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水煤漿制氫氣裝置典型現(xiàn)場問題分析

文檔作者：陳冬景文檔來源：中石化寧波工程有限公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2025年05月12日
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小氮肥 第 44 卷 第 2 期 2016 年 2 月水煤漿制氫氣裝置典型現(xiàn)場問題分析陳冬景(中石化寧波工程有限公司 浙江寧波 315103)0 前言近年來,水煤漿氣化技術(shù)在國內(nèi)得到廣泛應(yīng)用,根據(jù)下游裝置不同的用氣需求,配套相應(yīng)的凈化技術(shù),生產(chǎn)氫氣、合成氣等。 現(xiàn)以國內(nèi)建成投產(chǎn)的某套煤制氫氣裝置為例,對該裝置在建設(shè)過程中出現(xiàn)的不同類型問題,選擇其中 7 個問題分析發(fā)生原因和整改方案。1 施工工程量變化(1) 施工方案變化的主要原因是施工條件和施工環(huán)境的不確定性。 例如,儲運系統(tǒng)布置在拆除的老廠房處,施工單位原方案使用螺旋樁機(jī)進(jìn)行地下樁基施工,開挖后發(fā)現(xiàn)地下存在大量舊基礎(chǔ)及砼地坪等障礙物,對原施工方案進(jìn)行了調(diào)整,導(dǎo)致產(chǎn)生額外施工費用。(2) 施工范圍變化的主要原因是基礎(chǔ)設(shè)計階段與供貨商、業(yè)主或第 3 方對接不清導(dǎo)致。 例如,裝置用于卸壓的火炬管線(DN 1 200 mm),設(shè)計選材為碳鋼加內(nèi)防腐,且為供貨商整體供貨,可現(xiàn)場到貨后發(fā)現(xiàn)這些管線未做內(nèi)防腐處理,考慮到施工進(jìn)度等原因,最后由施工單位在現(xiàn)場對這批管道補(bǔ)做內(nèi)防腐處理,產(chǎn)生了額外的施工工程量。2 黑水管線角閥組振動問題角閥因其結(jié)構(gòu)簡單、耐高壓差性能好、適用于含固體顆粒介質(zhì)等特點,在水煤漿氣化裝置黑水處理系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。 由于黑水介質(zhì)含固體顆粒,為防止固體顆粒在角閥兩側(cè)積聚,角閥組在配管時,通常要比旁路閥高。 由于黑水經(jīng)過角閥后降壓明顯,可能出現(xiàn)部分閃蒸繼而形成兩相流,造成管系的波動。 例如,洗滌塔的液位控制黑水管線上,設(shè)置了 1 組角閥組,整改前角閥組管線和支架設(shè)置見圖 1。 現(xiàn)場開車準(zhǔn)備階段,通過控制角閥開度給洗滌塔建立液位時,發(fā)現(xiàn)角閥處發(fā)出巨大噪聲,角閥組管線振動明顯,且角閥的開度不穩(wěn)定,特別開度在 30%以下時,角閥開度波動更大,管線振動及噪聲情況更加嚴(yán)重,無法正常運行。 停泵拆開角閥檢查,發(fā)現(xiàn)角閥的閥芯和閥座已被撞壞。圖 1 整改前角閥組管線和支架布置根據(jù)上述情況,經(jīng)設(shè)計方和供貨商進(jìn)一步核實,認(rèn)為發(fā)生此問題主要原因如下。(1) 角閥存在設(shè)計缺陷。 在設(shè)計時,只考慮了正常操作工況,未考慮開車工況。 正常操作工況下,閥前壓力為 7. 2 MPa,閥后壓力為 6. 5 MPa,前后 壓 差 為 0. 7 MPa, 閥 門 最 大 關(guān) 閉 壓 差 為8. 9 MPa。 開車工況下,洗滌塔還沒有建立液位,因此,角閥下游為常壓,閥前壓力為 7. 2 MPa,閥后壓力為 0. 1 MPa,壓差達(dá) 7. 