煤化工火炬装置水封罐运行问题及处理方法

作者:杜焕宗 甘学超 郭雪梅 李智鹏  来源:中国神华新疆分公司公用工程中心 
评论: 更新日期:2018年09月14日

[摘要]水封罐主要运用水封产生的压力使火炬管网中保持一定的微正压,以防空气窜入火炬管网,其主要作用是将火炬系统与水封罐的上游管道及生产装置有效隔离开。文章阐述了水封罐的设计原则及水封高度的控制要求,结合煤化工生产实际中上游装置排放气时会带入大量的煤粉,导致火炬水封罐及其附件堵塞的问题,提出了火炬水封罐液位计、补水线、泄水线等附件的部分改造建议,为煤化工火炬水封罐设置提供参考。
        [关键字]煤化工;火炬水封罐;液位计;补水线;泄水线
        Running Problems of Water-sealed Drum in Coal Chemical Flare System and The  Solution
        DU huan-zong, GAN xue-chao,GUO xue-mei,LI zhi-peng
        (China shenghua Xin jiang Co.,Ltd,The utility center,Xinjiang 830019)
        Abstract:The water-sealed drum is mainly utilized to keep a constent pressure in flare pipes, avoiding ingress of air.  The major use is to effectly isolate the upstream pipes from the flare system.  The article illustrates the design principles and control requirements of the water-seal height. As in chemical production of Shenhua Baotou coal chemical Ltd., the discharging gas from upstream devices will carry lots of coal particles, which will plug the drum and other accessories in flare system, some partial advices have been given towards the setting of the level gauge, water supplement line, sluice valve, providing the reference for the setting of the water-sealed drum.
        Key words:The water-sealed drum;Coal Chemica liquid level meter ;refill line ;Discharge lineDischarge line
        水封罐主要运用水封产生的压力使火炬管网中保持一定的微正压,防止空气窜入火炬管网,它是防回火安全设备,其主要作用是将火炬系统与水封罐的上游管道及生产装置有效隔离开。由于煤化工采用煤为原料,进而火炬气中往往含有煤粉,随着时间的积聚,对火炬水封罐的安全操作、设备运行带来了很大的隐患。如何合理的解决这些问题,是水封罐安全运行的重要保证。
        1. 水封罐设计原则
        水封罐分为立式和卧式两种。煤化工火炬系统主要采用卧式带挡液板的水封罐。挡液板开孔,防止液位波动过大,根据液位计能正确观察液位变化。根据相关规范[1-2]的要求水封罐设计应能分离气体中直径300um-600um的液滴;带挡液板的卧式水封罐的直径不宜小于3m;带挡液板的卧式水封罐的分液端不考虑存液,挡液板顶端应高出最高水位200mm。它的附件主要设置有人孔、进出气管、进水管、液面控制排液管、排水管等。为了安全起见,水封罐应该设有足够大空间,保证发生回火爆炸事故时不被破坏。此外压力波动会引起水封罐振动,造成连接部位破坏与泄露,因此水封罐应具有足够的强度。由于北方冬季温度低的特点,水封罐应设置内部蒸汽伴热,蒸发水封内易挥发组分(轻烃类),外部罐体及管线采用外盘管伴热。综合考虑以上因素,结合实际经验,合理的设计水封罐的结构、尺寸、附件等,可保证设计的完整性。
        2. 水封罐水封高度的控制
        水封罐的水封需保持一定的高度要求,根据相关规范中的要求“水封罐内有效水封水量满足水封罐入口管道3m水量”。在实际操作中水封高度还与气体的种类、火炬筒体的高度、环境温度有关[3]。一般富氢火炬水封高度高于重烃火炬水封高度;火炬筒体越高,要求水封高度也相应增加,以保证火炬气冲破水封进入火炬燃烧;冬季温度低,要求水封高度高,夏季可适当减少水封高度。水封高度过高易导致装置憋压,最大排放量时背压值最小装置不能顺利排放。水封高度过低容易引起火炬的回火爆炸事故以及焖烧现象。由于装置火炬气的排放的间断性、不稳定性,造成火炬气管网压力的波动。针对压力的波动,及时调节水封罐的液位以保证火炬气安全排放和火炬气的火焰稳定。
        3. 水封罐运行中出现的问题及其附件的改造建议
        3.1 液位计堵塞
        神华包头煤化工火炬装置高压富氢和低压富氢水封罐液位计采用双表指示。远传液位指示采用压差液位计,现场液位指示采用磁翻板液位计。由于上游气化装置开停车频繁,气化炉开车周期在1-3个月,在开停车期间会向下游装置及火炬排放大量气体,导致火炬管线内压力不稳定,很可能导致回火事故的发生。水封罐安全运行的核心在于水封罐内的水位,因此水封罐液位指示的准确性是水封罐的重要工艺参数。
        
