危险的，如果发生这种情况，将会给周围的环境带来巨大的破坏。因此，在实际使用这类换热器时，必须重视对其进行故障的诊断和分析，从而能够迅速地找到并处理这些问题。只有如此，才能保证氢气设备的使用，从而防止因设备的失效而造成的安全隐患。

1 加氢式换热器失效原因分析

（1）由于循环氢的流动对热交换器的温度产生了作用而引起的失效。在操作过程中，循环氢气又称为“急冷氢气”，它的流动速度较高，使热交换机内的温度下降，从而使设备的转换效率下降；但循环氢气的流速过小，就会影响到整个装置的冷却，造成裂解过程中的过量反应，使床内的温度持续上升，最后造成设备的失效。

（2）由于供给的流量对热交换器的温度产生了影响而造成的失效。在此设备操作过程中，如果其他情况都相同，物料的用量就会增大，并且每小时的催化物料的通过率也会相应增大，使物料与催化剂的反应速度加快，不但会对产品的品质产生不利的效果，而且还会引起换热设备的温度升高，进而引起设备失效。

（3）由于原料的温度对交换器的温度产生作用而引起的失效。在特定的换热器工作过程中，当加热炉的加热温度增加时，其末端的反应速度就会增加，使其本身的热量增加，使其处于较高的温度下，使其在较高的温度下易于结炭，进而引起热交换器失效[2]。

（4）由于冷却介质的干扰而造成的失效。当塔顶部的冷却液突然停止供给，随着反应的进行和热积累，塔尖的温度会急剧升高，一旦超过了设计值，不但会影响到产品的品质，还会引起装置的失效，从而引起安全问题。

（5）由顶部回流末端对顶部的温度产生的作用而引起的失效。在使用中，当塔顶部回流发生中断时，会使塔顶部的温度急剧上升，使煤油和柴油的回收量增大，不但会对塔底部的成品造成不利的影响，而且极有可能由于过热引起的热交换器失效，造成火灾、爆炸等安全问题。

2 加氢式换热器的故障诊断模式的构建

2.1 换热器的主成分和反应产品

在石化工业中，对加氢气设备的换热器进行建模时，必须确定其主要成分及反应产品，并据此进行分析，以便为以后的建模打下坚实的理论基础。就现有的制氢工艺而言，它的基本原则是将氢气、油中的硫、沸点比汽油高的噻吩类等物质分离出来，从而达到提高原油的质量，达到符合当前环保要求的目的。在实际的加氢法中，加氢裂化和加氢精致是两大类技术。氢气、油及其所含氮、氧、硫、重金属等的杂质是氢气和油，其主要产品为低分子量产物。

2.2 换热器的故障特性

根据加氢设备中热交换材料和反应产物特性，在构建该系统时，可以将该系统分成若干个虚拟群，并根据其用途将该系统分成若干个集合。根据热交换机所具备的动力学理论，可以分为原料油、航空煤油、柴油、轻石脑油、重石脑油和煤气等原料。在该装置工作时，柴油、轻石脑油、重石脑油和煤气都会在同一时间产生，而在反应器内，液态的混合速度也不会改变。在这种情况下，根据热交换器与氢的压力输出关系，可以得到如下的结论：

其中，Ki表示换热器的温度以及氢的压力；Ai表示反应总量的前期因素；e 表示虚拟的因子，Ei表示活性，R 表示污染因子，T 表示温度[4]。采用恩氏蒸发技术对热交换器内的油及反应剂进行分离，从而达到了对虚拟成分进行科学分割的目的。

2.3 热交换机的故障分析程序的制定

根据以上各项动态响应的指标，调整各部件的流速、压强，从而达到了科学地建立故障诊断的过程。在此过程中，可以将其分为4 大部分：①过程体系，其主要检查的是设备进口部位的温度和进气滤清器过高的压力；②系统故障，主要检查系统进水，部件损坏，振动和部件的温度；③装置监测，其主要功能有控制电路、仪表型号、控制信号的稳定；④公共设备，包括蒸汽温度、循环氢供应中断、仪器故障等。

利用此模式对氢气设备的换热器进行故障分析时，采用以上方法对各部件进行流量和压力的检测。在具体的检查中，重点检查了下列物质的流动和压力：主分馏塔的进料、汽提进料、塔顶冷却塔、酸液排出、塔顶油、塔底排油、塔底排油、最后排油、煤油、二次回流、超气化油的回流、塔顶回流、煤油汽提塔、柴油汽提塔。