1 MPa,與操作工況下角閥前后壓差偏差較大,角閥的定位器和導(dǎo)向杠等元件設(shè)計過于單薄,引起角閥開度不穩(wěn)定等問題。(2) 管線支架設(shè)置不合理。 從圖 1 可以看出,角閥組處只在旁路管線上設(shè)置了 2 根彈簧支架(支架 1 和支架 2),由于角閥自身質(zhì)量達(dá)1. 2 t,導(dǎo)致閥組的重心偏高。 經(jīng)過應(yīng)力核算,角閥組管線的固有頻率偏低,如果角閥稍受外力作用,就會引起管線搖晃。 現(xiàn)場用手推角閥閥體,的確有引起閥組的搖晃現(xiàn)象。1小氮肥 第 44 卷 第 2 期 2016 年 2 月(3) 黑水介質(zhì)的波動。 黑水的操作溫度為170 ℃ ,飽和蒸汽壓為 0. 8 MPa,因此黑水經(jīng)角閥減壓后會出現(xiàn)閃蒸,黑水中夾雜著閃蒸氣,形成小氣泡,隨著小氣泡爆破,造成灰水紊流,使角閥成了激震源,帶動管線振動。為此,作出如下調(diào)整,由角閥供貨商更換定位器和導(dǎo)向套等元件,使角閥能正常工作;重新計算管線應(yīng)力,在角閥兩側(cè)立管上增設(shè)導(dǎo)向支架(見圖 2),增加管線剛度和固有頻率。 現(xiàn)場整改完成后,角閥運行較為穩(wěn)定。圖 2 整改后角閥組管線和支架布置3 高壓煤漿泵出口管線振動問題高壓煤漿泵為電動隔膜泵,出口介質(zhì)流態(tài)呈脈沖形式,介質(zhì)為水煤漿,脈沖介質(zhì)會對管線產(chǎn)生較大的激振力,容易使管線振動。 在設(shè)計時,為避免管道出現(xiàn)振動,所有支架均選用減振支架。 原設(shè)計管線走向及支架設(shè)置示意如圖 3 所示。圖 3 原設(shè)計管線走向及支架設(shè)置示意從圖 3 可以看出,節(jié)點 10 為高壓煤漿泵出口,管口高度為 4. 5 m,由于管線去氣化框架前需要跨過道路,因此,從節(jié)點 85 開始,將管線高度抬高到7. 5 m。 圖中節(jié)點85,110,120 和130 處均設(shè)置了減振和導(dǎo)向支架,結(jié)構(gòu)立柱為單柱形式。 在高壓煤漿泵單試時,管線和結(jié)構(gòu)立柱振動嚴(yán)重?，F(xiàn)場觀察,節(jié)點 110 處振動最為明顯,軸向振幅可達(dá) 10 mm。從上述情況看,單柱形式的立柱太單薄,在設(shè)計時未充分考慮煤漿介質(zhì)脈沖產(chǎn)生的激振力,僅按照管線應(yīng)力計算的受力值進(jìn)行設(shè)計。 由于水煤漿介質(zhì)壓力高、密度大,產(chǎn)生的激振力遠(yuǎn)大于管線的一次、二次應(yīng)力,造成原設(shè)計結(jié)構(gòu)立柱剛度不夠。 另外,脈沖形式的流態(tài)只有在改變流向或流形變化時才會產(chǎn)生激振力,而從圖 3 可以看出,節(jié)點 85 和 110 距離彎頭均較遠(yuǎn),導(dǎo)致彎頭處激振力沒有得到控制而使管線振動。 因此,為增加立柱強(qiáng)度,改原單立柱支撐型式為框架式支撐,同時將彎頭位置移至節(jié)點 110 和 120 之間,在彎頭上新增設(shè)減振支架(見圖 4)。 現(xiàn)場整改完成后,管線運行非常平穩(wěn)。4 鎖斗排渣管線振動問題氣化爐爐底的煤渣通過鎖斗排渣系統(tǒng)周期排放,每 30 min 完成一次排渣循環(huán),屬于劇烈循環(huán)工況。 鎖斗排渣管線示意見圖 5。 鎖斗排渣時,鎖斗沖洗水罐的沖洗水流至鎖斗,然后將鎖斗中的煤渣排出,排渣完成后,排渣閥關(guān)閉,完成一個排渣過程。 現(xiàn)場鎖斗排渣系統(tǒng)試運行時,在排渣閥關(guān)閉瞬間,排渣管線和上游的沖洗水管線振動嚴(yán)重、噪聲大,且鎖斗容易充壓過度。 管線的瞬間振動造成管線上的膨脹節(jié)變形失效。