EOEG装置中大型换热器的国产化研制开发

环氧乙烷/乙二醇装置E-101换热器消音板变形原因分析及应对措施发布时间：2021-09-06T15:18:05.187Z 来源：《科学与技术》2021年12期4月作者：朱思建[导读] 针对环氧乙烷/乙二醇装置EO反应器进出料换热器朱思建中科（广东）炼化有限公司广东湛江摘要:针对环氧乙烷/乙二醇装置EO反应器进出料换热器E-101在制造的热处理过程中发生消音板变形问题，通过对换热器的结构分析、消音板弯曲试验结果制定相应的应对措施，对换热器已弯曲或者在使用过程中可能受到影响的换热管进行了抽管、堵管处理，实际使用情况良好，为装置的安全平稳运行创造了条件。

关键词:换热器消音板变形分析弯曲试验抽管堵管中科（广东）炼化有限公司环氧乙烷/乙二醇装置EO反应器进出料换热器E-101结构为立式固定管板式换热器，其作用是利用EO反应器出口较高温度的循环气对反应器入口的循环气进行预热，管程和壳程的介质都是循环气，其主要工艺参数见表1：表1 E-101主要工艺参数项目壳程管程换热器介质 CH4、C2H4、O2 EO、CH4、C2H2、O2设计温度(℃) 260 260平均工作温度(℃) 106.8 125.8设计压力(MPa) 2.05 2.05工作压力(MPa) 1.70 1.48E-101的规格为Φ4400×20431×42mm,主体材质为Q345R,其主要设备参数见表2：表2 E-101主要设备参数项目材质/数据壳体材质 Q345R换热管材质 S30403管板材质 16Mn+堆焊E309L消音板材质 S30408换热管数量（根） 20510换热面积（m2） 16628壳程程数 1管程程数 1焊后热处理是1 制造过程中存在的问题为了消除换热器在制造及焊接过程中的应力，需要对换热器进行热处理，但由于换热器体积太大，制造厂不具备整体热处理的条件，只能进行局部热处理[1]。

而在对换热器热处理后进行质量检查时，发现上管板与支持板之间的一块消音板产生了塑性变形，且变形的消音板对旁边的换热管产生了挤压，导致131根换热管产生了变形（见图1）。

环氧⼄烷⼯艺概述（经典）分析解析环氧⼄烷情况概述1.1. 装置概况及特点1.1.1.装置建设规模(反应初期)EO/EG装置能⼒为20.89万吨/年当量环氧⼄烷（EOE）。

⼯况1： 10万吨/年⾼纯环氧⼄烷(EO)，13.89万吨/年⼀⼄⼆醇(MEG)，1.15万吨/年⼆⼄⼆醇(DEG)，0.06万吨/年三⼄⼆醇(TEG)。

⼯况2： 5.21万吨/年⾼纯环氧⼄烷(EO)， 20万吨/年⼀⼄⼆醇(MEG)，1.65万吨/年⼆⼄⼆醇(DEG)，0.087万吨/年三⼄⼆醇(TEG)。

装置⼄烯各⼯况下的反应初期与反应末期年消耗均为150000吨。

1.1.2.建设性质本项⽬属于新建项⽬。

1.1.3编制依据美国科学设计公司（SD）为辽宁北⽅化学⼯业有限公司环氧⼯程项⽬编制的EO/EG装置⼯艺包；《⽯油化⼯装置基础⼯程设计内容规定》 SHSG-033-2003其他设计依据参见总说明的编制依据。

1.1.4装置的组成、设计范围和设计分⼯EO/EG装置分为环氧⼄烷反应和吸收系统、⼆氧化碳脱除系统、环氧⼄烷解吸和再吸收系统、环氧⼄烷精制系统、⼄⼆醇反应和蒸发系统、⼄⼆醇脱⽔和精制系统、多⼄⼆醇分离系统、公⽤⼯程蒸汽和凝液系统等单元组成。

