对二甲苯装置加热炉节能优化存在问题及整改措施.pdf

2023 年第 23 卷第 4 期环境保护与治理 DOI:10.3969/j.issn.1672-7932.2023.04.007编辑 汪皕喆SAFETY HEALTH&ENVIRONMENT43 对二甲苯装置加热炉节能优化存在问题及整改措施邹益辉1,孙艳朋1,韩艳萍2,吕华强1,吴海利1(1.中化泉州石化有限公司,福建泉州 3621032.中石化工程建设公司,北京 100101)收稿日期:2023-01-12第一作者简介:邹益辉,工程师,2006 年毕业于重庆大学给水排水工程专业,现从事芳烃项目技术管理工作。摘 要:针对对二甲苯装置加热炉存在的引风机转速波动、系统压力断崖式波动的问题进行了详细的原因排查和分析,最终确认因选型偏差造成引风机运行期间旋转失速,导致风机转速和系统压力大幅波动的不稳定工况是压力波动的主要原因。通过对引风机进行技术改造,基本上能够使加热炉稳定运行。同时,由于加热炉运行过程中存在控制精度差、空气富裕量大、无法达到最佳燃烧状态、未能实现设计热效率等问题,研究确定了实施理论配比燃烧优化方案,以期达到节能减排的目的。关键词:对二甲苯;加热炉;热效率;理论配比燃烧;余热回收系统中图分类号:TE963 文献标识码:A文章编号:1672-7932(2023)04-043-040 前言对二甲苯(PX)是反映一个国家化工水平的标志性产品,随着我国 PX 项目的迅速发展以及生产能力的提高,近年来新建或规划中的 PX 项目呈现出规模大型化、能量集约化的趋势,产能基本在100104t/a 以上,单套装置最高达 225104t/a,而单系列装置大型化需要设备大型化才能得以保证,因此,作为对二甲苯装置重要设备的加热炉的大型化成为必然之势1。某石化企业 80104t/a 的对二甲苯装置以C6+重整生成油、加氢乙烯裂解汽油和重整氢气为原料,主要产品为对二甲苯,同时副产 C9+重芳烃、乙烯原料气等。装置包括 3 个主体工艺单元:吸附分离单元 445104t/a,异构化单元 349104t/a,二甲苯分馏单元 587104t/a。二甲苯塔重沸炉 F801(简称 F801)采用新型立管方箱炉,单台炉热负荷达 200 MW。1 加热炉余热回收系统加热炉部分包括一台异构化进料加热炉 F701(简称 F701)、一台二甲苯塔重沸炉 F801、一套联合平台和一套烟气余热回收系统。余热回收系统采用两段预热器回收烟气余热,分别设置了高温段板式空气预热器和低温段铸铁双向翅片预热器。正常操作工况下,烟气经余热回收系统后由混凝土烟囱排放,加热炉整体热效率可达 94%以上。余热回收系统设有两台鼓风机(一开一备)和一台引风机,其中一台鼓风机和引风机设置了液力耦合调速。余热回收系统流程如图 1 所示。F801 的辐射室由炉管分成多个辐射单元,每个辐射单元设置燃烧器。辐射室顶部设置 1 个对流室,工艺物流分若干管程从对流段进入加热炉,经对流段换热后再经外转油线分两侧进入辐射室继续加热至工艺所需温度,从辐射室侧墙上部离开加热炉。?、?环境保护与治理2023 年第 23 卷第 4 期 SAFETY HEALTH&ENVIRONMENT44 图 1 余热回收系统流程 辐射室的相关结构参数为:燃烧器 60 台;炉管外径 219.1 mm,单根 17.5 m,每管程 24 根,共480 根;布局为方箱型结构,每 6 个燃烧器四周排布48 根炉管构成一个传热区,共计10 个区。辐射段靠墙的炉管为单排管单面辐射,中间部分的炉管为双排管双面辐射。2 存在问题2.1 压力断崖式波动自 2020 年 11 月开工后,加热炉和余热回收系统的压力会突然出现断崖式异常波动,波动幅度大于 150 Pa,且随着装置负荷的增加,异常波动的频次及幅度呈上升趋势。同时,引风机液力耦合器输出转速也同步波动,严重影响加热炉正常操作并危及装置的安全生产。