從上述情況分析,當(dāng)排渣線正在排渣時,管內(nèi)充滿沖洗水,由于排渣閥突然關(guān)閉,使沖洗水流速急劇變化,對上、下游均形成巨大壓力,而沖洗水幾乎無法壓縮,就引起管內(nèi)介質(zhì)的波動和管線振動,俗稱“水錘效應(yīng)”。 因此,只要消除或減弱水錘,即可使管線振動減弱。 設(shè)計所用排渣閥為氣動球閥,閥門的關(guān)閉時間為 3. 3 s,關(guān)閉速度較快,據(jù)水錘效應(yīng)產(chǎn)生的原理,只要延長閥門的關(guān)閉時間,即可減弱水錘效應(yīng)。 因此在排渣閥氣缸的進(jìn)2小氮肥 第 44 卷 第 2 期 2016 年 2 月圖 4 整改后管線和支架圖 5 鎖斗排渣管線示意氣管線上設(shè)置限流孔板,使排渣閥的關(guān)閉時間延長至 6. 8 s,減弱水錘效應(yīng)。 整改完成后,排渣過程較為穩(wěn)定。5 氣化爐預(yù)熱燒嘴和工藝燒嘴更換問題氣化爐被預(yù)熱到 1 300 ℃ 左右,在投料前需將預(yù)熱燒嘴更換為工藝燒嘴,在更換過程中,由于爐內(nèi)溫度會慢慢下降,為保證氣化爐順利投料,爐內(nèi)溫度需維持在 900 ℃以上。 根據(jù)現(xiàn)場爐溫的下降速度,工藝燒嘴的更換過程應(yīng)在 50 min 內(nèi)完成。 但現(xiàn)場初次更換完工藝燒嘴后,發(fā)現(xiàn)煤漿管線和氧氣管線上的法蘭接口比工藝燒嘴管口法蘭低 45 mm 左右,法蘭錯位較大,導(dǎo)致螺栓無法緊固,無法在 50 min 內(nèi)順利完成更換燒嘴。法蘭錯位的原因為煤漿管線和氧氣管線均為冷態(tài)安裝,在冷態(tài)下可以與工藝燒嘴管口法蘭順利連接,但是氣化爐經(jīng)過預(yù)熱后,氣化爐頂部管口從鞍座開始往上膨脹,導(dǎo)致工藝燒嘴的管口被抬高,此時煤漿管線和氧氣管線還未投料,仍處在冷態(tài),因此才產(chǎn)生了 45 mm 的法蘭錯位。 為保證燒嘴更換順利完成,現(xiàn)場重新調(diào)整煤漿管線和氧氣管線的標(biāo)高,將其管端法蘭口抬高 45 mm,同時重新整定支撐管線的彈簧支架,既耽誤工期又耗費財力。為避免出現(xiàn)上述問題, 需 從 兩 方 面 著 手。①在管道預(yù)制安裝時,煤漿管線和氧氣管線的安裝標(biāo)高需在設(shè)計圖紙的管線高度上增加氣化爐的膨脹量, 膨脹量可在氣化爐烘爐時進(jìn)行標(biāo)定。②在設(shè)計過程中,由于工藝燒嘴的管口允許受力很小,管口初始位移對管線應(yīng)力影響較大,因此,在計算煤漿管線和氧氣管線的應(yīng)力時,需增加氣化爐為熱態(tài)、管道為冷態(tài)的工況,滿足管口受力要求。6 三偏芯蝶閥的安裝方向問題變換單元的變換氣管線為高溫、高壓管線,管線上的切斷閥為三偏芯硬密封蝶閥。 三偏芯蝶閥的結(jié)構(gòu)見圖 6。 由于蝶閥的密封原理為扭力密封,導(dǎo)致蝶閥兩側(cè)的密封效果不一樣,分為主密封和次密封。 安裝時需根據(jù)工藝要求,使閥門關(guān)閉時,主密封朝向高壓側(cè)。 但現(xiàn)場按照閥體上的流向箭頭全部正向安裝,未考慮工藝操作和檢修要求,導(dǎo)致現(xiàn)場 15 只(≥DN 400 mm)高壓三偏芯蝶閥重新調(diào)整安裝方向。 例如,調(diào)節(jié)閥組的前、后切3小氮肥 第 44 卷 第 2 期 2016 年 2 月歡 迎 訂 閱 2016 年 《 小 氮 肥 》《小氮肥》雜志是經(jīng)原國家科委、原化工部批準(zhǔn),由上?；ぱ芯吭壕庉嫵霭娴娜珖钥铩?主要發(fā)行對象定位占全國氮肥一半以上產(chǎn)能的傳統(tǒng)流程大、中、小規(guī)模的氮肥企業(yè)和兼顧向新型煤氣化轉(zhuǎn)型的企業(yè)。 