高東林,王麗祥,呂俊博,馬琳,范新苑

(航天長(zhǎng)征化學(xué)工程股份有限公司,北京 101111)

地處東北的某煤化工項(xiàng)目是航天長(zhǎng)征化學(xué)工程股份有限公司參與設(shè)計(jì)的生產(chǎn)合成氨及尿素的大型項(xiàng)目,其氣化裝置采用了航天粉煤加壓氣化技術(shù)水激冷工藝,項(xiàng)目自2018年建成投產(chǎn)以來(lái),除正常的檢維修外,其他時(shí)間運(yùn)行穩(wěn)定。但在長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行中,也逐漸暴露出一些問(wèn)題,比如因項(xiàng)目采用的原料煤煤種及當(dāng)?shù)厮|(zhì)所具有的一些特性,在氣化裝置的渣水處理環(huán)節(jié)中出現(xiàn)的結(jié)垢問(wèn)題較為嚴(yán)重,特別是本文將要討論的激冷水過(guò)濾器,結(jié)垢已經(jīng)一定程度上影響到了裝置的運(yùn)行周期。

設(shè)置激冷水過(guò)濾器,可有效地防止裝置運(yùn)行過(guò)程中黑水管道產(chǎn)生的垢片堵塞氣化爐內(nèi)件,是保障氣化爐安全長(zhǎng)周期運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備之一[1]。激冷水過(guò)濾器管路則是連接激冷水泵與氣化爐的重要管線,其壓力和流量的穩(wěn)定對(duì)于氣化爐的正常運(yùn)行起著重要的作用,一般設(shè)計(jì)為保證能夠在線檢維修,防止激冷水過(guò)濾器因?yàn)槎氯膯?wèn)題而出現(xiàn)停車(chē)等突發(fā)情況,通常會(huì)在激冷水過(guò)濾器的配置上選擇一開(kāi)一備,在其中一臺(tái)堵塞時(shí),開(kāi)啟另一臺(tái),對(duì)堵塞的一臺(tái)進(jìn)行在線沖洗檢修,但對(duì)于結(jié)垢周期短的項(xiàng)目,兩臺(tái)的相互切換運(yùn)行,對(duì)企業(yè)在維修運(yùn)營(yíng)上都有較多的不便,無(wú)法與整個(gè)裝置的年度例行檢維修保持同步。

本文將對(duì)原設(shè)計(jì)的激冷水過(guò)濾器管路進(jìn)行改造,在盡可能保持原設(shè)計(jì)不做較大改動(dòng)的前提下,對(duì)管路進(jìn)行合理地優(yōu)化改造,并通過(guò)CAESARⅡ[2]軟件建立模型,對(duì)改造后的整個(gè)激冷水過(guò)濾器管系進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算分析,比較分析改造前后的管路及設(shè)備管口受力情況,最終形成可實(shí)施的改造方案。

1 管路工藝特點(diǎn)

1.1 激冷水過(guò)濾器管路的工藝特點(diǎn)

氣化爐的激冷室是合成氣和熔渣進(jìn)行水浴并降溫的關(guān)鍵部位,保證激冷室的液位滿(mǎn)足一定的高度是水激冷環(huán)節(jié)的首要任務(wù)。激冷水過(guò)濾器是激冷水進(jìn)入激冷室的水質(zhì)保證,因?yàn)椴糠值貐^(qū)存在水質(zhì)差、硬度高、懸浮物多等特點(diǎn),如果水循環(huán)環(huán)節(jié)不能降低硬度和清除懸浮物,那么進(jìn)入激冷室之前,激冷水過(guò)濾器必然會(huì)在運(yùn)行一段時(shí)間后,出現(xiàn)嚴(yán)重的結(jié)垢和堵塞的問(wèn)題,進(jìn)入激冷室的激冷水流量就不能得到保證[3]。

以本文所提到的煤化工項(xiàng)目為例,進(jìn)入激冷水過(guò)濾器的管路,其操作壓力為4.65MPa(g),操作溫度210℃,根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),在原設(shè)計(jì)的“一開(kāi)一備”的激冷水過(guò)濾器只開(kāi)1臺(tái)的情況下,實(shí)際運(yùn)行1個(gè)月即無(wú)法保證激冷水流量;2臺(tái)同開(kāi)的情況下,可基本保持運(yùn)行3個(gè)月,因其周期短,需反復(fù)沖洗,且從激冷水泵到激冷水過(guò)濾器的管路跨度大,在管路也同時(shí)結(jié)垢的情況下,整個(gè)激冷水過(guò)濾系統(tǒng)的壓降就無(wú)法保證,影響了氣化裝置的整體運(yùn)行。

