雅站導熱油系統含氣停機原因分析與處理方法

楊 剛

中國石油化工股份有限公司西北油田分公司, 新疆 阿克蘇 842017

0 前言

雅克拉集氣處理站(簡稱雅站)位于新疆庫車縣境內的塔克拉瑪干沙漠北緣,2005年11月底建成投產。2017年1月對雅站導熱油進行取樣化驗,發現低沸物含量偏高,2017年4月檢修時替換部分導熱油,約3 t。為保持站內導熱油系統安全運行,定期在高溫導熱油回路高位處和中溫導熱油回路高位處進行排氣,導熱油系統安全平穩運行至2019年1月30日。2019年2月6日導熱油系統含氣高導致高、中溫導熱油循環泵氣蝕不上量停泵,造成熱媒單元、氣處理裝置停機,輕烴和液化氣無產量和外輸氣烴露點超標,對下游外輸氣管線影響十分嚴重。

1 導熱油系統簡介

加熱循環系統由熱媒爐、儲油罐、膨脹罐、導熱油循環泵、換熱器、導熱油組成。其流程是導熱油被熱媒爐加熱后經過導熱油管網到達各個換熱器,導熱油走管程,被加熱的介質走殼程,實現熱量交換,導熱油經熱媒爐加熱至278 ℃,一部分直接供給高溫用戶,另一部分與從中溫用戶返回的導熱油進行混合后至175 ℃供給中溫用戶[1]。導熱油為蘇州首諾化工有限公司生產的T 55合成導熱油,具有熱穩定性高、低溫流動性好、使用壽命長、成本低、安全性能高的優點,最經濟的操作溫度范圍為-25～300 ℃。

燃燒系統主要由燃燒器、調壓閥、風機、供氣管網、供風管網組成,其功能是燃氣經調壓閥減壓后與助燃風機提供的空氣以一定的空燃比進入燃燒器燃燒,為導熱油提供熱量[2-3]。

氮氣保護系統包括氮氣儲罐及附屬自控系統,用于熱媒膨脹罐和儲罐的氮氣覆蓋,防止導熱油接觸空氣氧化。同時,當爐膛出現介質泄漏著火后,氮氣系統自動向爐膛噴射氮氣起到滅火作用[4]。

自動控制系統由電器控制柜、檢測傳感儀表組成,其功能是對導熱油進出爐溫度、排煙溫度、熱負荷等熱媒爐運行情況及故障進行檢測,并自動調整火焰大小,使熱媒爐在正常工況下運行[5]。

高溫導熱油用戶共計4個:再生氣加熱器、凝穩塔塔底重沸器、液化氣塔塔底重沸器、膨脹壓縮機組密封氣加熱器。中溫導熱油用戶共計5個:脫乙烷塔塔底重沸器、油水換熱器、凝析儲罐加熱盤管、塔河來油加熱器、混烴加熱器(已停用并在進出口法蘭處加盲板盲斷)。高、中溫導熱油循環泵采用德國KSB生產的離心式、機械密封、空氣自然冷卻式循環泵。導熱油循環泵結構上軸封由兩個徑向環型密封組成,其中一個可以防止熱油滲出,另一個可以防止外界灰塵與空氣進入。軸封前設計有一個狹長通道和一個碳化硅軸套,可以確保當軸封失效時熱油不突然釋放,保證了安全,也阻止了熱油與軸承、軸封之間的熱交換,并且泵殼采用翅片式設計,增強了散熱能力,防止高溫熱油大量涌到軸封處,大大提高了泵的使用壽命。根據實驗顯示,由于上面的特殊設計,當熱油溫度為350 ℃時,最大的殼溫度只有80 ℃[6]。高溫導熱油循環泵正常運行情況下,泵進口壓力0.4 MPa,泵出口壓力0.7 MPa;中溫導熱油循環泵正常運行情況下,泵進口壓力0.3 MPa,泵出口壓力0.6 MPa。導熱油各個用戶被加熱介質實際正常運行壓力見表1。