2.2 加热炉热效率低F801 设计排烟温度 100,过剩空气系数15%,包括烟气余热回收系统在内的设计总体平均热效率为 94%,但实际热效率仅为 93.5%,未达到设计指标。3 原因分析3.1 压力断崖式波动分析3.1.1 原因排查针对加热炉和余热回收系统压力异常波动现象,进行了停炉测试、静态测试、冷态测试等试验,同时对加热炉炉顶挡板到引风机出口范围内的烟道进行 CFD 数值模拟分析,最终将问题锁定在引风机选型偏差、运行过程中出现旋转失速现象上。a)仪表检查。对鼓/引风机区域现场 9 台负压表进行防风处理,排除海风影响;检查调试 19台挡板及阀门的执行器,确认正常。b)静设备检查。对 3 块烟道挡板、3 块风机调节挡板及部分疑似有问题的烟道进行检查,除引风机入口调节挡板略有晃动外,其余均正常。c)动设备检查。对液力耦合器勺管执行机构、呼气帽及液力耦合器油压进行检查并做部分调节,确认正常。对风机设计资料进行检查,引风机设计入口压力为-200 Pa,实际操作压力低于-2 000 Pa,设计与操作工况不符。d)电气检查。分析鼓/引风机运行时的电机电流谱图,检查三相电流平衡,确认电机工作正常。空气实验运转过程中,电机实际负载偏小。e)工艺操作检查。确认燃料气组分、流量、燃烧情况稳定,未出现大幅度变化。同时,对加热炉火嘴进行清理并对燃烧情况进行精细调整,保证燃烧情况良好。f)系统烟道 CFD 模拟分析。加热炉炉顶挡板到引风机出口范围内的烟道排除简单直段,对引风机入口烟道和预热器间连接烟道进行数值模拟(为防止出口回流,将预热器间连接烟道出口长度进行适当加长),模型见图 2。模拟采用标准 k-e模型,进口条件为速度进口,出口条件为压力出口。通过数值模拟结果分析,引风机入口烟道的压力波动幅值为 1.4 Pa,预热器间连接烟道的压力波动幅值为 0.02 Pa,而现场实际测量的压力波2023 年第 23 卷第 4 期环境保护与治理 SAFETY HEALTH&ENVIRONMENT45 动幅值大于 150 Pa。因此可知,余热回收系统烟道的设计结构是合理的,大于 150 Pa 的压力波动不是因结构设计造成的。图 2 几何模型及网格划分结果3.1.2 试验测试对比分析为确认压力断崖式波动的原因,在对引风机选型参数进行研究的同时,开展了操作试验分析,如主动降低/提高风机转速;提高/降低过剩空气系数;提高/降低装置负荷,同步提高/降低 F801负荷;将余热回收系统旁路,利用烟囱控制加热炉炉膛负压,对系统压力和风机转速变化情况进行对比分析等。a)经理论研究,原引风机设计进口压力-200Pa,最小全压 5 000 Pa,运行末期体积流量(进口状态下)432 854 m3/h,设计最大能力478 618 m3/h。根据引风机不同转速下的性能曲线,转速 850r/min时要求的入口流量在 390 000 m3/h 左右,但正常工况下引风机入口流量经测算仅为350 000m3/h 左右,入口流量不足导致引风机的工作点落在性能曲线的边缘处,从而引起引风机工作过程中转速波动。b)经操作试验,在余热回收系统旁路,利用烟囱控制加热炉炉膛为负压的情况下,通过开预热器及烟道上部分人孔,将引风机入口压力控制在-200 Pa(引风机吸入空气),转速 813 r/min,此时引风机有效功率在 480 kW 左右,远小于设计轴功率 680 kW,但此时引风机转速平稳无波动,液力耦合器输出转速也无波动。同时,通过分析引风机在不同功率下的运行情况,确认其在较大负荷(入口流量充足)时转速稳定。加热炉及余热回收系统压力变化的幅值和频率与引风机由于入口流量不足导致旋转失速的情况相符。由于通过引风机的气量不足,气流堵塞区所占据的面积逐渐扩大,导致电机电流升高,转速下降(系统负载突然变化引起风机负载发生变化,液力耦合器在承载负载突然加大时有一个滞后过程,导致转速下降)。由于旋转失速存在流量滞后性,一段时间后转速自行恢复,该工况是引风机喘振前的不稳定工况2。所以,判断加热炉及余热回收系统压力变化及风机转速波动问题是引风机入口流量不足导致的运行工况不稳定,而液力耦合器工作正常。