炼厂重油气化炉进料油泵及长周期运行

王艳武,吴波,闫吉臣,李志,杨海永

(浙江石油化工有限公司,浙江 舟山 316000)

1 重油简介和气化工艺设备简介

1.1 重油

重油是原油炼制过程中的一类产物,根据炼制方法的不同,有常压重油、减压重油、裂化重油或它们的混合物等[2]。重油主要以烃类的形态存在,碳氢两种元素共占重油质量的96%～99%,除碳氢两种主要元素外,还有少量的硫、氧、碳和灰分,其含量为1%～4%。重油中的灰分绝大部分是溶解在油中的金属盐类,大部分是钒、镍、铁、铝、钙、钠、镁、钴、铜等金属盐类。

1.2 重油的物理性质

比重和重度:比重指温度20 ℃时单位体积重油的质量与温度4 ℃时同体积水的质量之比。重度是单位体积的某种物质所具有的质量,水在4 ℃时的重度为1 t/m3[3]。

黏度:黏度的大小可用动力黏度、运动黏度和条件黏度来表示。

闪点和着火点:闪点又称闪燃点。重油被加热到某一温度,其表面上的油蒸汽和空气混合物与火焰接触时,产生一闪即灭的火苗,此温度称为闪点。重油的着火点为500～600 ℃,在重油部分氧化法的操作条件下,有富氧空气或纯氧存在,着火点会下降。

凝固点:油品由液态变成固态时的温度称为凝固点,重油和渣油的凝固点在20～50 ℃。重油的凝固点与重油的蜡含量有关,含蜡高的重油其凝固点就高。重油系统的设备、管线、阀门、取压点等都需要保温,防止重油变稠、凝固而造成堵塞。

热值和比热:1 kg油品完全燃烧所发生的热量称为该油品的热值:1 kg油品温度升高1 ℃所需要的热量称为比热。

静电特性:油是不良导体,它与钢铁摩擦,很容易产生静电。产生静电的强弱与油的流速,管道和设备的材料和粗糙度,空气湿度以及油中杂质的含量有关。储油的管道和设备必须良好接地。

1.3 重油气化的基本反应原理

普遍应用的部分氧化法不采用催化剂,而以水蒸气和氧作为气化剂,使重油与适量的氧气进行部分氧化反应及其他一系列化学反应,产生主要含氢和一氧化碳的原料气(又称水煤气),经过净化加工得到纯氢气用于各加氢装置或者合成气用于加工甲醇、乙二醇等和作为燃料气给各加热炉供气。

该化学反应过程大概分为以下五个阶段:混合阶段、蒸发阶段、氧化阶段、高温热裂解阶段、转化反应阶段[4-5]。

1.4 重油气化的反应条件和工艺流程

1.4.1 反应条件

1)反应温度:对重油气化全过程起控制作用的甲烷蒸汽转化反应以及游离碳与蒸汽和二氧化碳的转化反应均为可逆吸热反应。因此从化学平衡观点出发,提高反应温度可以降低甲烷和游离碳的平衡含量,提高一氧化碳与氢的平衡浓度。2)反应压力:随着反应的进行,气体体积不断增加,提高反应压力不利于反应的平衡。3)氧油比:氧油比明显影响重油的气化效果,氧耗又是主要的经济指标,因此氧油比应是控制生产的主要条件之一。4)蒸汽油比:加入蒸汽的几个作用:转化剂作用、缓冲剂作用、雾化剂作用、氧化剂作用。

1.4.2 工艺流程

按照废热回收方式分为急冷和废热锅炉两种典型的流程。从能量回收方面看废热锅炉流程中热量回收是间接的,效率低,而急冷流程回收是直接的。急冷流程设备简单易操作。

1.5 重油气化装置的主要设备

喷嘴:将原料油充分雾化成细小颗粒,使与氧气和水蒸气充分均匀混合而进行气化反应。结构分为气流式双套管内混合喷嘴、气流式三套管内混合喷嘴、气流-机械式双套管外混合喷嘴、气流式双套管预混合喷嘴等。

