激冷水过滤器管路的改造研究

高东林,王丽祥,吕俊博,马琳,范新苑

(航天长征化学工程股份有限公司,北京 101111)

地处东北的某煤化工项目是航天长征化学工程股份有限公司参与设计的生产合成氨及尿素的大型项目,其气化装置采用了航天粉煤加压气化技术水激冷工艺,项目自2018年建成投产以来,除正常的检维修外,其他时间运行稳定。但在长时间的运行中,也逐渐暴露出一些问题,比如因项目采用的原料煤煤种及当地水质所具有的一些特性,在气化装置的渣水处理环节中出现的结垢问题较为严重,特别是本文将要讨论的激冷水过滤器,结垢已经一定程度上影响到了装置的运行周期。

设置激冷水过滤器,可有效地防止装置运行过程中黑水管道产生的垢片堵塞气化炉内件,是保障气化炉安全长周期运行的关键设备之一[1]。激冷水过滤器管路则是连接激冷水泵与气化炉的重要管线,其压力和流量的稳定对于气化炉的正常运行起着重要的作用,一般设计为保证能够在线检维修,防止激冷水过滤器因为堵塞的问题而出现停车等突发情况,通常会在激冷水过滤器的配置上选择一开一备,在其中一台堵塞时,开启另一台,对堵塞的一台进行在线冲洗检修,但对于结垢周期短的项目,两台的相互切换运行,对企业在维修运营上都有较多的不便,无法与整个装置的年度例行检维修保持同步。

本文将对原设计的激冷水过滤器管路进行改造,在尽可能保持原设计不做较大改动的前提下,对管路进行合理地优化改造,并通过CAESARⅡ[2]软件建立模型,对改造后的整个激冷水过滤器管系进行应力计算分析,比较分析改造前后的管路及设备管口受力情况,最终形成可实施的改造方案。

1 管路工艺特点

1.1 激冷水过滤器管路的工艺特点

气化炉的激冷室是合成气和熔渣进行水浴并降温的关键部位,保证激冷室的液位满足一定的高度是水激冷环节的首要任务。激冷水过滤器是激冷水进入激冷室的水质保证,因为部分地区存在水质差、硬度高、悬浮物多等特点,如果水循环环节不能降低硬度和清除悬浮物,那么进入激冷室之前,激冷水过滤器必然会在运行一段时间后,出现严重的结垢和堵塞的问题,进入激冷室的激冷水流量就不能得到保证[3]。

以本文所提到的煤化工项目为例,进入激冷水过滤器的管路,其操作压力为4.65MPa(g),操作温度210℃,根据项目实际运行经验,在原设计的“一开一备”的激冷水过滤器只开1台的情况下,实际运行1个月即无法保证激冷水流量;2台同开的情况下,可基本保持运行3个月,因其周期短,需反复冲洗,且从激冷水泵到激冷水过滤器的管路跨度大,在管路也同时结垢的情况下,整个激冷水过滤系统的压降就无法保证,影响了气化装置的整体运行。

针对上述的问题,其工艺改造的方向主要从以下3点考虑。

(1)针对水质差、硬度高、悬浮物多等问题,可在水循环系统上增加灰水除硬及水处理措施。其优点是可从根本上解决整个水系统的结垢问题;缺点是成本投入高,改造周期长且难度大,实际上不能考虑。

(2)再增加一台激冷水过滤器,在“两开一备”的情况下,通过相互切换可保证运行效率。其优点是成本不高,改造周期短;缺点是改造困难大,原设计中并未考虑预留激冷水过滤器的位置,无法再布置1台激冷水过滤器,实际情况无法满足。

(3)改造原设计管路,通过在激冷水过滤器进口管路和出口管路之间新增一个旁路,在旁路上设置管道过滤器,在2台过滤器无法保证流量时,打开旁路暂时替换主路过滤器运行,同时在短时间内对2台过滤器进行冲洗,结束后关闭旁路,改为主路过滤器运行。对于短时间运行的管道过滤器,根据滤芯堵塞情况进行清洗或更换,并为下次的切换做好准备。其优点是改造成本更低,改造周期更短,且实际改造难度也更低,是较为容易实现的一个方向。

1.2 激冷水过滤器管路的布置特点

基于以上分析的改造方向,对于通过增加旁路来改造激冷水过滤器管路的方式,需要对原设计管路在停车检修时进行最短时间的改造,为最大程度地降低改造的经济成本和时间成本,只有尽可能地保持原设计管路不做改动,原设计管路的布置见图1。