SD公司负责装置的⼯艺包设计，中国寰球⼯程公司负责初步设计与施⼯图设计。

1.1.5装置的年运⾏时数、操作班次和装置的定员1.1.5.1年操作⼩时数装置年操作⼩时数为7560⼩时。

1.1.5.2操作班次本装置⼯作制度为四班三倒。

1.1.5.3装置的定员装置定员为103⼈。

1.2 原料、产品及副产品1.2.1原料的规格、⽤量、运输⽅式及来源EO/EG装置主要原料为⼄烯、氧⽓、甲烷等，其规格见⼯艺说明部分，⼄烯年消耗在各⼯况下均为150000吨，其余原料⽤量根据催化剂的活性调整。

各原料⽤量、运输⽅式及来源情况见表1.2-1。

表1.2-1 原料规格、⽤量及来源1.2.2产品和副产品产量、运输⽅式装置的主要产品为⾼纯环氧⼄烷、⼀⼄⼆醇，副产品为⼆⼄⼆醇、三⼄⼆醇，其规格见⼯艺说明部分，产量与运输⽅式见表1.2-2。

F P S O用双燃料直燃式惰气发生器国产化设备研制①孙婧,王春升,尚超,郑晓鹏(中海石油研究总院有限责任公司,北京100028)摘要惰气系统是海上浮式生产储油卸装置(F P S O)货油储存及外输作业的重要保障系统㊂该设备的国产化,对打破国外技术垄断㊁降低油田开发投资有着重要意义㊂对F P S O用双燃料直燃式惰气发生器国产化设备的结构设计㊁数值模拟㊁关键技术及中海油与厂家联合制造的国产化样机进行了详细介绍㊂该样机的研制有力地推动了惰气发生器国产化进程㊂关键词浮式生产储卸油装置(F P S O);惰气发生器;双燃料直燃;国产化中图分类号:T E54文献标识码:A 文章编号:2095-7297(2018)04-0248-04d o i:10.12087/oe e t.2095-7297.2018.04.05L o c a l i z a t i o nP r o t o t y p eD e s i g no fD u a l-F u e l D i r e c t-F i r e dI n e r tG a sG e n e r a t o r f o rF P S OS U NJ i n g,WA N GC h u n-s h e n g,S H A N GC h a o,Z H E N G X i a o-p e n g(C N O O CR e s e a r c hI n s t i t u t eC o.,L t d.,B e i j i n g100028,C h i n a)A b s t r a c t I n e r t g a ss y s t e mc a n p r o v i d es a f ea n ds t a b l eo i l s t o r a g ee n v i r o n m e n t f o rt h ec a r g oo i l t a n ko f f l o a t i n g p r o d u c t i o n,s t o r a g e a n do f f l o a d i n g u n i t(F P S O).T h e l o c a l i z a t i o no f i n e r t g a se q u i p m e n th a s g r e a t s i g n i f i c a n c e f o r b r e a k i n g t h e o v e r s e a s t e c h n i c a lm o n o p o l y a n dr e d u c eo i l f i e l dd e v e l o p m e n t i n v e s t m e n t.W e i n t r o d u c et h es t r u c t u r a l d e s i g n,n u m e r i c a l s i m u l a t i o na n dk e y t e c h n o l o g i e s o f d u a l-f u e l i n e r t g a s g e n e r a t o r l o c a l i z a t i o n a n d l i s t t h e s u c c e s s f u l p r a c t i c e o f t h ee q u i p m e n t p r o t o t y p e,w h i c h w a s j o i n t l y d e v e l o p e db y C N O O Ca n de q u i p m e n tm a n u f a c t u r e r.T h e m a n u f a c t u r i n g o f t h i s p r o t o t y p e i s ab i gp r o m o