氨汽提尿素工艺中压系统故障分析及处理

孙丰泽, 李罗真

(海洋石油富岛有限公司, 海南东方 572600)

海洋石油富岛有限公司化肥一期尿素装置采用斯那姆氨汽提法尿素生产工艺,设计产能为1 765 t/d。生产过程中发现中压系统存在中压吸收塔(C-101)塔顶温度高、中压甲铵冷凝器(E-106)出口温度(TIC41026)超标、中压分解塔温度(TIC41021)低的问题。笔者针对这3种故障产生的原因进行分析,并采取相应的措施,以保证设备的安全运行。

1 中压系统工艺流程

NH3和CO2进入高压系统反应生成尿素,从汽提塔(E-101)底部出来的尿液进入中压分离器(V-102),将减压闪蒸出来的NH3和CO2分离出来;尿液经填料下到中压分解塔(E-102A/B)管侧进行加热分解。中压分离器(V-102)出气与碳铵液泵(P-103A/B)来的液体混合后进入真空预浓缩器(E-113)壳侧,在此部分冷凝吸收,反应热用于加热真空预浓缩器(E-113)管侧的尿液。真空预浓缩器(E-113)壳侧出来的气液混合物进入中压甲铵冷凝器(E-106)壳侧,大部分气体被冷凝吸收,反应热被管侧的冷却水带走。从中压甲铵冷凝器(E-106)来的混合物流入中压吸收塔(C-101)进一步吸收,中压吸收塔(C-101)顶部出来的气氨和惰气进入氨冷器(E-109)壳侧冷凝,惰气和冷凝的液氨分别经气相管和液相管进入氨受槽(V-105),从氨受槽(V-105)顶部出来的含残余NH3的惰气送到中压氨吸收塔(E-111)/中压惰气洗涤塔(C-103)进一步吸收。洗涤后的惰气含NH3体积分数<1%,经压力控制阀(PV41026)放空至中低压放空烟囱[1-2]。中压系统工艺流程见图1。

E-105—高压甲铵冷凝器; V-103—低压分离器; V-109—汽提塔蒸汽冷凝液分离器; TV41026—中压甲铵冷凝器(E-106)出口温度调节阀;LV41009B—液位控制阀;LS—增压蒸汽;CW—冷却水。

2 原因分析及处理

2.1 中压甲铵冷凝器(E-106)出口温度高

2020年以来中压甲铵冷凝器(E-106)出口温度(TIC41026)持续上涨,甚至已经超出正常控制温度(83 ℃)。2020年6月10日装置大修前,中压甲铵冷凝器(E-106)出口温度调节阀(TV41026)已达到100%开度,无调节余量。2020年1月—5月中压甲铵冷凝器(E-106)出口温度及调节阀具体数据见表1。

表1 2020年1月—5月中压甲铵冷凝器(E-106)出口温度及调节阀开度

2.1.1 原因分析

导致中压甲铵冷凝器(E-106)出口温度(TIC41026)高有以下2个原因:

(1) 真空预浓缩器(E-113)换热效果差。

真空预浓缩器(E-113)换热效果变差,当其出口温度高时,进入中压甲铵冷凝器(E-106)的工艺物料温度也高,导致中压甲铵冷凝器(E-106)出口温度(TIC41026)上涨。2019年6月—2020年6月真空预浓缩器(E-113)出口温度趋势见图2。由图2可以看出:真空预浓缩器(E-113)壳侧出来的气液混合物进入中压冷凝器壳侧前温度持续上涨,说明气液混合物在真空预浓缩器(E-113)壳侧没有得到充分换热,大量热量带到中压甲铵冷凝器(E-106),导致甲铵冷凝器出口温度(TIC41026)超标。

图2 真空预浓缩器(E-113)出口温度趋势

(2) 中压甲铵冷凝器(E-106)结垢,换热效果差。

装置距离上次大修已经超过2 a,由于换热列管在长时间工作中会慢慢结垢,在列管结垢达到一定量时,换热效果将会大大降低,甚至无法满足生产需求。2019年6月—2020年6月中压甲铵冷凝器(E-106)换热进、出口冷却水温度趋势见图3。

由图3可以看出:中压甲铵冷凝器(E-106)换热进口冷却水温度较为平稳,出口冷却水温度呈下降趋势。由此判断中压甲铵冷凝器(E-106)列管结垢严重,需要在大修中进行机械水射流处理。

2.1.2 处理措施

2020年6月10日装置停车进入大修阶段,联系机修人员拆卸中压甲铵冷凝器(E-106)上下封头,发现其列管结垢严重(见图4)。

图4 中压甲铵冷凝器(E-106)换热管结垢

联系外委单位对中压甲铵冷凝器(E-106)进行处理,采用120 MPa的高压水射流前后反复清洗6次达到了验收标准。

大修期间对真空预浓缩器(E-113)进行内部检查,发现进液折流板有1处裂纹、管板局部结垢严重、溢流堰底部排液孔堵塞、升气管旋流孔堵塞严重,这些问题的存在使得真空预浓缩器(E-113)列管负荷分配不均,严重影响了其换热效果。随即将裂缝进行焊接,并彻底清理结垢、疏通孔堵。