針對(duì)上述的問(wèn)題,其工藝改造的方向主要從以下3點(diǎn)考慮。

(1)針對(duì)水質(zhì)差、硬度高、懸浮物多等問(wèn)題,可在水循環(huán)系統(tǒng)上增加灰水除硬及水處理措施。其優(yōu)點(diǎn)是可從根本上解決整個(gè)水系統(tǒng)的結(jié)垢問(wèn)題;缺點(diǎn)是成本投入高,改造周期長(zhǎng)且難度大,實(shí)際上不能考慮。

(2)再增加一臺(tái)激冷水過(guò)濾器,在“兩開(kāi)一備”的情況下,通過(guò)相互切換可保證運(yùn)行效率。其優(yōu)點(diǎn)是成本不高,改造周期短;缺點(diǎn)是改造困難大,原設(shè)計(jì)中并未考慮預(yù)留激冷水過(guò)濾器的位置,無(wú)法再布置1臺(tái)激冷水過(guò)濾器,實(shí)際情況無(wú)法滿(mǎn)足。

(3)改造原設(shè)計(jì)管路,通過(guò)在激冷水過(guò)濾器進(jìn)口管路和出口管路之間新增一個(gè)旁路,在旁路上設(shè)置管道過(guò)濾器,在2臺(tái)過(guò)濾器無(wú)法保證流量時(shí),打開(kāi)旁路暫時(shí)替換主路過(guò)濾器運(yùn)行,同時(shí)在短時(shí)間內(nèi)對(duì)2臺(tái)過(guò)濾器進(jìn)行沖洗,結(jié)束后關(guān)閉旁路,改為主路過(guò)濾器運(yùn)行。對(duì)于短時(shí)間運(yùn)行的管道過(guò)濾器,根據(jù)濾芯堵塞情況進(jìn)行清洗或更換,并為下次的切換做好準(zhǔn)備。其優(yōu)點(diǎn)是改造成本更低,改造周期更短,且實(shí)際改造難度也更低,是較為容易實(shí)現(xiàn)的一個(gè)方向。

1.2 激冷水過(guò)濾器管路的布置特點(diǎn)

基于以上分析的改造方向,對(duì)于通過(guò)增加旁路來(lái)改造激冷水過(guò)濾器管路的方式,需要對(duì)原設(shè)計(jì)管路在停車(chē)檢修時(shí)進(jìn)行最短時(shí)間的改造,為最大程度地降低改造的經(jīng)濟(jì)成本和時(shí)間成本,只有盡可能地保持原設(shè)計(jì)管路不做改動(dòng),原設(shè)計(jì)管路的布置見(jiàn)圖1。

圖1 原設(shè)計(jì)激冷水過(guò)濾器管路布置

分析原設(shè)計(jì)激冷水過(guò)濾器管路的布置特點(diǎn),因布置在渣水框架的激冷水泵與布置在氣化框架的激冷水過(guò)濾器距離遠(yuǎn),導(dǎo)致整個(gè)管路的長(zhǎng)度較長(zhǎng),一般來(lái)說(shuō),比較臟或水質(zhì)差的介質(zhì)在布置上應(yīng)盡可能采用短而直的布置。

2 管道布置改造研究

本文針對(duì)原設(shè)計(jì)激冷水過(guò)濾器管路,通過(guò)增加旁路對(duì)原設(shè)計(jì)管路進(jìn)行了改造研究。旁路的設(shè)置結(jié)合了原設(shè)計(jì)裝置的設(shè)備及管道布置情況,在激冷水過(guò)濾器進(jìn)口管路和出口管路之間增加1條旁路,在旁路接入口和引出口設(shè)置手動(dòng)切斷閥門(mén),并在旁路上增加1臺(tái)法蘭連接的籃式管道過(guò)濾器,新增旁路見(jiàn)圖2。

圖2 改造后的激冷水過(guò)濾器管路布置

通過(guò)旁路的設(shè)置,在2臺(tái)激冷水過(guò)濾器同時(shí)檢修時(shí),可短暫地利用旁路完成在線檢修?；@式過(guò)濾器方便更換濾芯,在濾芯的目數(shù)選擇上,可結(jié)合激冷水過(guò)濾器的沖洗周期和水質(zhì)情況確定。

結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際改造成本來(lái)看,此項(xiàng)改造成本低、周期短,運(yùn)行效果也滿(mǎn)足了實(shí)際需求,綜合來(lái)看是更為合理的改造方案。

3 CAESARⅡ軟件應(yīng)力分析

3.1 激冷水過(guò)濾器原設(shè)計(jì)管路模型建立

激冷水過(guò)濾器原進(jìn)出口管道之間除設(shè)備之外,并無(wú)其他管道相互關(guān)聯(lián),因此原管道分別建模,作為獨(dú)立管系分別計(jì)算設(shè)備管口受力,并設(shè)置管道支吊架,由于管系溫度及壓力較高,所以在距離設(shè)備較近位置處設(shè)計(jì)有彈簧支架,原進(jìn)出口管道應(yīng)力模型見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 原激冷水過(guò)濾器進(jìn)口管道應(yīng)力模型