        图3.1磁翻板煤粉堵塞
        气化装置在开停工期间会向火炬装置排放大量的放空气,大量的煤粉伴随放空气进入水封罐内,在水封罐内沉淀,堵塞就地指示液位计的入口,导致液位计失灵。神华包头煤化工火炬装置高压富氢和低压富氢水封罐就地指示液位计采用磁翻板液位计,当煤粉在水封罐内沉淀时,也进入到磁翻板液位计,煤粉在入口处大量堆积,最终使磁翻板液位计堵塞无法使用。压差液位计对煤粉的敏感度相对较小,目前能正常运行,由于水封罐内有大量煤粉,随时有压差液位计测压处煤粉堵塞,压差液位计出现故障的情况。当现场液位计已无法使用时,高压富氢和低压富氢水封罐液位计只能单表指示,液位无法对比参考。操作人员无法判断压差液位计是否指示真实。特别是水封罐液位低于工艺指标时,压差液位计故障,指示高液位,操作人员未及时进行补水,导致水封罐没有水封作用。同时火炬系统排放频繁时,会形成负压,由于水封罐未及时补水,水封罐失效,未能起到有效的隔离作用,使火炬系统发生回火爆炸事故。
        因此,在煤化工火炬系统高压富氢和低压富氢水封罐液位计不能选用磁翻板液位计。为保证水封罐的安全运行,需对磁翻板液位计进行更换,以保证双表准确指示,进行比较,帮助操作人员及时准确判断水封罐液位,发现水封罐液位超出工艺指标时,及时进行操作调整,确保水封罐的安全运行。为了使水封罐内煤粉对液位计不能形成干扰,指示准确,可选择非接触式雷达液位计以代替磁翻板液位计。
        3.1.1 雷达液位计基本原理
        雷达液位计天线发射极窄的微波脉冲,这个脉冲以光速在空间传播,碰到被测界面,其部分能量被反射回来,被同一天线接收器接收,发射脉冲与接收脉冲的时间间隔与天线到被测介质表面的距离成正比。
        3.1.2 雷达液位计优缺点
        雷达液位计优点:雷达液位计在恶劣条件工作适用范围广,几乎可以测量所有介质。包括有毒的,腐蚀性介质,固体、液体,粉尘性、浆状介质,都可以进行测量。测量连续准确,无须维修,可行性强,维护方便,操作简单。非接触测量,不受温度、压力、气体等的影响。
        雷达液位计缺点:价格昂贵。如果天线本身不慎沾上介质会报错。如有结晶结冰现象会报错,需加热保温处理,并清理天线。
        3.1.3 安装注意事项
        (1) 安装时应尽可能避开罐内设施,如人梯、支架等。
        (2) 最高液位不得进入测量盲区,仪表距管壁必须保持一定的距离,仪表的安装尽可能使天线发射方向与被测介质表面垂直。
        (3) 安装时仪表与侧壁的距离不低于500mm。如果不能保持距离,管壁上黏附的介质会造成虚假回波,造成测量误差。
        3.1.4 雷达液位计安装位置
        为了防止介质对雷达液位计的干扰,雷达液位计安装在水封罐顶部中间位置,在安装雷达液位计时,为了方便雷达液位计在生产运行时进行维修和更换,在水封罐连接处加装阀门。
        3.2 补水线管口堵塞
        煤粉大量沉积于水封罐底部容易造成补水线管口堵塞,当水封罐液位低于工艺指标时无法对水封罐补水,则当不正常工况下火炬气大量排放时,易造成回火爆炸或者火炬头焖烧现象。