t i o n f o r t h e l o c a l i z a t i o no f i n e r t g a s g e n e r a t o r.K e y w o r d s f l o a t i n g p r o d u c t i o n,s t o r a g ea n d o f f l o a d i n g u n i t(F P S O);i n e r t g a s g e n e r a t o r;d u a l-f u e ld i r e c t-f i r e d;l o c a l i z a t i o n0引言中海油拥有的浮式生产储卸油装置(F P S O)吨位多在十万吨级以上,储油量巨大㊂为满足F P S O 原油存储和外输的需要,一般设置惰气系统保护大舱㊂惰气发生系统的主要功能是人为地控制氧气浓度,使装载原油的货油舱内气体状态处于可燃爆炸范围之外,为货油舱提供安全的覆盖气,并保证外输作业的安全可靠[1]㊂F P S O上的惰气发生设备有烟气模式和直燃模式两种,原则上通常为两种模式各一台,一用一备㊂当总烟气量及含氧量满足惰气气源要求时,采用烟气模式(IG S);而当总烟气量不能满足惰气气源要求或含氧量超标时,则采用直燃模式(I G G)㊂海上石油开采通常带有伴生气,因此,将直燃模式的惰气发生器设计为柴油和天然气双燃料系统更为经济环保[2]㊂目前,双燃料惰气发生器均采用进口产品,但国外厂家设备价格高㊁供货期长,在增加油气田开发成本的同时也影响了建设工期[3]㊂在目前低油价的背景下迫切需要降低成本,有必要通过F P S O用惰气发生设备国产化关键技术研究打破国外产品垄断,推动惰气设备的国产化研究与应用,进而降低设备投资,促进油田有效开发[4]㊂①收稿日期:2018-01-03;修回日期:2018-03-14作者简介:孙婧(1987 ),女,硕士,工程师,主要从事海洋石油仪控设计研究㊂第5卷第4期2018年8月海洋工程装备与技术O C E A NE N G I N E E R I N GE Q U I P M E N T A N DT E C HN O L O G YV o l.5,N o.4A u g.,2018第4期孙 婧,等:F P S O 用双燃料直燃式惰气发生器国产化设备研制㊃249 ㊃本文主要介绍中海油与江苏南通亚泰公司联合研制的F P S O 用500m 3/h 双燃料直燃模式惰气发生设备㊂1 主要工艺流程双燃料直燃模式惰气发生设备的系统原理如图1所示㊂惰气风机将空气送至燃烧器与柴油或天然气充分燃烧后,烟气中的氧气含量(体积分数)降低到5%以下,经过惰气发生器燃烧室的一次海水喷淋系统对燃烧器出来的气体进行初次冷却,然后再经发生器洗涤塔的二次海水喷淋系统除去惰气中的杂质,洗涤后的惰性气体送到供气管路;在线设置监测惰性气体氧含量的装置,通过自动控制系统监控㊂当烟气含氧量低于5%时,进入舱室;当烟气含氧量高于5%时,气体排空㊂并自动调节燃料/空气比,使含氧量合格㊂图1 直燃模式惰气发生设备原理样机系统原理图F i g .1 S c h e m a t i c d i a g r a mo f d i r e c t -f i r e d i n e r t g a s g e n e r a t o r p r o t o t y p e s ys t e m 系统工艺描述如下:由送风系统送入的新鲜空气通过进风口送入燃烧炉胆内,启动燃烧器的点火系统和供油系统,在燃烧器的燃烧室内点火燃烧,此时在火焰的边缘存在着未参与燃烧的燃料雾滴,由于系统燃烧室内设计有增效燃烧用炉胆,这时未参与燃烧的燃料雾滴会在火焰的旋转离心力作用下,飞向增效炉胆的表面,通过炉内温度将燃油进一步充分燃烧㊂燃烧器采用分体式后进风型设计㊂所谓分体式后进风型燃烧器就是燃烧器的助燃风机并没有布置在燃烧器本体上,这样就可以根据不同的工况选择风机的风压风量,降低安全隐患㊂惰气发生器为夹套式结构,燃烧时,夹套在整个燃烧过程中不断通入海水,起到冷却燃烧炉室外壁的作用,从而冷却燃烧产生的气体㊂夹套内设有折流装置,使得冷却水可以均匀地冷却炉体㊂燃烧后产生的烟气通过夹套内的冷却水和换热翅片以及喷淋冷却装置进行烟气的冷却,有效地提高了冷却水与火焰尾部烟气的换热效率㊂冷却后的气体由燃烧室进入洗涤塔,首先通过洗涤塔的一层除雾装置,同时,除雾装置上方布置有喷淋冷却装置,可以与除雾装置一起对烟气中的烟尘进行清洗,增加了烟气与海水的接触效率,能有效地去除烟气中的杂质成分;然后烟气进入洗涤塔的二层除雾装置,可以进一步有效去除烟气中夹带的水滴及蒸汽,最后将得到的合格惰性气体通过出气口送入需要的场所㊂燃料为天然气时的工艺流程与燃料为柴油时的情况基本相同,只是燃料气由供气系统提供,由燃气喷射系统喷入燃烧室,由相同的点火系统点火燃烧㊂同样在火焰的旋转离心力作用下,可保证燃烧充分,以降低烟气的含氧量,保证惰气的质量满足要求㊂2 