劉永輝

（中國(guó)石油廣西石化公司，廣西 欽州 535008）

制氫裝置水碳比波動(dòng)問(wèn)題分析

劉永輝

（中國(guó)石油廣西石化公司，廣西 欽州 535008）

某石化公司14×104Nm3·h-1制氫裝置采用天然氣、煉廠氣、石腦油和液化氣為原料，與裝置自產(chǎn)的中壓蒸汽反應(yīng)，生產(chǎn)純度為99.9%的工業(yè)氫氣送至氫氣管網(wǎng)。水碳比是制氫裝置最核心的控制參數(shù)，其是否穩(wěn)定將直接影響整套裝置的平穩(wěn)運(yùn)行。2015年7月份DCS上顯示水碳比突然由3.4降低至0.8左右，后又恢復(fù)，但是SIS系統(tǒng)沒(méi)有發(fā)生變化，因此裝置沒(méi)有因?yàn)樗急鹊偷投?lián)鎖停車。查找原因并進(jìn)行計(jì)算分析，當(dāng)時(shí)裝置為天然氣單一進(jìn)料，天然氣和水蒸汽流量沒(méi)有變化，只有石腦油流量表發(fā)生了變化，認(rèn)為此次水碳比波動(dòng)是由石腦油流量計(jì)波動(dòng)引起的。通過(guò)校正流量計(jì)，裝置此后沒(méi)有再發(fā)生此類現(xiàn)象。

制氫裝置；DCS；水碳比；天然氣；石腦油

14×104Nm3·h-1制氫裝置是某石化公司高硫原油加工配套工程中的一套新建裝置，造氣部分采用典型的烴類水蒸氣轉(zhuǎn)化制氫工藝，提純部分采用變壓吸附工藝。水蒸氣與原料中碳的摩爾比（簡(jiǎn)稱水碳比）是制氫裝置最核心的工藝控制參數(shù)，水碳比低會(huì)導(dǎo)致原料轉(zhuǎn)化率低，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起烴類原料在催化劑上結(jié)碳，進(jìn)而引起轉(zhuǎn)化爐及催化劑破壞；水碳比高雖然原料轉(zhuǎn)化率會(huì)升高，但是過(guò)多的蒸汽進(jìn)入轉(zhuǎn)化爐，會(huì)使轉(zhuǎn)化爐熱負(fù)荷明顯增加，同時(shí)多余的蒸汽進(jìn)入后續(xù)冷卻系統(tǒng)，會(huì)增加后續(xù)冷卻系統(tǒng)的負(fù)荷，裝置能耗明顯增加。水碳比波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)化爐爐管的熱吸收發(fā)生明顯波動(dòng)，進(jìn)而引起轉(zhuǎn)化爐溫度波動(dòng)，因此控制合適的水碳比對(duì)于制氫裝置降低能耗、提高氫氣收率、裝置長(zhǎng)周期安全平穩(wěn)運(yùn)行具有重要意義。

1 裝置簡(jiǎn)介

14×104Nm3·h-1制氫裝置為目前國(guó)內(nèi)最大的單系列烴類蒸汽轉(zhuǎn)化制氫裝置。造氣部分采用TECHNIP公司的低能耗蒸汽轉(zhuǎn)化制氫技術(shù)，主要由原料預(yù)熱、原料精制、預(yù)轉(zhuǎn)化反應(yīng)、轉(zhuǎn)化反應(yīng)、中變冷卻系統(tǒng)等部分組成；凈化部分采用UOP公司的PSA提純工藝，PSA氫氣回收率高達(dá)90%，產(chǎn)品氫氣純度高達(dá)99.9%。裝置設(shè)計(jì)采用天然氣、煉廠氣、石腦油、液化氣等4種原料，設(shè)計(jì)時(shí)以天然氣作為主工況，公司含硫原油配套工程開(kāi)工后，一直采用天然氣作為原料。