表1 導熱油各個用戶被加熱介質實際正常運行壓力表 MPa

2 相關原因分析

2.1 凝穩塔塔底重沸器更換新管束影響

2019年1月初,凝穩塔重沸器出現塔底溫度下降現象,1月10日、17日、25日分別對凝穩塔塔底重沸器進行洗鹽作業,洗鹽后依然出現凝穩塔塔底溫度加溫難的問題,原塔底正常運行溫度為145 ℃,洗鹽后最高提升至125 ℃然后逐漸下降為105 ℃,說明洗鹽效果不佳,結合凝析油穩定單元洗鹽運行情況、凝穩塔重沸器管束外壁鹽堵、殼程有泥砂和前期凝析油二級換熱器管束發生鹽堵和砂堵[7-9]串漏問題,判斷凝穩塔塔底重沸器存在鹽堵和砂堵,2019年2月2日對凝穩塔塔底重沸器進行抽芯檢查,發現管束存在嚴重的鹽堵和砂堵,見圖1。更換備用的新管束,見圖2。此次更換重沸器管束共排出導熱油6桶(約1.08 t),安裝新管束后未對管束內、封頭內、部分管線內空氣進行氮氣置換和排氣就緩慢導入導熱油,造成空氣進入導熱油管網系統。

圖1 管束鹽堵和砂堵照片

圖2 備用的新管束照片

2.2 工藝流程缺陷及改造

現場凝穩塔塔底重沸器導熱油流程工藝存在缺陷,導熱油從凝穩塔重沸器封頭頂部進入管束,從底部流出,見圖3。進口管線壓力表在閥門前段,抽芯回裝后無置換排氣流程。建議進行簡單改造,在重沸器導熱油進口閥門法蘭與重沸器本體法蘭之間加裝帶壓力表考克的儀表法蘭,關閉導熱油進、出口閥門,從導熱油出口壓力表處通氮氣,在導熱油出口儀表法蘭壓力表考克處進行置換、排氣;進導熱油前先打開導熱油出口調節閥的旁通閥緩慢進導熱油,在導熱油進口新加的儀表法蘭壓力表考克處排氣,見圖4。當儀表法蘭壓力表考克處無氣且有導熱油流出時關閉儀表法蘭壓力表考克,此時管束內氮氣已基本全部排出。關閉導熱油出口調節閥旁通,打開調節閥前后閥門和導熱油進口閥門,通過導熱油出口調節閥調節塔底溫度。

圖3 導熱油流程照片

圖4 導熱油進口加儀表法蘭照片

2.3 補加同一型號新導熱油影響

更換凝穩塔塔底重沸器管束時,因考慮到排油造成導熱油系統缺油,給導熱油儲罐補加同一型號的導熱油10桶[10](約1.8 t)。用導熱油加注泵將儲罐中大部分導熱油加入到導熱油系統中，剩余的導熱油儲存在導熱油儲罐中。2019年2月3日投運凝析油穩定塔和塔底重沸器,2月4日對凝析油穩定塔塔底重沸器封頭熱緊后正常投運。期間僅通過高溫導熱油回油管線高位處進行排氣,未在膨脹罐頂部進行脫水、排氣,因此可能存在脫水、排氣不徹底的情況。

2.4 站內原導熱油的影響

站內導熱油系統的原導熱油已運行十年以上,未進行過全部替換,每次檢修時只是補充缺少的導熱油。2017年1月對站內導熱油進行取樣化驗,發現系統中導熱油存在低沸物含量偏高的情況。低沸物是指導熱油在使用過程中,分子鏈發生斷裂,形成沸點低于導熱油新餾程范圍的物質。由于低沸物的沸點較低,在系統正常操作溫度和壓力下,易揮發成氣態物質,導熱油中的低沸物含量積累到一定程度會產生以下影響:引起導熱油循環泵氣蝕,造成導熱油循環泵不上量氣蝕停泵;加劇加熱爐中導熱油局部過熱現象,影響導熱油的使用壽命;引起系統壓力升高,導致膨脹罐和儲油罐中氮氣不必要的排放;導熱油閃點降低,極端情況閃點可能降低到系統設計標準以下,危及系統安全[11]。導熱油技術指標和設計要求見表2。定期對導熱油的運動黏度、水分、低沸物、閃點、殘炭值、酸值等技術指標進行化驗十分必要[12]。

表2 導熱油技術指標和設計要求表

2.5 電氣、儀表影響

2018年12月31日站內低壓配電室變頻控制柜線路短路故障見圖5,造成熱媒爐停爐報警。恢復供電后熱媒爐啟動正常,熱媒系統的PLC故障[13],見圖6。熱媒單元設備運行狀態和相關參數無法遠傳至中控室,中控室人員不能看到熱媒單元設備運行狀態和相關參數,只靠輔助崗位人員加強巡檢不易及時發現問題。

