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

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。