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催化裂化装置富气压缩机级间冷却器改造

2024-04-08席欢欢韩晨阳冯蕾博

化工设计通讯 2024年1期
关键词:级间内漏管束

席欢欢,韩晨阳,冯蕾博

[陕西延长石油(集团)有限责任公司延安炼油厂,陕西延安 727406]

1 前言

陕西延长石油(集团)有限公司延安炼油厂100万t/a催化裂化装置富气压缩机主要作用是将分馏系统的0.15 MPa的低压富气加压至1.30 MPa并送至吸收稳定系统。为防止压缩后的气体温度过高,采用两段压缩,在一段出口设置级间冷却器和级间分液罐,而级间冷却器主要担负压缩富气中间冷凝作用,一方面防止段后温度过高造成气体分解和结焦,影响压缩机正常运行,另一方面可使一部分C5和C6组分冷凝,减少压缩机负荷,如图1所示。

图1 富气流程

由于操作条件比较苛刻(富气中H2S含量为1 000×10-6),级间冷却器管束平均寿命为1 a。2017年5月富气压缩机开机,运行至2018年6月,发现级间冷却器管束内漏,随即通过平衡管壳程两侧压力,富气压缩机运行至2019年11月。由于内漏扩大造成富气压缩机非计划停机,2019年11月对级间冷却器进行了更换。运行至2020年4月份装置大检修,检修期间发现管束渗漏。装置的设计为3 a一修的长周期运行,但现有级间冷却器已不能满足装置的长周期运行。

2 管束内漏的危害

级间冷却器管束内漏造成富气与循环水互串(循环水和富气压力均在0.5 MPa左右),当循环水进入富气系统后,造成冷却器后级间分液罐油水界位波动大,分液罐脱水量增大,增加下游污水处理装置的负荷。而富气进入循环水系统后,则危害更大。

1)富气进入循环水后,造成循环水系统污染。循环水至冷却塔后,富气则会从循环水中溢出,造成环境污染,而且环境中弥漫富气,如遇火源则会造成着火、爆炸;此外富气中H2S含量高,进入循环水后H2S溶解于水中,而这种循环水会对其他设备和管线造成腐蚀。

2)富气流失造成装置液化气收率降低。通过对比级间冷却器管束泄漏前后液化气收率,管束泄漏造成液化气收率降低约2.55%。

3)级间冷却器内漏扩大,大量富气进入循环水中,造成气压机二段流量波动较大,气压机出现喘振,从而造成气压机非计划停机。2019年11月16日气压机非计划停机时间就是这个原因造成的。

4)级间冷却器出现内漏、为放置大量富气进入循环水时,一般会在循环水出口进行截流,保证循环水压力略大于富气压力,但这会使得级间冷却器循环水量减小,冷却效果变差,压缩机负荷大,增加了原动机(汽轮机)的蒸汽用量。

此外,若要对级间冷却器进行检修,则需将富气压缩机切出系统,分馏系统的富气则需通过放火炬燃烧掉。这不仅会造成产品的损失,还会造成环境污染。

3 管束内漏原因分析

级间冷却器原设计单管程,富气走管程,水平进出,循环水走壳程,上进下出。

3.1 介质原因

(1)富气侧:原油中的大部分硫化物在催化裂化过程中都被转化为H2S,同时油品中的含氮物质也随着催化裂化反应的发生而存在于产品中,其中有1%~2%的氮化物以氰化氢的形式存在,因此在介质中形成了HCN-H2S-H2O的腐蚀环境。氰化氢的存在加速了H2S-H2O的腐蚀作用。氰离子在碱性的H2S-H2O溶液中具有双重作用:氰化物会溶解硫化氢与铁生成的FeS保护膜,并使H2S的腐蚀作用加速[1]。随着CN-的存在和浓度的增加,介质对设备及管线的腐蚀加速[2]。H2S和铁反应生成的FeS在pH大于6时能覆盖在钢铁表面,有较好的保护作用,腐蚀速率随着时间的推移而下降;但是如果介质中含有CN-,则会使FeS溶解并生成络合离子Fe(CN)4-,加速了设备及管线的腐蚀[2-3]。

(2)循环水侧:因为循环水中含有的钙离子、镁离子和酸式碳酸盐会在传热面上结垢,同时伴随有铁锈的生成,金属在垢下腐蚀。由于电化学腐蚀存在自催化作用,金属的腐蚀将被加速。