圖4 原激冷水過(guò)濾器出口管道應(yīng)力模型

3.2 激冷水過(guò)濾器管路改造方案模型建立

3.2.1管道走向

由于本改造設(shè)計(jì)是在激冷水過(guò)濾器進(jìn)出口管道之間增加1條旁路,使得原進(jìn)出口管系產(chǎn)生了關(guān)聯(lián),因此應(yīng)力模型建立需將原獨(dú)立的2條管系共同建模,同時(shí)計(jì)算設(shè)備進(jìn)出口受力情況,以判斷改造是否成立。

如圖5所示,增加的旁路管道起始點(diǎn)為2910,終點(diǎn)為3120。由于此兩點(diǎn)間存在高差,并且管道溫度較高,因此會(huì)有一定的相對(duì)熱位移。為使旁路管道對(duì)原進(jìn)出口管系的影響盡可能減小,旁路管道在設(shè)計(jì)時(shí)采用了較長(zhǎng)的水平走向,如下圖中2940點(diǎn)到2980點(diǎn),用以消除管道相對(duì)熱位移對(duì)設(shè)備管口及原管道支架產(chǎn)生的影響。

圖5 激冷水過(guò)濾器整體管道應(yīng)力模型

3.2.2支吊架設(shè)計(jì)

改造設(shè)計(jì)的目的是在達(dá)到設(shè)計(jì)初衷的同時(shí)盡可能減小對(duì)原設(shè)計(jì)的修改。因此,為以最少的修改完成本次改造,在旁路管道已經(jīng)走向優(yōu)化的前提下,對(duì)新增管道支架的設(shè)計(jì)也尤為重要。此次修改在水平管道上設(shè)計(jì)剛性支撐,用以增加管道的穩(wěn)定性,在立管及彎頭處設(shè)計(jì)彈簧支架,這樣可以提高管系柔性,減小因高差產(chǎn)生相互的影響,同時(shí)對(duì)原管道彈簧支架的干擾達(dá)到最小程度。

3.2.3受力分析

為更直觀地判斷改造前后的效果,本文需對(duì)比改造前后設(shè)備管口及彈簧支架受力情況。

圖6、7為改造前激冷水過(guò)濾器進(jìn)出口受力情況,圖8為改造后管口受力。從圖中可以看出,改造前后激冷水進(jìn)口970點(diǎn)在Y方向受力FY略有變化,但也在設(shè)備允許受力范圍之內(nèi),其他方向受力及力矩均無(wú)明顯變化;另一進(jìn)口1060點(diǎn),在改造前后各個(gè)方向受力及力矩同樣無(wú)明顯變化。在設(shè)備出口方面,2030點(diǎn)在改造前后的受力和力矩幾乎沒(méi)變;2100點(diǎn)在Y方向受力FY略有增加,但其在Z方向的力矩MZ卻有所減小,綜合受力情況,此點(diǎn)整體變化不大,亦滿(mǎn)足設(shè)備管口受力要求。

改造前后激冷水過(guò)濾器進(jìn)出口管道原彈簧支架,除1010點(diǎn)彈簧型號(hào)減小一號(hào)外,其余各點(diǎn)彈簧均無(wú)變化。因此,可認(rèn)為本次改造前后激冷水過(guò)濾器管道對(duì)原設(shè)計(jì)影響較小,既滿(mǎn)足了改造的目的,又減少了改造難度。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)激冷水過(guò)濾器管路的改造研究,得出了在滿(mǎn)足改造要求前提下使企業(yè)的改造成本最低且實(shí)際可行的最優(yōu)改造方案,并通過(guò)對(duì)改造后的整個(gè)管路的應(yīng)力分析計(jì)算,獲得了使管路和設(shè)備管口受力最佳的支架設(shè)置位置,在改造后投入運(yùn)行時(shí),應(yīng)注意以下幾個(gè)方面:①運(yùn)行后切換到旁路時(shí)應(yīng)注意,旁路僅能短時(shí)間替換主路運(yùn)行,應(yīng)及時(shí)對(duì)主路的激冷水過(guò)濾器進(jìn)行清洗,并在結(jié)束后切回到主路運(yùn)行;②籃氏過(guò)濾器的濾芯在主路正常運(yùn)行后應(yīng)拆卸檢查,并確定是否需要更換;③對(duì)于改造后的管路支架,應(yīng)經(jīng)常檢查新設(shè)置的彈簧支架是否有較大偏離,如偏離過(guò)大,則應(yīng)采取一定的恢復(fù)措施。