样机设备研制及主要技术参数燃油/燃气型惰气系统的产品研制在国内尚属首次㊂课题组联合厂家开展了一系列技术攻关㊂主要技术难点包括以下方面㊂(1)配风单元设计㊂惰气发生器工作时,送风系统进行送风,送过来的风通过配流盘使风量分布尽量均匀化后再进到炉膛,风量能否确保均匀分配直接影响燃料(柴油或天然气)燃烧是否充分,进而对制取惰气的含氧量产生影响㊂为使配流盘设计更加优化,借助数值模拟手段,针对配流盘叶片配置情况进行了数值模拟㊂最终确定采用8叶片导流配风的结构进行设计使配风更均匀,如图2(a )所示㊂(2)燃气喷嘴结构设计㊂燃气喷嘴的孔径对燃烧影响非常明显㊂为确定最佳的喷嘴孔径,针对额㊃250㊃海洋工程装备与技术第5卷定工况(500m 3/h )下不同孔径(0.2~0.8m m )喷嘴的燃烧效果进行了数值模拟研究,采用F L U E N T 组分输运与化学反应模型,甲烷和空气作为反应介质,燃烧后的剩余组分主要为二氧化碳㊁水㊁氮气以及未反应的氧气和甲烷㊂最终确定选用0.5m m 孔径燃气喷嘴㊁燃气比1ʒ10时燃气效果最佳,速度场分布均匀[见图2(b )],燃气与空气的比例混合良好,燃烧充分㊁稳定㊂(a )8叶片配流盘配风流场图(b )0.5m m 孔径喷嘴㊁燃气比1ʒ10时燃烧效果图2 燃气喷嘴结构设计优化数值模拟结果F i g .2 N u m e r i c a l s i m u l a t i o n r e s u l t s f o r s t r u c t u r a l d e s i g na n do pt i m i z a t i o n (3)燃气供给阀组的研发和结构设计㊂项目研发出了满足严格的技术规范要求的燃气供给阀组,保证安全性㊂如图3所示,该阀组由壳体㊁双层管㊁相关阀件㊁燃气浓度传感器等组成㊂燃气管路采用双层管设计,整套燃气阀组置于密闭箱内,并设有通风风机㊁氮气吹扫和燃气探测,能够避免燃气泄漏产生的危险,确保安全㊂图3 直燃模式惰气发生设备原理样机燃气控制阀组F i g .3 D i a g r a mo f t h e g a s c o n t r o l v a l v e g r o u p of t h e d i r e c t -f i r e d i n e r tg a s g e n e r a t o r p r o t o t y pe (4)双燃料燃烧器控制系统的研发㊂通过对双燃料燃烧器工作过程及其功能要求的分析,燃油/燃气双燃料直燃式惰气发生装置的自动控制系统,可分为燃油和燃气两个子系统,子系统之间通过转换按钮进行转换控制㊂通过自主创新设计,实现了对燃烧后烟气氧含量的自动控制和对燃烧器燃烧持续安全运行的监控,并实现了燃料油和燃料气量的监测及两种模式的自动切换,设计了友好的操作界面㊂图4为直燃模式惰气发生设备样机自动控制示意图㊂项目设计研发了国内首套燃油/燃气型(双燃料)500m 3/h 直燃模式惰气发生设备原理样机1套㊂表1为设备样机的主要技术参数㊂表1 500m 3/h 直燃模式惰气发生设备原理样机设备参数T a b l e 1 P a r a m e t e r s o f 500m 3/hd i r e c t -f i r e d i n e r t ga s g e n e r a t o r p r o t o t y pe 名称主要参数惰气发生器额定烟气处理量/(N m 3㊃h -1)500燃烧介质/(m 3㊃h -1)27(轻油);50(伴生气)冷却水量/(m 3㊃h -1)35额定工作压力/k P a 21K P a 型号2R B 810风机流量/(N m 3㊃h -1)600全压/k P a21静压/k P a18转速/(r ㊃m i n -1)2970电机功率/k W5.5甲板水封额定通流量/(N m 3㊃h -1)500额定工作压力/k P a25压力/真空破断器额定通流量/(N m 3㊃h -1)500额定工作压力正压控制箱额定电压(50H z )/V 220(直流)防护等级I P 65注:1N m 3即在标准压力(1个大气压)标准温度(0ħ)下1m 3㊂第4期孙 婧,等:F P S O 用双燃料直燃式惰气发生器国产化设备研制㊃251 ㊃图4 直燃模式惰气发生设备样机自动控制示意图F i g .4 A u t o m a t i c c o n t r o l s c h e m a t i c o f d i r e c t -f i r e d i n e r t g a s g e n e r a t o r p r o t o t y pe 3 