        为解决补水线管口堵塞的问题,可以通过在一定程度上加大补水管线的直径,并且在补水线伸入水封罐内部一定高度的情况下设置倒U型的结构,从而防止煤粉堵住补水管线,保证补水管线的正常补水。同时在补水管线上加装流量计,从而可通过流量计的指示清晰地判断补水的情况,便于安全操作。
        3.3 泄水线U型弯堵塞
        煤粉大量沉积于水封罐底部容易造成U型弯管线堵塞,另外因水封罐液位上漂浮有浮油,在排放过程中浮油易在U型弯顶部聚集从而堵塞管道。当水封罐液位超过工艺指标上限时,不能进行大量的排水,甚至完全无法排水,最终对上游装置造成憋压,使生产装置大面积停工,造成严重经济损失。
        为了解决煤粉或者浮油引起的U型弯堵塞的情况,同时结合水封罐排水时不排气,防止有毒气体逸出的安全原则,在水封罐底部设置两台离心泵代替U型弯,泵一开一备,配事故电源,满足各种工况下排液,液位联锁自动控制泵的启停。为防止煤粉进入机泵,在泵的前端设置过滤器,定期清理里面的杂物,防止进料管线堵塞而引起泵的异常情况。
        3.4 火炬筒体积液
        当装置因火灾、操作故障、动力故障等非正常工况下排气时,火炬管网压力剧增,水封罐液位调节阀门不能及时调节液位高度时,火炬气短时间内冲破水封,并且大量带液进入火炬筒体,液体堵塞筒体,减少了气体的通截面,对火焰的稳定性造成影响。严重时可能会导致火雨现象。
        针对不正常工况下排气量瞬时增大且带液入筒体的问题,在火炬筒体底部设置排液管与水封罐底部相连,通过控制排液管上阀门开度使火炬筒体底部积液利用重力作用重新排入水封罐,使水封罐水封高度得以重新建立,有效地保证了水封的高度和火炬气燃烧的稳定性,防止火雨现象的发生。因火炬气在事故排放结束时,水封罐内压力接近于常压,此时最容易出现回火爆炸事故,所以也在火炬支管起点、总管起点、分液罐后、火炬筒体底部设置了吹扫气(氮气),在排放接近结束时,补充吹扫气进火炬管路,使整个火炬系统保持一定的微正压,保证了系统的安全性。
        3.5 改造前水封罐及其附件示意图
        
        3.6 改造后水封罐及其附件示意图
        
        4. 结语
        火炬水封罐作为重要的火炬系统防回火设施,安全运行与否关系到整个火炬系统,通过对水封罐的设计原则及水封高度的控制要求的介绍,结合煤化工生产实际中出现的问题,提出以下几点建议:
        (1) 针对磁翻板液位计的失灵问题,现场更换为雷达液位计;
        (2) 补水线堵塞问题,现场在补水线阀前加装流量计,补水线入罐口增加倒U型弯结构;
        (3) 泄水线堵塞问题,现场用离心泵代替泄水U型弯,泵进口处加装过滤器;
        (4) 火炬筒体存液问题,在火炬筒体至水封罐之间增加跨线。
        参考文献
        [1] API 52l - 2007- Pressure - relieving andDepressuring Systems.2007.
        [2]SH 3009-200l石油化工企业燃料气系统和可燃性气体排放系统设计规范[s]. 北京:中国石化出版社,2002.
        [3]罗方敏,化工联合装置高架火炬系统设计.广东寰球广业工程公司,2013.06.07.
       

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