气化炉:作用是使重油、氧气和蒸汽三种物料进行非催化的部分氧化反应。结构一般为一圆筒形、两端有椭圆形封头内有耐火材料的设备。喷嘴安装在气化炉的顶部。

进料油泵:为气化炉喷嘴提高压重油,结构有柱塞式、隔膜式等。因其出口流量和压力直接关系气化炉系统的主要联锁参数,其稳定运行显得格外重要。

2 主要设备-气化炉进料油泵简介和运行分析

2.1 进料油泵运行状况

高压进料油泵是重油气化装置的核心设备之一,输送的介质为高温高压且含有一定固体颗粒的重油(涉密)。由于输送介质本身的特性和原密封结构设计的不足,频繁发生因柱塞密封失效而导致系统停车的事件,给设备运行和安全生产带来极大隐患。

2.2 进料油泵启泵、停泵及操作注意事项

启动前的准备工作:泵已检修或安装完成,具备投入条件。检查电机的接地线安装牢固可靠。检查电机、泵体地脚螺栓紧固无松动,防护罩安装到位。检查符合使用要求,打开压力表根部阀,压力表投用。检查传动部件完好。手动盘车3～5圈正常,无卡涩,泵体内无不正常声音,保护罩复位。检查润滑油油位在规定范围内,油质良好。检查循环冷却水投用正常。确认进料油泵安全阀投用正常。确认蒸汽伴热投用正常。确认仪表投用正常。确认浆液阀冲洗油阀门关闭,盲板在盲的位置。检查泵电机已送电。现场确认操作开关在现场停止位置,转速转到“0”的位置。DCS将进料油泵转速调节器调至最低转速,设置至手动状态。

料油泵的启动操作:确认PV10002阀门在自动状态,设定值在6.5 MPa,确认泵出口回流阀SV-10002打开。确认回流阀SV-10002后手动阀打开,盲板通。确认回流阀SV-10001关闭。确认回流阀SV-00015打开。联系中控准备启动进料油泵。现场启动强制冷却风机、润滑油泵并确认正常。中控复位进料油泵自保护联锁UZ10001。经中控确认正常后,打开泵进口,按启动按钮启动机泵。确认泵进口压力在运行指标范围内。密切监视电流指示和泵出口压力指示的变化。现场将远传/就地切换至远程位置。DCS调整泵的转速,应按照从小流量到大流量操作,调整幅度不宜过大,现场及时检查泵运行情况,有异常随时联系中控停止调整符合。确认流量正常后,现场检查泵的噪声和振动情况,流量、压力的运行曲线。

进料油泵的停泵操作:通知现场准备停泵。将泵开关打至就地位置,按停止按钮。关闭泵进口阀。通知中控泵已停止,根据检修需要做相关措施。

进料油泵的日常维护:检查泵出口压力,电流值是否正常。检查泵循环水管道。检查泵各部位的振动和声音情况,各部零件和地脚螺栓是否松动。检查油箱内润滑油的用油情况,油质和油量是否正常。

注意事项:进料油泵在开泵之前必须先投用出口安全阀。开泵前检查确认后路流程畅通,确认出口回流管线阀门全部打开。停用后必须将电机启动开关置于“就地”位置。原厂的密封结构为带蒸汽伴热夹套和冷却水夹套的填料函加柱塞密封,填料函内部从柱塞前端到后端依次为注射油环、弹簧、垫圈、一组盘根(2根)、润滑油环、一组盘根(2根)、冲洗油环、V型密封环及压盖、锁母,注射油环和润滑油环分别由注射油泵和注油器单独供油,冲洗油环上油和回油口分别连接单独管路。由于输送的重油在低温环境下会自聚凝结且含有一定量的固体颗粒,密封盘根与柱塞间的摩擦密封面经过长时间高温摩擦和颗粒磨损会逐渐失效。平均运行周期在一个月左右,最短的运行周期不足两周,这对本装置及上下游生产系统影响很大。

