合成氨裝置中蒸汽發生器及其控制系統優化設計

李欣平 中石油東北煉化工程有限公司吉林設計院 吉林 132002

合成氨裝置中蒸汽發生器及其控制系統優化設計

李欣平*中石油東北煉化工程有限公司吉林設計院 吉林 132002

針對合成氨關鍵設備蒸汽發生器多次發生換熱管泄漏及設備頂部汽包氣液夾帶等情況，對該設備及其控制系統進行優化設計改造，改造后設備運行穩定。

蒸汽發生器控制系統優化設計汽液分離

1 原裝置運行概況

在合成氨抽合成氣、氫氣裝置中，氣化單元部分氧化法制取合成氨原料氣，由氣化單元進變換單元之前抽出粗合成氣，粗合成氣經熱量回收產生蒸汽，脫水后送老合成氣裝置。該單元操作條件苛刻，操作壓力高達8.5MPa(G)，操作溫度250℃，粗合成氣中含51.5782%(V)水蒸汽、0.025%(V)H2S、24.0%(V)H2。這種氣體組成對設備的結構設計和材料的選用帶來較大難度。關鍵設備蒸汽發生器為U型管釜式換熱器，管內介質為高溫合成氣，低溫時有H2S腐蝕，高溫時有H2腐蝕，殼程介質為低壓鍋爐給水，U型管束需承受9.55MPa(G)的設計壓力，其拉應力大，同時工藝物料對奧氏體不銹鋼尚有氯離子腐蝕。該設備在投入運行后曾多次發生蒸汽發生器換熱管泄漏及設備頂部汽包氣液夾帶等事故，造成裝置停車;同時由于泄漏的合成氣中含有23.2196% (V)的CO，給整個裝置蒸汽管網帶來安全隱患。

2 優化設計改造方案

蒸汽發生器的設備結構及控制系統優化設計改造方案見圖1。

蒸汽發生器為U型管釜式換熱器，管內介質為高溫合成氣，殼程介質為低壓鍋爐給水，優化設計改造方案為:重新優化設備殼程直徑和汽包立式筒體直徑以增加設備內汽液分離空間;在汽包內設立式波紋擋板除沫器，內設降液管，改善汽液分離效果，低壓蒸汽出口管改為側面開口;蒸汽發生器上設有液位變送器LT－20011，通過DCS建立L1CA－20011液位自動控制報警系統，使管內最低液面控制在蒸汽發生器內換熱管束之上;在蒸汽出口管上設有壓力變送器PT－20011，通過DCS建立L1CA－20011自動控制系統，使蒸汽出口壓力控制在0.5MPa(G);在蒸汽發生器低壓蒸汽出口管線上設有CO在線分析儀A1－20011，隨時監測含有CO的合成氣是否泄漏到低壓蒸汽管道中，避免爆炸或人員中毒事故發生。

經過優化設計，保證改造后的裝置長周期穩定運行，避免了汽液夾帶現象，腐蝕程度低微，不泄漏，設備使用壽命延長，操作穩定，生產安全，避免了事故的發生。

蒸汽發生器工藝數據見表1。

圖1 蒸汽發生器設備結構及控制系統優化設計改造方案簡圖

3 實施案例

蒸汽發生器是合成氨增設抽合成氣、氫氣裝置中合成氣抽出及熱量回收單元最關鍵的設備，操作條件苛刻。蒸汽發生器的作用是將合成氣的溫度由260℃降至170℃，利用其熱量產生低壓飽和蒸汽，并使合成氣中的飽和蒸汽冷凝后分離出來。

表1 蒸汽發生器的工藝數據

設備管口說明見表2。

表2 設備管口說明

進蒸汽發生器管內介質為合成氣，正常操作溫度為250℃，最高操作溫度為260℃，操作壓力為8.45MPa(G)。合成氣總量為45500Nm3/h，其組成及含量為:51.5782%(V)H2O，23.4751% (V)H2，0.0496%(V)N2，23.2196%(V) CO，0.1777%(V)Ar，0.2385%(V)CH4，1.2366%(V)CO2，0.0234%(V)H2S，0.0013%(V)COS。管外殼程介質為低壓鍋爐給水，入口溫度128℃，入口壓力為1.0 MPa(G)，出口溫度153℃，出口壓力為0.5 MPa(G)。由于該設備處于極苛刻的工藝操作條件下運行，換熱管材質既要耐低溫時的H2S腐蝕，又要耐高溫時氫腐蝕和氯離子應力腐蝕，換熱管還要承受8.45MPa(G)高壓，拉應力大。