样机性能测试样机成功完成了柴油㊁天然气两种不同燃料介质在不同负荷率下的设备测试㊂经过连续运行性能测试,产生的惰气含氧量达到低于5%的预期指标㊂具体测试结果如表2所示㊂由于设备的国产化率达到90%,因此价格相比国外产品大幅降低[6-7]㊂表2 双燃料燃烧式惰气发生系统稳定性试验结果T a b l e 2 S t a b i l i t yt e s t r e s u l t s o f d u a l -f u e l d i r e c t -f i r e d4 结 语全面实行国产化战略是中国海上油气田开发降本增效的必由之路㊂促进关键设备的国产化推广和应用,能有效降低设备投资和运行维护成本,保证油田生产时率,对于增强中国海上油气开发的国际竞争力㊁促进海洋石油工业的蓬勃发展有着重要作用㊂双燃料直燃模式惰气发生设备样机为国内首套设计,实现了该技术的国产化和整套技术的全面掌握,为进一步推动F P S O 用惰气发生设备国产化奠定了基础㊂参考文献[1]I n t e r n a t i o n a lM a r i t i m eO r ga n i z a t i o n (I M O ).I n t e r n a t i o n a l c o d e f o r f i r e s a f e t y s y s t e m s [S ].2001.[2]金晓剑.F P S O 最佳实践与推荐做法[M ].青岛:中国石油大学出版社,2012.J i nX i a o -j i a n .F P S Ob e s t pr a c t i c e a n d r e c o m m e n d e d p r o c e d u r e s [M ].Q i n g d a o :C h i n aU n i v e r s i t y o f P e t r o l e u mP r e s s ,2012.[3]聂宝栋,武广齐,董丽娟,等.大型工程设备国产化的现状㊁瓶颈问题与发展思路[J ].中国海上油气,2013,25(4):54.N i eB a o -d o n g ,W uG u a n g -q i ,D o n g L i -ju a n ,e t a l .T h e c u r r e n t s t a t e ,b o t t l e n e c k p r o b l e m a n d d e v e l o pm e n t i d e a s o f t h e l o c a l i z a t i o nu p o n l a r g e p r o j e c t f a c i l i t y [J ].C h i n aO f f s h o r eO i l a n dG a s ,2013,25(4):54.[4]刘全恩.海洋石油工程关键设备国产化应用研究[M ].青岛:中国石油大学出版社,2009.L i uQ u a n -e n .A p p l i c a t i o n r e s e a r c h o f o f f s h o r e o i l e n g i n e e r i n g cr i t i c a l e q u i p m e n t l o c a l i z a t i o n [M ].Q i n g d a o :C h i n aU n i v e r s i t yo f P e t r o l e u m P r e s s ,2009.[5]刘新福,刘春花,綦耀光.煤层气井排采系统有杆泵运行特性分析[J ].机械工程学报,2017,53(8):195.L i uX i n -f u ,L i uC h u n -h u a ,Q iY a o -g u a n g .O p e r a t i n gpe rf o r m a n c e o f s u c k e rr o d p u m p f o r t h e p u m p i ng s ys t e mi nc o a l b e d m e t h a n e w e l l s [J ].J o u r n a l o fM e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g,2017,53(8):195.[6]P o t t h a r s t JEJ r .I n e r t g a s g e n e r a t o r :U SP a t e n t 3,389,972[P ].1968-06-25.[7]M a c C r a c k e nCD.I n e r t g a s g e n e r a t o r :U SP a t e n t 2,961,050[P ].1960-11-22.。