2.3 两次泄漏严重事故事件经过及分析

经过一:设备管理人员在疏通、处理3#进料理油泵(31932-P-3001)冲洗油管线、管接头和冲洗油环堵塞故障时,发现中间填料函冲洗油上油接口处间断喷涌出高温蜡油和油渣的混合液体,判断为柱塞密封填料失效严重。鉴于设备不安全运行可能给生产安全带来的不良状况,装置领导立即汇报调度申请停泵检修。

原因:直接原因为洗油管线及冲洗油环堵塞严重,柱塞填料密封盘根突然失效,造成油渣大量喷出,紧急停车,造成生产波动。间接原因为该泵填料为首次使用,对填料的密封性能认识不足。3#进料泵所使用填料为宁波艾拓公司提供,使用原厂设计的填料函及柱塞,填料函装填结构为(从缸体侧到曲轴连杆侧) 注射油环+弹簧+填料(艾拓505+503)+润滑油环+填料(艾拓505+503)+冲洗油环+V型环(原厂新)+ V型环(旧新)+V型环压盖+锁母,其中填料及组装型式为首次使用,增加的V型环密封为首次使用,对填料的密封效果认识不足;对填料磨损情况、渣油泄漏大量泄漏风险预估不足。填料泄漏已经一个多月,一直在监控运行,且填料泄漏量存在的不确定性,多次造成冲洗油环、冲洗油线堵塞,本次因填料突然块状脱落,造成渣油大量泄漏,设备管理人员未能提前预判出渣油大量泄漏的征兆。管理原因为设备管理不到位进料泵填料泄漏增大之前,未能及时按计划停车进行填料更换。风险辨识不到位。装置设备专业对高温重油泄漏的风险辨识不到位,主观上没有清醒地认识到高温重油大量泄漏对安全生产的危害程度。

经过二:进料油泵填料函密封填料运行期间外漏突然加剧,泄漏介质为高温EST油渣并产生部分烟气,装置领导立即安排当班操作人员接蒸汽吹扫做安全掩护防止着火,同时汇报计划调度部该生产异常状况,15日上午按照调度通知停进料油泵,进行更换填料检修。

原因:密封填料结构设计缺陷:主密封部分在润滑油布油环两侧各只有两道密封填料,有效密封结构长度过短;填料磨损严重:拆检后发现填料磨损十分严重,布油环两侧各只剩一道密封,且切口处存在较大间隙;V型环缺陷:冲洗油回油外侧只有一道V型环密封,当柱塞或V型环出现微小缺陷时,冲洗油就会出现外漏情况。填料质量不足,寿命极短:进料油泵自运行以来,短则2～3 d,长不到一个月,通常在运行半个月左右即出现填料泄漏情况,主填料和V型环的寿命远远低于合同承诺的寿命。

3 填料改造的意义和结构

为了延长密封填料的使用寿命、提高设备的运转周期、减少因重油泄漏和冲洗油管线堵塞带来的安全隐患、降低生产及检修成本和减轻对上下游生产系统的影响,急需对进料油泵的密封结构进行优化、延长运行周期。多次优化后的简图如图1所示。

图1 填料函结构图

将注射油环四个流通孔改为八个流通孔,利于均匀分布注射油;两组共4根9.5×9.5密封盘根改为两组共5根10×10的密封盘根,增加有效密封截面;冲洗油环回油孔扩大一倍,利于带走颗粒等杂质;增加一道V型密封环,提高冲洗油的密封效果;填料函端部锁母留有3～6 mm预紧量,可在线紧固锁母提高密封性。试用蜡油试运4 h无泄漏,冲洗油进回油畅通;重油投运五周时间运行平稳、填料无泄漏迹象,冲洗油进回油畅通、无异常。

检修更换填料函等检修项目操作卡:附属管线拆除:缸头进、出口单向阀外观、磨损、断裂情况检查;柱塞与十字头接拆除,填料函与缸头连接螺栓拆除;填料函整体移出;将填料函端部填料压盖松开,依次沿填料函轴向拆出填料、衬套、弹簧、O圈等部件;检查柱塞磨损量并对填料、衬套、弹簧等进行检查;清洗填料盒内部并检查填料盒内部是否存在缺陷;组装填料函;拆除齿轮箱与柱塞泵联轴器连接螺栓;拆除曲轴箱端盖,依次拆除柱塞泵支撑轴承压盖、大头瓦螺栓、十字头端盖;依次拆除大头瓦上瓦、曲轴支撑轴承,盘车拆除曲轴;拆除十字头销、十字头、连杆;各部位尺寸、装配间隙复测;各部件反顺序回装;对中复测,联轴节、护罩回装;附属管线回装,机泵漏点消除。

