石油化工行業加氫裝置換熱器故障診斷措施

韓麗麗

（大慶油田化工有限公司甲醇分公司，黑龍江大慶 163411）

加氫裝置換熱器的危險性很高，因受到介質（氫氣和油）的影響，換熱器具有易燃易爆的特征。同時，因為加氫反應自身就屬于強放熱反應，在高溫高壓下，設備中的一些導線很容易出現氫催反應，從而很容易引發爆炸。另外，由于加氫反應所產生的尾氣中不僅有氫氣，還有其他一些易燃易爆物質，一旦出現故障，便很容易出現火災、爆炸等事故。由此可見，加氫裝置換熱器故障具有非常大的危害性，一旦出現了危險事故，便會導致嚴重的經濟損失甚至人員傷亡，同時也會對周邊環境造成很大程度的不良影響[1]?；诖?，在此類換熱器的具體應用中，石油化工行業一定要注重其故障的診斷與分析，以便及時發現和解決。通過這樣的方式，才可以確保加氫裝置換熱器的應用效果，避免其故障所導致的安全事故。

1 加氫換熱器故障主要影響因素

1）循環氫流量影響換熱器溫度導致的故障。運行中，循環氫也叫急冷氫，其流量越大，換熱器中的溫度就會越低，裝置中的轉化率便由此降低；但是如果循環氫的流量太低，便無法對裝置起到降溫效果，從而導致裂化反應過度，床層溫度不斷升高，最終引起設備故障。

2）進料量影響換熱器溫度導致的故障。在該裝置的運行中，若其他條件均不變，進料量越多，裝置中的空速就越大，單位時間內催化原料的通過量也會隨之增加，導致原料和催化劑之間的反應時間縮短，這樣不僅會對產品質量造成不良影響，同時也會引發換熱器升溫，從而造成故障。

3）進料溫度影響換熱器溫度導致的故障。在換熱器具體運行中，隨著進料溫度的升高，其末端的反應速率便會上升，從而導致換熱器自身溫度過高，催化劑床層很容易在高溫條件下發生結焦現象，從而導致換熱器故障[2]。

4）冷劑中斷影響塔頂溫度導致的故障。在塔頂位置的冷劑突然中斷供應之后，伴隨著反應的進行和熱量的積聚，塔頂溫度將迅速上升，如果其溫度超出了塔頂溫度的設計極限，不僅會導致產品質量不合格，同時也很容易引發設備故障，造成安全事故。

5）塔頂回流終端影響塔頂溫度所導致的故障。在換熱器的運行過程中，如果塔頂回流出現了中斷現象，塔頂的溫度將會迅速升高，從而增加煤油以及柴油的回收量，這樣不僅會導致塔底尾油產品質量受到不良影響，同時也很容易因超高溫而引發換熱器故障，造成火災、爆炸等的安全事故。

2 加氫換熱器故障診斷模型建立

2.1 換熱器中的主要原料及其反應產物

在對石油化工行業中的加氫裝置換熱器進行故障診斷模型的建立中，首先需要明確其主要的原料和反應產物，然后以此為依據進行分析，這樣才可以為后續的模型建立奠定良好基礎。就目前的加氫技術來看，其主要原理就是讓油中的硫醇性硫、沸點比油品高的噻吩以及其他的一些雜質脫離，以此來實現油的中間餾分以及品質提升，并與目前的環境標準相符。在加氫技術的具體應用中，其主要的技術形式有兩種，第一是加氫裂化，第二是加氫精制。因此，在加氫換熱器中，主要的原料是氫氣、油以及其所含有的氮、氧、硫和重金屬等的雜質，主要產物是低分子量產物。

2.2 換熱器故障參數分析

按照加氫裝置中的換熱器原料及其反應產品的具體特征，在對其進行故障診斷模型建立的過程中，可將加氫反應體系按照多個虛擬組進行劃分，并按照不同目的將虛擬組劃分成不同總集。將換熱器所具有的動力原理作為依據，可按照原料油、航空煤油、柴油、輕石腦油、重石腦油以及氣體來進行其原料劃分。當設備工作正常時，柴油、輕石腦油、重石腦油以及氣體便會同時生成，反應器中的液體混合物也會具有不變的流速[3]。此時，按照換熱器和氫氣之間的出壓函數，可得出以下結果：

式中，Ki代表換熱器溫度和氫氣所具有的壓力值；Ai代表反應總集中的前因子；e代表虛擬組的系數；Ei代表活性能；R代表污垢系數；T代表水溫[4]。按恩氏蒸餾法對換熱器中的油和反應物進行切割，以此來實現虛擬組分的科學劃分。

2.3 換熱器故障診斷流程確定

將上述各個動力反應參數作為依據，對各個部位的物料進行流量和壓力調節，以此來實現故障診斷流程的科學建立。在該診斷流程中，主要可按照四個系統來進行劃分：第一是工藝系統，主要的診斷內容包括機組入口位置溫度以及入口過濾器壓力過大；第二是設備系統，主要的診斷內容包括系統進水、組件損壞、機組振動和組件溫度；第三是設備監控系統，主要的診斷內容包括控制回路、儀表型號以及信號穩定性；第四是公用系統，主要的診斷內容包括蒸汽溫度、循環氫中斷以及儀表中斷。

在通過該模型對加氫裝置換熱器進行故障診斷的過程中，主要是將上述診斷流程作為依據，對其中的各個部分進行流量以及壓力診斷。具體診斷中，主要對以下的物料進行流量和壓力診斷：①主分餾塔進料；②汽提蒸汽進料；③塔頂冷凝器；④酸性水抽出；⑤塔頂石腦油；⑥塔底尾油；⑦柴油成品；⑧煤油成品；⑨二中回流；⑩過汽化油回流；塔頂回流；煤油汽提塔采出；柴油汽提塔采出。