合成氨裝置開車后，其裝置內蒸汽發生器換熱管多次發生泄漏，分析主要原因如下:

由于該蒸汽發生器長期處于低負荷運行，而且實際操作中蒸汽壓力偏離設計值，在日常操作中設備汽包內經常出現汽液夾帶現象，為避免汽液夾帶，蒸汽發生器控制在低液位狀態操作，換熱管束沒有完全浸入液面下，形成界面腐蝕，造成換熱管泄漏。

根據蒸汽發生器實際操作負荷范圍(70%～120%)與原設計范圍相同，因此換熱管束即換熱面積維持原設計不變。換熱管的泄漏是由于低液位狀態操作形成界面腐蝕造成，因此設備材質不需改變。

3.1 設備優化

針對蒸汽發生器實際操作負荷，對該設備結構進行優化改進:

(1)將該設備殼程直徑由1500mm改為2000mm，既增加汽液分離空間，又保證在實際操作中換熱管束始終浸在液面下。據現有廠房中該設備上方凈空1500mm，改造后增加殼體直徑的該設備仍有足夠的安裝空間。

(2)為保證蒸汽發生器運行中其頂部汽包內汽液分離效果，避免霧沫夾帶，對汽包結構進行優化設計:汽包立式筒體直徑由900mm改為1200mm，增加汽液分離空間。

(3)汽包內除沫器結構型式由現有的絲網式橫式放置除沫網改為立式波紋擋板式除沫器，并增設降液管，增強汽液分離效果。

(4)由于除沫器型式的改變，與此相對應的汽包低壓蒸汽出口N4管口的開口方向由頂部開口改為側面開口。

3.2 設計優化

為保證生產運行安全可靠，工藝流程控制系統設計采取的措施:

(1)設蒸汽發生器液位自動控制系統L1CA－20011，蒸汽發生器上裝有液位變送器LT－20011，控制液位高度，并在DCS上設液位的高低位報警，使最低液面控制在蒸汽發生器內換熱管束之上，以保證管束完全浸入液面下，避免產生界面腐蝕。

(2)嚴格按設計中蒸汽發生器產生1.0MPa (G)蒸汽的工況進行操作，設P1C－20011壓力控制系統，出口管上設壓力變送器PT－20011，產生1.0MPa(G)的蒸汽通過壓力控制系統的調節閥調節至0.5 MPa(G)后進裝置0.5 MPa(G)蒸汽管網，嚴禁1.0MPa(G)的蒸汽直接進0.5 MPa (G)低壓蒸汽管網。

(3)為保證生產安全，在蒸汽發生器低壓蒸汽出口管線上設CO在線分析儀A1－20011，隨時在線監測含有CO的合成氣是否泄漏到低壓蒸汽管線中。

4 結語

改造后的蒸汽發生器已投入使用，運行結果表明，針對蒸汽發生器及其控制系統的優化設計改造，從根本上杜絕了該設備內霧沫夾帶現象和換熱管泄漏事故，保證了該關鍵設備在極端苛刻的操作條件下安全、穩定地運行。

1 潘國昌，郭慶豐．化工設備設計．［M］．北京:清華大學出版社，1996，12．

2 王撫華．化學工程實用專題設計手冊［S］．北京:學苑出版社，2002.10．

3 天津大學化工原理教研室．化工原理［M］．天津:天津科學技術出版社，1999.6．

For the case of tube leakage of the“steam generator”，the key equipment of ammonia plant and the top steam drum vapor-liquid entrainment accident，optimize the design of this equipment and its control system to achieve stable operation after renovation．

Optimum Design for Steam Generator and Control System in Ammonia Plant

Li Xinping

(PetroChina Northeast Refining＆Chemicals Engineering Co.，Ltd．Process System Dept．of Jilin Design Institute，Jilin 132002)

steam generatorcontrol systemoptimum design vapor-liquid separation

*李欣平:高級工程師。1992年畢業于吉林化工學院化學工程專業，2004年畢業于北京石油大學獲工程碩士學位。一直從事化工工藝設計與管理工作。聯系電話:(0432)63911308，E－mail:jly_lxp0131@petrochina.com.cn。

2011－12－08)