图1 原设计激冷水过滤器管路布置

分析原设计激冷水过滤器管路的布置特点,因布置在渣水框架的激冷水泵与布置在气化框架的激冷水过滤器距离远,导致整个管路的长度较长,一般来说,比较脏或水质差的介质在布置上应尽可能采用短而直的布置。

2 管道布置改造研究

本文针对原设计激冷水过滤器管路,通过增加旁路对原设计管路进行了改造研究。旁路的设置结合了原设计装置的设备及管道布置情况,在激冷水过滤器进口管路和出口管路之间增加1条旁路,在旁路接入口和引出口设置手动切断阀门,并在旁路上增加1台法兰连接的篮式管道过滤器,新增旁路见图2。

图2 改造后的激冷水过滤器管路布置

通过旁路的设置,在2台激冷水过滤器同时检修时,可短暂地利用旁路完成在线检修。篮式过滤器方便更换滤芯,在滤芯的目数选择上,可结合激冷水过滤器的冲洗周期和水质情况确定。

结合项目实际改造成本来看,此项改造成本低、周期短,运行效果也满足了实际需求,综合来看是更为合理的改造方案。

3 CAESARⅡ软件应力分析

3.1 激冷水过滤器原设计管路模型建立

激冷水过滤器原进出口管道之间除设备之外,并无其他管道相互关联,因此原管道分别建模,作为独立管系分别计算设备管口受力,并设置管道支吊架,由于管系温度及压力较高,所以在距离设备较近位置处设计有弹簧支架,原进出口管道应力模型见图3、图4。

图3 原激冷水过滤器进口管道应力模型

图4 原激冷水过滤器出口管道应力模型

3.2 激冷水过滤器管路改造方案模型建立

3.2.1管道走向

由于本改造设计是在激冷水过滤器进出口管道之间增加1条旁路,使得原进出口管系产生了关联,因此应力模型建立需将原独立的2条管系共同建模,同时计算设备进出口受力情况,以判断改造是否成立。

如图5所示,增加的旁路管道起始点为2910,终点为3120。由于此两点间存在高差,并且管道温度较高,因此会有一定的相对热位移。为使旁路管道对原进出口管系的影响尽可能减小,旁路管道在设计时采用了较长的水平走向,如下图中2940点到2980点,用以消除管道相对热位移对设备管口及原管道支架产生的影响。

图5 激冷水过滤器整体管道应力模型

3.2.2支吊架设计

改造设计的目的是在达到设计初衷的同时尽可能减小对原设计的修改。因此,为以最少的修改完成本次改造,在旁路管道已经走向优化的前提下,对新增管道支架的设计也尤为重要。此次修改在水平管道上设计刚性支撑,用以增加管道的稳定性,在立管及弯头处设计弹簧支架,这样可以提高管系柔性,减小因高差产生相互的影响,同时对原管道弹簧支架的干扰达到最小程度。

3.2.3受力分析

为更直观地判断改造前后的效果,本文需对比改造前后设备管口及弹簧支架受力情况。

图6、7为改造前激冷水过滤器进出口受力情况,图8为改造后管口受力。从图中可以看出,改造前后激冷水进口970点在Y方向受力FY略有变化,但也在设备允许受力范围之内,其他方向受力及力矩均无明显变化;另一进口1060点,在改造前后各个方向受力及力矩同样无明显变化。在设备出口方面,2030点在改造前后的受力和力矩几乎没变;2100点在Y方向受力FY略有增加,但其在Z方向的力矩MZ却有所减小,综合受力情况,此点整体变化不大,亦满足设备管口受力要求。

改造前后激冷水过滤器进出口管道原弹簧支架,除1010点弹簧型号减小一号外,其余各点弹簧均无变化。因此,可认为本次改造前后激冷水过滤器管道对原设计影响较小,既满足了改造的目的,又减少了改造难度。

4 结语

本文通过对激冷水过滤器管路的改造研究,得出了在满足改造要求前提下使企业的改造成本最低且实际可行的最优改造方案,并通过对改造后的整个管路的应力分析计算,获得了使管路和设备管口受力最佳的支架设置位置,在改造后投入运行时,应注意以下几个方面:①运行后切换到旁路时应注意,旁路仅能短时间替换主路运行,应及时对主路的激冷水过滤器进行清洗,并在结束后切回到主路运行;②篮氏过滤器的滤芯在主路正常运行后应拆卸检查,并确定是否需要更换;③对于改造后的管路支架,应经常检查新设置的弹簧支架是否有较大偏离,如偏离过大,则应采取一定的恢复措施。