141中国设备工程Engineer ing hina C P l ant中国设备工程 2018.10 （下）吉林石化公司乙烯厂LLDPE 装置采用德国林德工艺技术，年产30万吨低密度聚乙烯，装置1993年开工，1996年投运。

LLDPE 装置原进口DCS 系统经过22年的运行，系统硬件性能下降、故障率增高、系统维护成本增加，已经不能满足安全生产及装置发展需要。

2018年吉林石化公司利用三年一次大检修的契机，将LLDPE 装置DCS 升级改造列为技改攻关项目。

本次改造的LLDPE 装置，采用UCC 工艺包。

凭借过硬的技术水平与严谨的实施组织，工程高质量地完成装置的改造项目，实现国产的控制系统实现化工关键主装置突破，打破国外在大型炼化装置DCS 上的垄断。

ECS-700型DCS在吉林石化公司LLDPE 装置上的应用牛光远，刘宪利（吉林石化公司乙烯厂，吉林 吉林 132022）摘要：吉林石化公司27.4万吨/年LLDPE （低密度聚乙烯）装置DCS 升级改造，将原有进口DCS 改为国产ECS-700系统，投用后经检测，完全达到设计的技术规范要求，实现了用“中国大脑”控制“中国装备”的目标。

关键词：ECS-700；DCS；LLDPE中图分类号：TQ325.12 文献标识码：A 文章编号：1671-0711（2018）10（下）-0141-031 项目硬件和软件改造方案该项目改造方案异常复杂，涉及5套通讯、3000多个信号回路、拆接线、系统调试工作量极大。

硬件方面：资深硬件设计工程师和项目组成员，与业主仪表和工艺人员一起，通过查看回路接线图、结合PLC、ESD 逻辑，逐个梳理确认需求，部分设备重新再选型。

在DCS 系统IO 分配参考老系统卡件分配时尽量保证现有IO 的接线位置不变，利于系统拆除后的恢复工作。

软件方面：行业专家与用户仪表、工艺人员一起件，全固定式安装方式。

考虑到系统维护的便利性，将10MW 并网发电系统分为10个子系统，每个子系统容量约为1.0MW。