主要報道內(nèi)容有:氮肥企業(yè)的技術(shù)改造、節(jié)能減排經(jīng)驗;氮肥生產(chǎn)中新技術(shù)、新設(shè)備、新材料的應(yīng)用;化肥科研成果、生產(chǎn)管理以及氮肥企業(yè)發(fā)展煤化工產(chǎn)業(yè)鏈經(jīng)驗和開展多種經(jīng)營的信息等。 本刊內(nèi)容可供全國從事氮肥、煤化工行業(yè)的工廠、設(shè)計、科研、高等院校及各省市主管部門的工程技術(shù)人員和管理人員參考?！缎〉省窞樵驴?大 16 開,28 頁,封面彩印,國內(nèi)外公開發(fā)行,每期定價 3． 00,全年定價 36． 00 元。 全國各地郵政局于 2015 年 9 月開始 2016 年《小氮肥》期刊征訂工作,郵發(fā)代號 4-233,請廣大讀者前往當(dāng)?shù)鼐徒]政局辦理訂閱手續(xù),也可以直接向本刊編輯部訂閱。地址:上海市云嶺東路 345 號 郵碼:200062 電話:(021)52800372 52500962(兼?zhèn)髡?《小氮肥》編輯部■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■斷閥,在調(diào)節(jié)閥進(jìn)行檢修時,兩側(cè)切斷閥關(guān)閉,2 只閥門的高壓側(cè)剛好相反,下游切斷閥需要反向安裝。圖 6 三偏芯蝶閥的結(jié)構(gòu)7 設(shè)備保冷施工問題低溫甲醇洗單元的大部分管線和設(shè)備需要進(jìn)行保冷,設(shè)計的保冷結(jié)構(gòu)為聚氨酯保冷層 + CPU聚氨酯防水卷材防潮層 + 20 mm 巖棉和鋁皮保護(hù)層。 采用 CPU 聚氨酯防水卷材進(jìn)行施工時,先需要在保冷材料上涂 1 層膠水,然后進(jìn)行卷材安裝,且安裝時接縫也需要進(jìn)行涂膠水黏結(jié)。 由于部分設(shè)備直徑較大、設(shè)備本體上有許多平臺、管道支架和管口,使 CPU 聚氨酯防水卷很難完全與設(shè)備保冷材料緊密貼合;現(xiàn)場施工時,聚氨酯卷材出現(xiàn)褶皺,密封效果比較差。 設(shè)計在鋁皮保護(hù)層前包裹20 mm 厚巖棉,主要為鋁片保護(hù)層進(jìn)行捆扎時,防止自攻螺釘破壞 CPU 聚氨酯防水卷材,由于巖棉質(zhì)地很軟,固定自攻螺釘時, 很難保證不穿透CPU 聚氨酯防水卷材;而且晝夜空氣溫差變化大,保護(hù)層表面容易結(jié)露,致使巖棉容易吸水而被損壞。 特別是低溫甲醇洗系統(tǒng)的再吸收塔直徑達(dá)3. 8 m,高度達(dá) 98. 0 m,高空作業(yè)加上環(huán)境因素影響,施工難度大,不僅施工工期長,而且很難保證施工質(zhì)量。考慮到現(xiàn)場所有的保冷材料均已到貨,為減少材料浪費和保證施工質(zhì)量,將設(shè)備上的防潮層結(jié)構(gòu)由原 CPU 聚氨酯防水卷材防潮層 + 20 mm巖棉和鋁皮保護(hù)層調(diào)整為瑪蹄脂防潮層 + 鋁皮保護(hù)層,管道上的保冷結(jié)構(gòu)維持不變。8 結(jié)語自水煤漿制氫技術(shù)引進(jìn)中國后,國內(nèi)已建成投產(chǎn)多套煤制氫氣裝置。 但在設(shè)計和建設(shè)每套裝置過程中總會出現(xiàn)類似問題和新問題,不僅拖延了裝置的建設(shè)進(jìn)度,也造成了一定經(jīng)濟(jì)的損失。從以往裝置建設(shè)中吸取經(jīng)驗教訓(xùn),舉一反三,提升設(shè)計質(zhì)量和施工質(zhì)量,保證裝置建設(shè)的健康發(fā)展尤為重要。(收到修改稿 2015-10-09)4

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