合成氨装置中蒸汽发生器及其控制系统优化设计

李欣平 中石油东北炼化工程有限公司吉林设计院 吉林 132002

合成氨装置中蒸汽发生器及其控制系统优化设计

李欣平*中石油东北炼化工程有限公司吉林设计院 吉林 132002

针对合成氨关键设备蒸汽发生器多次发生换热管泄漏及设备顶部汽包气液夹带等情况，对该设备及其控制系统进行优化设计改造，改造后设备运行稳定。

蒸汽发生器控制系统优化设计汽液分离

1 原装置运行概况

在合成氨抽合成气、氢气装置中，气化单元部分氧化法制取合成氨原料气，由气化单元进变换单元之前抽出粗合成气，粗合成气经热量回收产生蒸汽，脱水后送老合成气装置。该单元操作条件苛刻，操作压力高达8.5MPa(G)，操作温度250℃，粗合成气中含51.5782%(V)水蒸汽、0.025%(V)H2S、24.0%(V)H2。这种气体组成对设备的结构设计和材料的选用带来较大难度。关键设备蒸汽发生器为U型管釜式换热器，管内介质为高温合成气，低温时有H2S腐蚀，高温时有H2腐蚀，壳程介质为低压锅炉给水，U型管束需承受9.55MPa(G)的设计压力，其拉应力大，同时工艺物料对奥氏体不锈钢尚有氯离子腐蚀。该设备在投入运行后曾多次发生蒸汽发生器换热管泄漏及设备顶部汽包气液夹带等事故，造成装置停车;同时由于泄漏的合成气中含有23.2196% (V)的CO，给整个装置蒸汽管网带来安全隐患。

2 优化设计改造方案

蒸汽发生器的设备结构及控制系统优化设计改造方案见图1。

蒸汽发生器为U型管釜式换热器，管内介质为高温合成气，壳程介质为低压锅炉给水，优化设计改造方案为:重新优化设备壳程直径和汽包立式筒体直径以增加设备内汽液分离空间;在汽包内设立式波纹挡板除沫器，内设降液管，改善汽液分离效果，低压蒸汽出口管改为侧面开口;蒸汽发生器上设有液位变送器LT－20011，通过DCS建立L1CA－20011液位自动控制报警系统，使管内最低液面控制在蒸汽发生器内换热管束之上;在蒸汽出口管上设有压力变送器PT－20011，通过DCS建立L1CA－20011自动控制系统，使蒸汽出口压力控制在0.5MPa(G);在蒸汽发生器低压蒸汽出口管线上设有CO在线分析仪A1－20011，随时监测含有CO的合成气是否泄漏到低压蒸汽管道中，避免爆炸或人员中毒事故发生。

经过优化设计，保证改造后的装置长周期稳定运行，避免了汽液夹带现象，腐蚀程度低微，不泄漏，设备使用寿命延长，操作稳定，生产安全，避免了事故的发生。

蒸汽发生器工艺数据见表1。

图1 蒸汽发生器设备结构及控制系统优化设计改造方案简图

3 实施案例

蒸汽发生器是合成氨增设抽合成气、氢气装置中合成气抽出及热量回收单元最关键的设备，操作条件苛刻。蒸汽发生器的作用是将合成气的温度由260℃降至170℃，利用其热量产生低压饱和蒸汽，并使合成气中的饱和蒸汽冷凝后分离出来。

表1 蒸汽发生器的工艺数据

设备管口说明见表2。

表2 设备管口说明

进蒸汽发生器管内介质为合成气，正常操作温度为250℃，最高操作温度为260℃，操作压力为8.45MPa(G)。合成气总量为45500Nm3/h，其组成及含量为: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。管外壳程介质为低压锅炉给水，入口温度128℃，入口压力为1.0 MPa(G)，出口温度153℃，出口压力为0.5 MPa(G)。由于该设备处于极苛刻的工艺操作条件下运行，换热管材质既要耐低温时的H2S腐蚀，又要耐高温时氢腐蚀和氯离子应力腐蚀，换热管还要承受8.45MPa(G)高压，拉应力大。

合成氨装置开车后，其装置内蒸汽发生器换热管多次发生泄漏，分析主要原因如下:

由于该蒸汽发生器长期处于低负荷运行，而且实际操作中蒸汽压力偏离设计值，在日常操作中设备汽包内经常出现汽液夹带现象，为避免汽液夹带，蒸汽发生器控制在低液位状态操作，换热管束没有完全浸入液面下，形成界面腐蚀，造成换热管泄漏。

根据蒸汽发生器实际操作负荷范围(70%～120%)与原设计范围相同，因此换热管束即换热面积维持原设计不变。换热管的泄漏是由于低液位状态操作形成界面腐蚀造成，因此设备材质不需改变。

3.1 设备优化

针对蒸汽发生器实际操作负荷，对该设备结构进行优化改进:

(1)将该设备壳程直径由1500mm改为2000mm，既增加汽液分离空间，又保证在实际操作中换热管束始终浸在液面下。据现有厂房中该设备上方净空1500mm，改造后增加壳体直径的该设备仍有足够的安装空间。

(2)为保证蒸汽发生器运行中其顶部汽包内汽液分离效果，避免雾沫夹带，对汽包结构进行优化设计:汽包立式筒体直径由900mm改为1200mm，增加汽液分离空间。

(3)汽包内除沫器结构型式由现有的丝网式横式放置除沫网改为立式波纹挡板式除沫器，并增设降液管，增强汽液分离效果。

(4)由于除沫器型式的改变，与此相对应的汽包低压蒸汽出口N4管口的开口方向由顶部开口改为侧面开口。

3.2 设计优化

为保证生产运行安全可靠，工艺流程控制系统设计采取的措施:

(1)设蒸汽发生器液位自动控制系统L1CA－20011，蒸汽发生器上装有液位变送器LT－20011，控制液位高度，并在DCS上设液位的高低位报警，使最低液面控制在蒸汽发生器内换热管束之上，以保证管束完全浸入液面下，避免产生界面腐蚀。

(2)严格按设计中蒸汽发生器产生1.0MPa (G)蒸汽的工况进行操作，设P1C－20011压力控制系统，出口管上设压力变送器PT－20011，产生1.0MPa(G)的蒸汽通过压力控制系统的调节阀调节至0.5 MPa(G)后进装置0.5 MPa(G)蒸汽管网，严禁1.0MPa(G)的蒸汽直接进0.5 MPa (G)低压蒸汽管网。

(3)为保证生产安全，在蒸汽发生器低压蒸汽出口管线上设CO在线分析仪A1－20011，随时在线监测含有CO的合成气是否泄漏到低压蒸汽管线中。

4 结语

改造后的蒸汽发生器已投入使用，运行结果表明，针对蒸汽发生器及其控制系统的优化设计改造，从根本上杜绝了该设备内雾沫夹带现象和换热管泄漏事故，保证了该关键设备在极端苛刻的操作条件下安全、稳定地运行。

1 潘国昌，郭庆丰．化工设备设计．［M］．北京:清华大学出版社，1996，12．

2 王抚华．化学工程实用专题设计手册［S］．北京:学苑出版社，2002.10．

3 天津大学化工原理教研室．化工原理［M］．天津:天津科学技术出版社，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:高级工程师。1992年毕业于吉林化工学院化学工程专业，2004年毕业于北京石油大学获工程硕士学位。一直从事化工工艺设计与管理工作。联系电话:(0432)63911308，E－mail:jly_lxp0131@petrochina.com.cn。

2011－12－08)