3.2 结构原因

(1)循环水走壳程,流速较慢,结垢后易造成电化学腐蚀。

(2)级间冷却器管束采用Φ16×1.6的换热管,换热管管径小,管壁薄,富气流速大,容易对管束内壁形成冲刷。

(3)由于级间冷却器采用单管程设计,且富气为水平进出,换热器底部换热管中会形成积液,加速管束腐蚀。这在历次检修时都得到了验证:底部换热管有明显的腐蚀穿孔现象。

4 冷却器改造

4.1 确定材质

在冷却器的使用过程中,换热管的抗腐蚀性直接影响换热管的使用寿命和使用效益。虽然在换热管抗腐蚀性上,304和316不锈钢表现出了独特的优势,但其价格昂贵,具有一定的成本压力,况且不锈钢在Cl-环境中容易应力腐蚀开裂。而08Cr2AlMo换热管焊接性能接近碳钢,具有抗腐蚀能力,价格也比普通不锈钢材质低很多,且在石化企业中应用比较广泛,延安炼油厂也运用较多。实践和实验表明,08Cr2AlMo换热管针对HCN-H2S-HCl环境有明显的抗腐蚀性,不仅技术可靠,还具有很强的经济竞争力。此外,国内同类型冷却器使用08Cr2AlMo换热管的成功经验也比较多。

4.2 确定换热器型式

为改良传统的级间冷却器结构,通过查阅资料并对比国内同类型冷却器,发现浮头式换热器有壳体与管束的温度不受限制、管束便于更换、壳程可以用机械方法进行清扫的优点,最终确定选用浮头式换热器。

根据换热器管壳程介质的确定原则[4],不清洁的流体走管内,以便于清洗。如果循环水走管内,由于管内流速大,可以减少结垢,减少泥沙的沉积,减少垢下腐蚀。由于富气在冷却过程中会产生大量凝液,且运行过程中为减少富气中的酸性物质对下游装置和设备的腐蚀,会在富气中注入除盐水对富气进行水洗,则富气走壳程便于富气中凝液的排出。但是富气走壳程,传统的折流板阻力较大,设计壳程压降≯0.1 MPa。为解决这一问题,在富气进口,将折流板更换为一种流动阻力小的折流杆,且不影响传热性能。

在不影响换热效果的前提下,为增加管束的防腐蚀能力,将换热管尺寸由原来的Φ16×1.6更换为Φ19×2。由于级间冷却器改造前后富气及循环水参数未发生变化,在保持原换热面积的前提下,最终确定改造后换热器型号为BES1000-2.5-310-6/19-2I(B=200)。

5 方案实施

改造方案确定以后,于2020年4月大检修期间实施。由于检修时间只有一个月,不可能完成设计、计划申报、采购、施工,因此大检修期间对内漏管束进行堵管处理,并在循环水、富气管线上预留阀门。项目于2021年4月完成,在不影响装置正常运行的前提下,在线完成新冷却器的安装及投用。投用前后效果对比如图2所示,图中线条陡峭处表示在投用当天的8:00—10:00对级间冷却器进行在线切换。

图2 新改造级间冷却器投用前后富气冷后温度变化图

改造后,为保证富气冷后温度控制在55~60 ℃之间,调整循环水阀门开度为1/5。改造后,级间冷却器压降由原来的0.04 MPa增至0.06 MPa左右,符合设计要求。截至2023年3月底,级间冷却器前后压差仍保持在0.06 MPa左右。

改造后级间冷却器自2021年4月投用,截至2023年3月底,运行平稳,未发生管束内漏。

此外,由于级间冷却器为单台设备,富气压缩机正常运行时无法切出检修,因此为彻底解决级间冷却器内漏隐患,将改造前的级间冷却器更换管束后备用,使得级间冷却器开一备一,这为富气压缩机的正常长周期运行提供了进一步的保障。

6 效果评价

改造后的级间冷却器,不仅在经济上为企业带来了效益,而且也有一定的社会效益。

6.1 经济效益

按照传统的级间冷却器的运行周期,改造后的级间冷却器可减少富气压缩机的1次非计划停机。以往级间冷却器检修需48 h,检修期间至少有20 t/h富气通过火炬排放,2 d排放960 t富气。按照富气中液化气和干气比例为5:1、干气价格1 500 元/t、液化气价格3 500 元/t计算,可减少304 万元的浪费。

6.2 社会效益

(1)消除级间冷却器内漏隐患,防止循环水携带富气,解决了因富气扩散进入大气而造成装置异味大的问题,消除了安全隐患,避免了大气污染。

(2)减少了气压机非计划停机造成火炬冒黑烟的事件发生,为坚决打赢“蓝天保卫战”贡献力量。

(3)消除富气扩散和放火炬,降低了企业整体碳排放量,从根本上消除了隐患,为打造绿色低碳炼化企业提供了坚实的保障。

7 结语

通过两年的实践,说明100万t/a催化裂化装置富气压缩机级间冷却器改造效果明显,解决了级间冷却器内漏隐患,消除了制约装置3 a长周期运行的一项因素。

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