检修前准备工作:查阅停机前泵组运行状态,有关图纸及相关配件的落实。办理施工作业票。按公司要求及时填写检修动态。确认施工作业票内容落实情况。确认机泵完全切出并交付检修。确认现场符合可以进行施工作业条件。备齐所需工机具、量具及清洗盆、清洗剂、大布、橡皮等。进行检修前的唱票工作,确认检修人员了解检修任务内容。使用打扫工具将机泵外壳清理干净。检修前现场进行文明检修规格化场地布置。附属管线的拆卸与仪表专业配合,优先确保仪表检修人员能够顺利拆除与检修有关的部分仪表。拆解前对各影响检修的管线做好配对标记,使用合适的扳手逐一拆卸配对法兰或活接头。对裸露的管口用干净塑料薄膜与扎带进行包扎,挂好序号牌,并妥善保管,需明确包扎数量、拆除数量,将处理好的附属管线放置在指定区域。为避免回装时包扎物遗留在管路、设备内部,管线进出口只准包扎不允许塞堵,拆卸管线之前要确认管线降温、泄压、隔离,残余油品收集按规定地点倾倒,及时清理地面的油污。联轴器护罩拆除使用合适的扳手松开并取下联轴器护罩中分面的紧固螺栓,将取下的螺母带回对应螺栓上,依次装入自封袋归类并做好标签。使用合适的扳手分别松开并柱塞泵与变速箱紧固螺栓,依次装入自封袋归类并做好标签。使用工具时,站位要正确,用力不要过猛,防止脚下打滑伤人;填料函拆除、解体、组装。合适扳手断开柱塞与柱塞杆接卡箍固位螺栓,拆除卡环,拆下部件合理放置。使用合适扳手拆除填料函与缸头连接螺栓,将填料函整体移出并放置于检修区域。使用专用工具拆除填料盒压盖,依次沿填料函轴向拆除填料、衬套、弹簧、O圈等部件。检查填料、衬套、弹簧、O圈等部件是否磨损、变形、老化,若出现上述缺陷则进行备件更换。检查填料盒内部是否存在外观裂纹、高点,必要时更换填料盒,填料盒无外观缺陷则对填料盒进行清理。使用合适外径千分尺对柱塞直径、圆柱度、柱塞与填料衬套配合间隙进行测量,记录表见表1,若柱塞磨损量或圆柱度过大则对柱塞进行更换。

表1 记录表1

对以上部件进行检查并确保干净,无误后按拆解相反顺序回装填料函组件,期间使用深度尺测量填料环各端面,确保端面与填料函轴向相垂直,柱塞回装过程中在柱塞表面涂抹适当润滑油。

1)联轴器断开,曲轴箱解体。打开联轴器罩壳,将螺丝刀插入蛇形弹簧断开处将蛇形弹簧依次撬出;依次拆除拆除柱塞泵半联轴器、曲轴箱端盖,对零部件进行外观检查并放置于合理区域。拆除十字头端盖,拆除十字头销固位螺钉,盘车敲出十字头销,拆除十字头。使用合适扳手松开大头瓦固位螺栓,拆除大头瓦上瓦,盘车拆除连杆并测量十字头与滑履周隙、大头瓦间隙、小头瓦间隙(检查各部件缺陷情况,必要时更换),记录表见表2。