由于加氢换热器的结构较为复杂，因此在进行特定的检查时，为了综合反映动态和物理性能的各种因素，可以使实测得到的结果与真实的结果存在一些偏差。

2.4 热交换机的故障诊断模式的构建

在石化工业中，一般采用加氢气交换器来处理直馏柴油、焦化汽油和焦化柴油。故障分析模式的原理如图1 所示。

这类热交换器有两种主要的类型，一种是高压的混合供给型，另一种是低分油型，两种不同类型的热交换器的比较见表1。

表1 两种类型的热交换器比较

在加氢厂的换热器实际使用中，存在的问题有：反应炉内的温度超过限值，加热炉的停炉引起的炉膛闪爆，高压或低压分离器的水位控制故障，安全仪表故障，循环氢气压缩机故障等。加氢脱氧、加氢脱硫、加氢、加氢裂化等过程，都会产生剧烈的放热现象，这种状况下，必须向加氢设备内加入急冷氢，才能保证催化剂床层的温度不变。在这个阶段，若加载的急冷氢气流量不够，则会导致大量的热无法被及时地排出，导致反应床内的气温持续升高。若长期处于这种工作状态，氢气设备的换热器极易产生漏油现象，造成火灾、爆炸等严重的安全隐患；当设备在反应期间，系统的压力是由一个高压分离机来完成的，这时，当液体的高度超过限制，就会有大量的高压气体流入到低压系统中，导致整个系统因为超压而产生爆炸。若低压分流装置中的液体水平较高或气体水平较低，则会导致脱丁烷塔内的高压，造成装置的损伤；循环式压缩机在使用过程中，如果温度和压力太大，很容易损坏管道、压缩机和仪器，引起泄漏，严重时会引起火灾和爆炸。在加氢炉的换热器中，已经安装了危险的、易燃性的警报设备，但如果警报设备没有安装到位，或是操作人员没有对其进行定期的检测，就会造成警报系统的工作状态不正常，不能根据需要进行报警。而且，由于它的主要媒介是易燃的、腐蚀的，如果其内部发生了变化，很可能会导致装备的破损和材料泄漏，从而引发爆炸、火灾等严重的安全问题。

3 加氢换热器模拟试验与研究

3.1 试验目标

利用此方法，对石化企业加氢换热器进行了故障诊断建模，从而对其实际使用情况进行分析，并对其进行模拟分析。在这一模拟试验中，主要试验思想是利用新的故障诊断模式，来模拟石化工业中使用的氢气换热器的故障，并将其与常规的故障检测结果进行比较，从而达到可靠性判定的目的。

3.2 试验方案

在试验中，以上重要的原因作为试验目标，以不同的因子进行了分类：①由于供给率对换热装置的温度造成的失效；②由于原料温度对换热装置温度造成的失效；③由于冷却介质干扰对塔尖的温度造成的失效；④由于顶部回流末端对塔尖的温度造成的失效。将此模式设置为试验组，将常规故障检测法设置为控制点。此次模拟试验选取了100 个样品。

3.3 试验成果

根据以上的故障分析模式，分析了由于不同原因引起的加氢气设备的换热样品的失效原因，并将试验组与常规诊断法得到的数据进行比较。试验组与常规诊断的比较正确性如图2 所示。

图2 试验组与常规诊断的比较正确性

3.4 试验研究

从以上两种方法的识别精度来看，此方法与常规方法相比，可以提高石化企业的换热器的故障识别精度。与常规人工探测方法相比，本方法能有效提高设备的故障诊断率，并能有效地发现设备的失效和故障产生的不利后果。因此，这种方法的可靠性很高。

4 结束语

在石化工业中，加氢机的换热装置是重要的工艺装备。在实际操作中，一旦发生故障，极有可能导致严重的安全隐患，造成无法估计的经济损失。为了更好地保证换热器的工作性能，防止它的失效，相关企业、科研工作者和技术工作者都要加强对它的分析和分析。针对实际的失效状况和影响因子，科学地构建了一个基于数学建模的数学模型，并用试验模拟方法对该数学建模进行检验。经过检验，与常规的手工诊断方法相比，采用一种更加科学、合理的诊断方法，能够及时准确地诊断出换热元件的失效，为及时排除故障和维护装置的正常运转奠定基础。只有这样，石化工业生产中的换热器问题才能得到有效解决，提高生产效率、质量和安全性，使石化工业健康发展。