因為加氫換熱器具有比較復雜的內部構造，基于此，在具體診斷中，出于對整體反應動力學參數以及物性參數等各個方面的誤差及其影響因素考慮，可允許實際測量中獲得的數據值和實際值有一定誤差。

2.4 換熱器故障診斷模型建立

在石油化工行業中，加氫裝置換熱器通常被用來進行直餾柴油、焦化汽油以及焦化柴油的加工。圖1為其故障診斷模型示意圖。

圖1 故障診斷模型示意圖

而在此類換熱器中，主要的類型有兩種，第一是混合進料形式的高壓換熱器，第二是低分油形式的換熱器。表1是兩種換熱器的對比情況。

表1 兩種換熱器的對比情況

在加氫裝置換熱器的具體應用中，主要的故障包括反應器溫度超出限值、因加熱爐熄火所導致的爐膛閃爆、高壓或低壓分離器中的液位控制出現故障、安全儀表出現故障以及循環氫壓縮機出現故障等。在通過加氫裝置換熱器進行加氫脫氧、加氫脫硫和加氫裂化等各種反應中，將會出現強烈的放熱反應，在這樣的情況下，為了讓催化劑床層始終保持一個穩定的溫度狀態，就需要將急冷氫注入其中。在此過程中，如果注入的急冷氫流量不足，反應過程中釋放出來的大量熱量將不能夠及時被帶走，反應床層中的溫度將會繼續上升。如果長時間運行在這樣的工作環境中，加氫裝置換熱器便很容易出現泄漏問題，從而導致火災和爆炸等重大安全事故發生；在該裝置處于反應階段的過程中，系統壓力主要通過高壓分離器來進行控制，此時，如果液面高度超出了限值，低分系統中便會有高壓氫氣進入，在這樣的情況下，系統將會因超壓而發生爆炸事故。如果低壓分流器中的液位高度過大，低分氣液位太低，脫丁烷塔便會出現壓力過高現象，從而損壞設備；在循環氫壓縮機的工作中，如果氣體溫度、壓強等過高，便很容易損壞管線、壓縮機缸體以及儀表等，從而導致泄漏情況發生，嚴重時甚至造成火災或者是爆炸等安全事故。在加氫裝置換熱器內進行了有害氣體以及可燃氣體等的報警裝置設置，但是如果報警裝置并沒有設置在恰當的位置，或者是運維中沒有定期做好報警裝置的檢查，便會導致報警裝置運行狀況不佳，從而無法及時針對相應的情況發出報警[5]。另外，因其主要介質具有易燃易爆以及腐蝕性特征，若換熱器自身內部出現了變形問題，設備損壞以及物料泄漏等問題便很容易出現，從而引發爆炸、火災等的重大安全事故。

3 加氫換熱器故障診斷仿真實驗分析

3.1 實驗目的

在通過上述方式對石油化工行業中的加氫換熱器進行了故障診斷模型建立之后，為對其應用性能加以確定，本次特通過該模型對石油化工行業中的加氫換熱器進行故障診斷仿真。本次仿真實驗中，主要的實驗思路是通過本次所建立的故障診斷模型對石油化工行業中所應用的加氫裝置換熱器進行故障診斷仿真，并將其診斷的準確率和傳統故障診斷方法的準確率進行對比，以此來實現該故障診斷模型的可信性判斷。

3.2 實驗方法

實驗中，分別將上述換熱器故障的主要影響因素用作實驗對象，并對各種因素進行了編號。其中1號為進料量影響換熱器溫度導致的故障；2號為進料量影響換熱器溫度導致的故障；3號為進料溫度影響換熱器溫度導致的故障；4號為冷劑中斷影響塔頂溫度導致的故障；5號為塔頂回流終端影響塔頂溫度所導致的故障。將該故障診斷模型設定成實驗組，將傳統的故障診斷方法設定為對照組。本次共選擇了100組樣本進行仿真實驗。

3.3 實驗結果

在通過上述故障診斷模型對換熱器各種影響因素所導致的加氫裝置換熱器樣本進行了故障診斷之后，將實驗組的診斷結果和傳統診斷方法獲取的結果之間的準確率對比情況如圖2所示。

圖2 實驗組診斷結果和傳統診斷方法結果之間的準確率對比情況

3.4 實驗分析

通過上述故障診斷準確率對比可見，相比較傳統形式的故障診斷而言，通過該故障診斷模型的應用，可進一步提升石油化工行業中的加氫裝置換熱器故障診斷準確率。同時，相比較傳統形式的人為檢測而言，該模型的應用也可以實現故障診斷效率的顯著提升，從而更加及時地找出故障及其原因所在，盡最大限度防止因換熱器故障所導致的風險事故與不良影響。由此可見，該故障診斷模型具有非常高的可信度。

4 結語

在石油化工領域的生產過程中，加氫裝置換熱器是一項關鍵的設備。具體運行中，如果該設備出現了故障，將很容易引發重大安全事故，釀成不可估量的損失。為實現換熱器運行效果的良好保障，避免其故障發生，相關企業、研究者和技術人員就應該加大力度對其故障診斷方法進行研究。根據實際的故障情況及其影響因素，對故障診斷模型加以科學建立，并通過實驗仿真的方式來驗證模型的可信度。經驗證發現，相比較傳統形式的人工故障診斷而言，科學合理的故障診斷模型將會更加及時、準確地診斷出換熱器故障，從而為其故障的及時消除和設備的良好運行提供保障。通過這樣的方式，才可以讓石油化工行業生產過程中的加氫裝置換熱器故障得以及時消除，從而進一步提升其生產效率、質量與安全性，促進石油化工行業在當今時代中的良好經營與發展。