表2 记录表2

拆除支撑轴承端盖并以此将曲轴从曲轴箱后端盖部位纳取出。

将曲轴架设于V型支架之上,盘车测量曲轴支撑档跳动,使用合适量缸表测量曲拐臂差,使用合适量具测量支撑轴承与曲轴、曲轴箱、装配间隙,记录表见表3,超标则进行更换。

表3 记录表3

曲轴箱各部件回装:将各列连杆依次放入合适位置,将曲轴沿曲轴箱后端盖放入适当位置,回装两端支撑轴承及压盖;盘车调整连杆位置,回装大头瓦上瓦及固位螺栓,使用合适扳手定力矩紧固连杆螺栓;盘车依次回装十字头与十字头销并使用固位螺栓对十字头销进行定力矩定位紧固。

2)回装填料函:将填料函转移至缸头并使用与缸头之间连接螺栓连接并定力矩(N·m)紧固。回装柱塞并与柱塞杆卡箍连接,使用合适扳手紧固卡箍螺栓。

3)对轮回装,对中找正,联轴器护罩回装:热装法(≤135 ℃)回装柱塞泵半联轴器;架设百分表对变速箱与柱塞泵进行对中找正(按表4蛇形弹簧规格进行对中标准选取)。

表4 蛇形弹簧规格

在半联轴器卡槽之上涂满润滑脂,使用木槌将蛇形弹簧敲打到位(蛇形弹簧开口朝同一方向以保证联轴器护罩可以正常回装);在蛇形弹簧及其周围涂满润滑脂,罩壳罩密封O回装,将罩壳内部定位螺栓对准蛇形弹簧空隙以保证护罩可以正常回装,回装罩壳连接螺栓并使用合适扳手紧固,缓慢盘车确认转子能否正常转动;回装联轴器护罩并使用固位螺栓紧固;清扫现场、交付使用清理、吹扫拆卸的所有附属管线,检查法兰、活接头密封面情况,必要时进行修复。根据拆解的标识,依次回装所有拆卸的附属管线。检查、消除并确认各漏点消缺情况并对挂牌的漏点逐一销项处理。施工现场清扫干净,做到工完料尽场地清。通知运行及操作人员进行完工交付,并销票。HSE要求:施工现场应符合安全卫生标准,检修前应办好作业票,并检查确认机泵与外部系统水、电、气、风、介质的吹扫、排凝、切断情况应安全可靠。机泵拆卸应按拆卸程序进行,拆卸时使用的工具应不会对零部件产生损伤,并实行文明作业;对锈蚀的零件或组合件应用浸透剂浸透后再行拆卸,凡经检验,确认不需修理的组合件不应解体。拆卸的零部件要求清洗干净、包装严密,摆放整齐,为避免组装时出现失误,零部件均应做必要的标记。对拆卸后暴露出来的油气管线接口以及油气孔、工艺气体进排气口要及时妥善封闭,严防异物掉入。零部件需经检查,确认符合要求后按组装程序和标记进行回装。机泵或部件在封闭前应仔细检查和清理,其内部不得有任何异物,经确认无误并由各有关技术负责人认可后方可封闭。应使用规定的记录表,按要求认真填写拆检值和组装值,做到数据齐全、准确、字迹工整,并记录各零部件的检查、修复和更换情况。检修数据及时上墙,相关人员及时签字确认。检修前应对施工人员进行安全教育,方可进行作业现场。检修中必须严格遵守检修安全技术规程和岗位操作法,确保检修安全可靠。加强施工现场安全监督和管理,不断提高施工人员的安全意识,杜绝一切安全事故。环境因素识别,每次检修前应补充完善,进行增减。检修危害识别与风险评价。每次检修前应补充完善,进行增减。边生产、边施工作业的事故处理应急预案。

优化的适用范围和应用前景:该密封结构的改进适用输送高温高压且含有一定量固体颗粒重油柱塞泵的密封,重油输送泵的长周期运行关系整个装置和上下游生产系统的平稳,填料密封的寿命变得格外重要。

4 结论

经过一系列的改进和优化,此结构很好地增加了柱塞的有效密封面积,大大提高了设备的运行周期。单套气化炉系统的开停车周期较长,一般为10～15 d左右,进料油泵的长周期运行从根本上解决了气化装置的动设备短板问题,同时也为上游装置稳定运行和下游装置提供洁净氢气得到保障。