2 水碳比波動(dòng)原因分析

2.1 水碳比波動(dòng)情況

2015年7月份DCS上顯示水碳比儀表報(bào)警，水碳比突然由3.4降低至0.8左右，當(dāng)時(shí)裝置進(jìn)料平穩(wěn)，裝置沒(méi)有進(jìn)行任何操作調(diào)整，水碳比波動(dòng)后迅速恢復(fù)正常，但是SIS系統(tǒng)沒(méi)有發(fā)生變化，因此裝置沒(méi)有因?yàn)樗急鹊偷投?lián)鎖停車。查找原因發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時(shí)裝置為天然氣單一進(jìn)料，天然氣和水蒸汽流量均沒(méi)有變化，但是脫硫后原料流量略有降低。按照裝置設(shè)計(jì)，脫硫后原料由天然氣、煉廠氣、石腦油、液化氣4種原料和氫氣組成混合。查找相關(guān)儀表歷史趨勢(shì)，天然氣、煉廠氣、氫氣流量均沒(méi)有波動(dòng)，只有石腦油與液化氣共用流量計(jì)發(fā)生波動(dòng)。當(dāng)時(shí)裝置為天然氣單一進(jìn)料，脫硫后原料只有天然氣和氫氣，煉廠氣、石腦油和液化氣系統(tǒng)并沒(méi)有投用，因此石腦油和液化氣共用流量計(jì)發(fā)生波動(dòng)是由于現(xiàn)場(chǎng)儀表誤報(bào)引起。

2.2 水碳比波動(dòng)原因分析

2.2.1 脫硫后原料流量降低的原因

脫硫后原料為天然氣、石腦油、煉廠氣、氫氣、液化氣混合物，查看5種物料的流量指示，天然氣、氫氣流量穩(wěn)定，煉廠氣流量為零，石腦油和液化氣系統(tǒng)共用流量計(jì)略有波動(dòng)，流量指示由零增加到2656kg·h-1，因此脫硫后原料流量指示值實(shí)際為天然氣、氫氣、石腦油的混合流量經(jīng)溫壓補(bǔ)償計(jì)算后的流量。石腦油流量突然上升，如果按照簡(jiǎn)單的加和原理，脫硫后原料流量為三股進(jìn)料量的綜合，總流量應(yīng)該隨之上升，但是DCS顯示脫硫后原料流量下降。

脫硫后原料流量計(jì)為孔板型質(zhì)量流量計(jì)，其測(cè)量數(shù)值與密度的開(kāi)方成正比，因此通過(guò)孔板的物質(zhì)密度發(fā)生變化，其測(cè)量數(shù)值也會(huì)隨之變化。

假設(shè)脫硫后原料氣為理想氣體，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，可得出以下公式：

式中：n為摩爾量；m為質(zhì)量；M為原料分子量。

根據(jù)以上公式可分別計(jì)算出脫硫后原料氣密度變化如表2所示。M前、ρ前指石腦油流量沒(méi)有波動(dòng)前混合原料的分子量和密度，M假、ρ假指石腦油波動(dòng)時(shí)混合原料的分子量和密度，M真、ρ真指石腦油波動(dòng)時(shí)真實(shí)的混合原料的分子量和密度。

表1 各種原料流量表

表2 脫硫后原料平均分子量變化表

從表2中可看出，石腦油流量計(jì)發(fā)生漂移后，混合原料的分子量會(huì)發(fā)生很大的變化。石腦油流量計(jì)發(fā)生漂移時(shí)，DCS中石腦油分子量輸入值為3，與實(shí)際值不相符，相差較大，其混合后原料的平均分子量M假為10.98；石腦油的真實(shí)分子量為93,若石腦油流量計(jì)發(fā)生漂移，其混合后原料的平均分子量M真為16.34。

石腦油流量計(jì)發(fā)生漂移后，系統(tǒng)按照當(dāng)時(shí)DCS輸入的石腦油分子量計(jì)算混合原料的分子量從15.07降到了10.98，其對(duì)應(yīng)的混合原料的相對(duì)密度也會(huì)隨之降低，因此DCS顯示脫硫后原料流量下降。若石腦油DCS中輸入真實(shí)的分子量93，混合原料的分子量從15.07將升高到16.34，其對(duì)應(yīng)的混合原料的相對(duì)密度也會(huì)隨之增大，這樣脫硫后原料流量將會(huì)增加。這就是石腦油流量突然上升，脫硫后原料流量不隨之上升反而下降的原因。