圖5 變頻控制柜線路短路燒毀照片

圖6 熱媒系統的PLC故障照片

3 排查處理過程

針對導熱油系統含氣造成停泵、停爐問題,技術人員和崗位人員及時進行排查、分析，基本排除低于高、中溫導熱油系統壓力的導熱油用戶(如凝析儲罐加熱盤管、凝穩塔塔底重沸器)漏入導熱油系統的可能性。通過對導熱油膨脹罐頂部和高、中溫導熱油回油管線高位處進行排氣,對高溫導熱油回油管線高位處排氣用四合一可燃氣體報警器進行檢測,四合一可燃氣體報警器顯示可燃氣體超標報警,可能是導熱油油蒸汽(含導熱油揮發的低沸物、一氧化碳),也可能是甲烷;隨后用甲烷氣體檢測儀對排出氣體進行甲烷濃度檢測,顯示甲烷濃度為540 mg/kg,說明排出的氣體甲烷濃度較少,可以排除再生氣加熱器、膨脹機組密封氣加熱器管束漏的可能性;根據導熱油膨脹罐運行現狀及罐內未出現“水擊”咕咚聲[14],排除油水換熱器管束漏的可能性。重點對脫乙烷塔塔底重沸器、液化氣塔塔底重沸器、塔河來油換熱器進行排查,通過關閉上述三個導熱油用戶的導熱油進出口,在保障介質正常壓力的情況下,4 h后導熱油出口管線壓力表壓力顯示穩定(壓力不上升),未發現重沸器、換熱設備管束存在串漏問題。導熱油系統排氣后,高、中溫導熱油循環泵均恢復正常運行,啟熱媒爐升溫[15],逐步投運所有的換熱設備,裝置恢復正常運行,未發現換熱設備串漏問題。基本判定此次熱媒單元停運的根本原因是導熱油系統中的氣未全部排出,造成導熱油循環泵氣蝕停泵[16-20]。

4 結論和建議

4.1 導熱油系統含氣來源及原因分析

雅站導熱油系統含氣來源主要有以下幾個方面:

1)2019年2月2日凝穩塔塔底重沸器更換新的管束后,管束和部分管線的空氣未用氮氣置換,空氣未及時全部排出,空氣進入導熱油系統,造成導熱油循環泵氣蝕不上量停泵。

2)新補加到系統的10桶導熱油(約1.8 t),新導熱油中低沸物被加熱后揮發進入導熱油系統。

3)站內系統原裝置內的導熱油已運行十年以上,未進行過全部替換,每次檢修時只是補充缺少的導熱油,導熱油2017年1月取樣化驗時已存在低沸物含量偏高的情況。

通過雅站導熱油系統含氣來源分析可知:

1)導熱油系統進氣、新補導熱油、系統原導熱油中低沸物含量高,是導熱油系統含氣的主要原因。

2)導熱油系統高、中溫用戶較多且距離熱媒爐遠,導熱油管網走向高低、曲折不同,導熱油系統氣體容易積聚,造成進入導熱油系統中的氣脫出較為困難,排氣時間長。導熱油循環泵運行情況下,才能更容易從導熱油回路高位處和膨脹罐頂部排出,導熱油循環泵不運行,導熱油回路高位處和膨脹罐頂部排氣較難，是導熱油系統難以排氣、排氣時間長的影響因素。

3)停電造成熱媒單元PLC通訊故障,中控室人員不能看到熱媒單元設備運行狀態和相關參數,只靠輔助崗人員加強巡檢不易及時發現問題。

4)導熱油系統進氣、補油后,崗位值班人員思想松懈未對導熱油系統進行排氣或排氣時間短、排氣效果較差,導熱油系統氣未及時全部排出,筆者認為這是最重要、最根本的原因。上述各種原因最終導致熱媒單元系統停運,長時間停運導致了站內氣處理裝置停機。

4.2 導熱油系統含氣問題解決建議

針對導熱油系統含氣問題建議解決措施如下:

1)嚴格按程序對導熱油系統進行排氣。加強崗位操作人員管控,特別是導熱油系統相關的用戶抽芯更換、補新導熱油時必須嚴格按照程序對導熱油系統進行排氣。

2)工藝流程優化,對沒有排氣置換的導熱油用戶的換熱器進行優化,增加氮氣置換、排氣流程。

3)每年對導熱油進行取樣化驗,分析運動黏度、水分、低沸物、閃點、殘炭值、酸值指標是否符合要求,必要時替換全部導熱油,保證系統換熱性能良好。

4)加強儀表配件儲備,發現儀表模塊故障及時進行處理,確保監控功能正常運行。