3.2 加热炉热效率低问题分析排烟热损失在加热炉的热损失中占有较大比例。根据经验,加热炉排烟温度每降低 20,相应的热效率可以提高约 1%3。F801 的设计排烟温度为 100,过剩空气系数为 15%,而实际排烟温度在 115 左右,过剩空气系数在 2.5%以上,若排烟温度达到设计的 100,则加热炉热效率有望达到 94%。另外,余热回收系统旁路调节挡板存在一定的泄漏,两路风道总管温度相差 30 左右,旁路漏风进入风道总管后并非混合均匀,具体流场分布需要进一步研究。排烟温度高的原因可能有两方面:一是负压大幅波动时,操作员为保证安全会主动提高负压控制值,以防加热炉出现正压联锁,在一定程度上导致过剩空气系数和排烟温度的高控;二是可能由于预热器设计偏小,从目前运行情况来看,即使在冬季加热炉满负荷运行时也很难将排烟温度控制在 100 以下。4 解决措施及效果4.1 引风机改造及实施情况为解决引风机旋转失速带来的转速波动和系统压力断崖式波动问题,将引风机叶轮由 2 500mm 相似缩小到 2 360 mm,重新制作进风口,保证原接口尺寸不变。同时更换主轴,与叶轮装配好到现场安装。机壳、进气箱、调节门、软连接、轴承箱、液偶、电机等均利用原设备。管路、基础无变化。改造后风机性能参数如表 1 所示,可以看出引风机在正常工况下,入口流量和实际工况基本相符,能够保证引风机工作点落在合理区间内,从而保证引风机稳定运行,避免因流量不足引起旋转失速导致系统压力大幅波动。邹益辉,等.对二甲苯装置加热炉节能优化存在问题及整改措施?、?环境保护与治理2023 年第 23 卷第 4 期 SAFETY HEALTH&ENVIRONMENT46 表 1 风机不同负荷、转速性能参数风机状态 流量/(m3h-1)静压/Pa转速/(rmin-1)110%负荷438 7334 000950100%负荷398 8483 200855正常工况360 7122 80080060%负荷239 3091 500560 由于引风机改造方案需较长时间才能完成,而对二甲苯装置随着负荷增加炉膛负压波动越来越大。为保证安全平稳运行,装置在引风机改造完成前不考虑节能而将相关联锁摘除,将引风机旁路,利用烟囱控制加热炉炉膛负压。如联锁 1:当烟气出辐射室压力 PZT82007A J(10 取 4)或PZT82003AD(4 取 3)持续 15 s 大于 80 Pa,联锁停相应加热炉停主燃料和长明灯燃料;联锁 2:主风道空气压力 PZT-82009 A C(3 取 2)、PZT-82010 AC(3 取 2)持续 25 s 小于 100 Pa,联锁停加热炉主燃料。2021 年 7 月对二甲苯装置引风机改造项目实施完成,余热回收并入系统运行,加热炉及余热回收系统压力仍存在一定程度的波动(波动幅度小于 80 Pa),但幅度、频率有较大程度的降低,且引风机转速不再出现波动,基本消除了引风机旋转失速的情况,为装置安全平稳生产提供了条件基础。4.2 实施理论配比燃烧优化为精确控制燃料和空气的理论配比燃烧,使加热炉火嘴在燃烧时一直处于较低的 O2含量状态,降低加热炉过剩空气系数和排烟损失,提高加热炉热效率,满足装置安全运行要求4,对二甲苯装置开展了理论配比燃烧控制方案设计研究,计划于 2023 年 7 月前投用。方案在 F801 对流室顶部两个烟囱上各安装一台 CO 分析仪,两者高选后控制鼓风机出口挡板或电机(液力耦合器)。CO 含量控制在 57 114mg/m3,氧含量基本稳定在 1.0%左右。F801 与F701 共用一套供风系统,但由于 F701 是反应炉,不实施低氧操作。F701 投用 O2控制,以尽可能保证运行稳定性,控制的执行机构为 F701 进风挡板。理论配比燃烧优化项目投用时,F701 和 F801的负压均通过烟道挡板控制,见图 3。通过增设的 CO 检测分析仪对入口空气量进行精细化调整,有效减低烟气的过