2.2.2 DCS中水碳比大幅降低，SIS系統(tǒng)卻沒(méi)有太大波動(dòng)的原因

水碳比是制氫裝置最重要的控制參數(shù)之一，其發(fā)生波動(dòng)將直接影響轉(zhuǎn)化反應(yīng)的程度，進(jìn)一步影響催化劑及轉(zhuǎn)化爐管。水碳比波動(dòng)可能由兩部分造成，一是水蒸氣流量發(fā)生波動(dòng)，二是原料流量發(fā)生波動(dòng)。本次水碳比大幅波動(dòng)時(shí)，查看與之相關(guān)的蒸汽系統(tǒng)歷史趨勢(shì)，蒸汽系統(tǒng)沒(méi)有任何參數(shù)發(fā)生波動(dòng)，蒸汽流量、壓力、溫度均比較穩(wěn)定，因此本次水碳比波動(dòng)是由于原料流量變化引起的。

表3 各原料基本參數(shù)表

表4 各種情況下計(jì)算的水碳比表

通過(guò)計(jì)算各種情況下的水碳比可看出，DCS中將石腦油的分子量由真實(shí)的93輸入錯(cuò)誤的3后，石腦油流量計(jì)發(fā)生漂移，其原料總碳流量會(huì)發(fā)生大幅變化，其總碳流量由1567kmol·h-1變?yōu)?798.9kmol·h-1，計(jì)算后的水碳比由正常值3.35降為0.71，當(dāng)時(shí)DCS當(dāng)時(shí)顯示0.8，數(shù)值基本相近。SIS中石腦油的分子量輸入值為93，當(dāng)石腦油流量計(jì)發(fā)生漂移，其原料總碳流量略有增加，其總碳流量由1567kmol·h-1變?yōu)?754kmol·h-1，因此水碳比略有降低，由正常值3.35降為3.0，沒(méi)有達(dá)到聯(lián)鎖值。這就是當(dāng)石腦油流量計(jì)發(fā)生錯(cuò)誤指示后，DCS中水碳比大幅下降，但是SIS中水碳比卻沒(méi)有大幅波動(dòng)的原因。

3 解決方案

3.1 校正DCS輸入?yún)?shù)

本次裝置水碳比波動(dòng)是由于石腦油計(jì)量流量計(jì)誤報(bào)引起的，雖然沒(méi)有引起裝置大的生產(chǎn)波動(dòng)，但是應(yīng)引起足夠的重視。儀表維護(hù)人員應(yīng)校正石腦油流量計(jì)的相關(guān)讀數(shù)，確保流量計(jì)指示正確，同時(shí)將DCS中石腦油的分子量由錯(cuò)誤的3改為93，這樣即使石腦油的流量計(jì)有輕微變化也不會(huì)對(duì)水碳比造成大幅波動(dòng)。

3.2 停用無(wú)關(guān)儀表

裝置目前為單一天然氣進(jìn)料，其余原料均不使用，因此停用石腦油和煉廠氣流量計(jì)，強(qiáng)制將兩塊流量計(jì)儀表讀數(shù)歸零，這樣既不影響裝置的計(jì)量及相關(guān)計(jì)算，也避免了由于無(wú)關(guān)儀表波動(dòng)引起的裝置波動(dòng)。

4 結(jié)論

通過(guò)計(jì)算分析，本次脫硫后原料流量及水碳比大幅波動(dòng)的原因均是由于石腦油流量計(jì)的錯(cuò)誤指示引起的，DCS中水碳比大幅波動(dòng)還與石腦油的分子量輸入錯(cuò)誤有直接關(guān)系。由于石腦油系統(tǒng)沒(méi)有投用，平時(shí)忽略了此系統(tǒng)相關(guān)儀表的檢查。通過(guò)校正石腦油流量計(jì)的相關(guān)讀數(shù)，并將DCS中石腦油的分子量輸入真實(shí)值，停用無(wú)關(guān)儀表，此后再無(wú)類似的事件發(fā)生。

[1] 郝樹(shù)仁，董世達(dá).烴類制氫轉(zhuǎn)化技術(shù)[M].北京：石油工業(yè)出版社，2009：42-43.

[2] 郭成，何聯(lián)合.制氫裝置的水碳比控制方案優(yōu)化[J].化工設(shè)計(jì)，2016，26(5)：3-5.

[3] 崔欣，張彩慧，席小明.制氫裝置水碳比交叉限幅控制方案[J].煉油技術(shù)與工程，2016，46(10)：45-47.

Fluctuation Cause Analysis of Water Carbon Ratio in Hydrogen Production Plant

LIU Yonghui
(Guangxi Petrochemical Company, CNPC, Qinzhou 535008, China)

TQ 031

B

1671-9905(2017)08-0073-03

2017-05-16