2020年7月31日大修结束恢复系统正常运行后,中压系统各项指标运行正常,真空预浓缩器(E-113)出液温度由大修前的110.5 ℃恢复至正常温度(104.5 ℃),中压甲铵冷凝器(E-106)出口温度调节阀(TV41026)阀位下降至30%左右,其出口温度(TIC41026)恢复正常控制温度(83 ℃)。

2.2 中压吸收塔(C-101)塔顶温度高

从2016年5月下旬开始,中压吸收塔(C-101)塔顶温度经常出现异常升高的现象,有时甚至超过了厂控指标(≤44 ℃),导致厂控指标合格率下降,见图5。同时,温度高可能导致CO2窜到氨受槽(V-105)中,从而损坏高压氨泵机封,严重影响装置的安全稳定运行。

图5 中压吸收塔(C-101)塔顶温度变化

2.2.1 原因分析

导致中压吸收塔(C-101)塔顶温度高的原因有2个,分别为合成塔(R-101)出液阀(HV41006)故障和中压吸收塔(C-101)塔顶组分异常。

工艺人员对影响中压吸收塔(C-101)塔顶温度因素进行排查,初步判断合成塔(R-101)出液阀(HV41006)出现故障。装置停车期间,对合成塔(R-101)出液阀(HV41006)进行解体检查,发现其阀板3根卡销断了2根(见图6)。合成塔(R-101)出液阀(HV41006)故障导致高压系统汽提塔液位控制阀(LIC41011)和中压吸收塔(C-101)液位控制阀大幅度波动,从而造成中压吸收塔(C-101)塔顶温度上升。

图6 合成塔出液阀(HV41006)断裂示意图

对中压吸收塔(C-101)塔顶组分进行分析,结果见表2。和2016年1月的分析数据进行对比,发现中压吸收塔(C-101)塔顶组分多了芳香烃化合物。由于芳香烃化合物的存在,改变了正常情况下中压吸收塔(C-101)内部各项组分的分压,从而影响了泡罩塔馏段吸收的气液相平衡,造成吸收效率下降,从而使温度不断上升。

表2 中压吸收塔(C-101)塔顶组分分析结果对比

2.2.2 处理措施

2016年,合成装置进行原料气改造,导致尿素装置除了使用合成脱碳单元的CO2外,还使用了合成预脱碳单元的CO2。为进一步确认尿素装置芳香烃的来源,对原料CO2进行取样分析,结果发现,从合成预脱碳单元来的原料CO2存在着芳香烃。随后联系仪表维修人员对合成塔(R-101)出液阀(HV41006)进行检修,恢复阀门的正常状态;尿素装置不再使用合成预脱碳单元的CO2,只使用合成脱碳单元的CO2。装置再次开车后,中压吸收塔(C-101)塔顶温度恢复正常,温度在可控范围之内(<44 ℃)。

2.3 中压分解塔温度(TIC41021)低

中压分解塔(E-102A/B)为列管式换热器,分E-102A和E-102B 2段,列管和管板采用胀接和密封焊连接。E-102A用0.60 MPa的增压蒸汽加热,蒸汽冷凝液经过疏水器回收至高压甲铵冷凝器(E-105)。E-102B用来自汽提塔蒸汽冷凝液分离器(V-109)的蒸汽冷凝液加热,蒸汽冷凝液压力为1.9 MPa,换热后的冷凝液经过液位控制阀(LV41009B)回收至高压甲铵冷凝器(E-105)。正常情况下,为保证中压分解塔温度(TIC41021),工艺上用压力为2.15 MPa的蒸汽对E-102B进行加热,蒸汽流量由加热蒸汽阀门(HV41011)控制[3-4]。2021年1月尿素装置开车后,工艺人员发现中压分解塔温度(TIC41021)偏低,加热蒸汽阀门(HV41011)在全开的状态下仍然多次出现温度低于153 ℃的情况,正常情况下中压分解塔温度(TIC41021)控制在153～160 ℃。同时,出现增压蒸汽压力偏高,达到了0.68 MPa,这导致了中压后系统负荷高、装置耗气量大。

2.3.1 原因分析

检查发现E-102A的1个疏水器存在故障,降低了蒸汽冷凝液流通量,从而导致E-102A换热效果下降、增压蒸汽压力高。

2.3.2 处理措施

打开E-102A疏水器副线以满足蒸汽冷凝液流通量,下一步将对损坏的疏水器进行更换。

经过以上措施后,中压分解塔温度(TIC41021)恢复正常,达到158 ℃以上,增压蒸汽压力恢复到0.60 MPa。同时,加热蒸汽阀门(HV41011)在关闭的状态下中压分解塔温度(TIC41021)仍能合格,降低了装置耗气量。

3 中压系统故障日常管理

随着尿素装置运行年限的增加,系统缺陷逐年增加,因此必须要加大对中压系统的日常管理,才能确保尿素装置稳定运行。

(1) 加强主控监盘和现场巡检,发现工艺参数和运行工况异常,及时排查原因。

(2) 对系统的换热器换热情况进行跟踪,同时制定化学清洗和机械水射流作业计划,保证换热器的换热效果。

(3) 定期对系统的蒸汽疏水器进行全面排查,建立疏水器检查清单,如有损坏,及时更换。

(4) 装置大修期间,对装置系统的重要阀门进行检查,保质保量。

4 结语

通过加强中压系统故障排查和设备日常维护管理,及时发现和处理多起故障,保证了中压系统安全稳定运行,同时降低了装置蒸汽消耗,减轻了员工的工作强度。