石油化工行业加氢装置换热器故障诊断分析

黎宇仲 黎荫棠

（佛山市南海安科咨询服务有限公司）

随着国家对环境问题的逐渐重视，节能减排任务不断加重，因此降低油品中的硫含量已成为现代石油化工产业发展的主要方向［1］。目前，降低油品硫含量主要是通过加氢技术对油中硫醇性硫、 沸点高于油品的噻吩和其他杂质进行脱离，以得到符合环保标准的中间馏分油和高品质油。加氢技术在使用过程中主要分为加氢裂化与加氢精制两种工艺， 该技术主要将油中存在的硫、氧、氮等物质以及重金属等杂质，在高压氢气与催化剂的作用下转化成低分子量产物。

石油化工生产中加氢装置换热器因其优异性能得到了广泛应用，但装置有着特有的危险特性［2］。加氢装置换热器由于介质因素影响，氢气与油都有着易燃易爆的特性；加氢反应作为一种强放热反应，设备在高温高压条件下部分管线易发生氢催反应；催化剂反应过程与活化过程中易发生爆炸；加氢反应尾气中含有部分氢气与其他物质，若人员操作不当，引起设备泄漏，则容易引发爆炸、火灾等事故。 由于加氢装置换热器处于高温高压、易燃易爆且有毒介质的环境中，因此将它归类于甲类火灾危险装置，其工作环境处于爆炸危险区［3］。基于装置特有的危险特性，一旦发生危险事故会对石油化工企业造成巨大的人员伤害与财产损失， 同时也会产生严重的环境影响。因此，为了更加高效、安全地检测加氢装置换热器运行状态下的参数变化，需对石油化工生产加氢装置换热器故障诊断进行分析。

1 加氢装置换热器故障诊断模型

1.1 故障参数分析

根据加氢装置换热器原料与反应产品的特点，将加氢反应体系分为若干个虚拟组，并将每个虚拟组分为一个总集，根据目的的不同，其划分总集也不同［4］。根据加氢装置换热器动力原理，将原料主要分为气体、 重石脑油、 轻石脑油、柴油、航空煤油和原料油。 在设备正常工作状态下，会同时生成气体、重石脑油、轻石脑油和柴油，反应器液体混合物流速不变。 根据加氢装置换热器温度与氢气出压函数，可以得到：

其中，Ki为换热装置温度与氢气的压力值，Ai为反应总集前因子，e为虚拟组系数，Ei为活性能，R为污垢系数，T为水温。 将加氢装置换热器原料油与反应物按照恩氏蒸馏进行切割后，划分虚拟组分。 若总集为单一分组，其中轻石脑油平均分子量为93u、密度为664.1g/cm3，重石脑油平均分子量为110u、密度为750.9g/cm3，煤油馏分平均分子量为150u、密度为796.0g/cm3，柴油馏分平均分子量为253u、密度为822.7g/cm3，原料油平均分子量为412.6u、密度为913.5g/cm3。 根据总集划分原则和加氢实际工况，建立包括化学反应在内的反应网络集合［5］，其反应动力参数见表1。

表1 反应动力参数

根据各动力反应参数，通过调节各部位物料的压力、流量来建立故障诊断流程，具体如图1所示。

图1 加氢装置换热器故障诊断流程框图

根据加氢装置换热器故障诊断流程，主要针对装置中各部位压力、流量进行诊断，其诊断标准见表2。

表2 压力、流量诊断标准

由于加氢装置换热器内部构造较为复杂，考虑到整体物性参数、反应动力学参数误差等影响因素，允许在实测过程中数据值与实际值之间存在一定误差［6］。

1.2 故障诊断模型

石油化工企业加氢装置换热器主要针对焦化柴油、焦化汽油和直馏柴油进行加工，其加氢装置换热器故障诊断模型如图2所示。

图2 加氢装置换热器故障诊断模型

加氢装置换热器主要分为混合进料高压换热器与低分油换热器两种，在运行过程中其设备工况与腐蚀情况见表3。

表3 加氢装置换热器工况与腐蚀情况

加氢装置换热器故障主要分为加氢反应器超温、加热炉熄火引发炉膛闪爆、高/低压分离器液位控制故障、循环氢压缩机故障及安全仪表故障等［7］。 加氢装置换热器在进行、加氢裂化、加氢脱硫及加氢脱氧等反应过程中，催化剂发生强放热反应，因此需要注入急冷氢使催化剂床层温度达到稳定。 如果急冷氢流量较小，无法及时带走反应放出的热量，则会出现反应床层温度升高的现象。 加氢换热装置长期处于这一环境下，易发生泄漏，引发火灾、爆炸等事故；在装置反应阶段，高压分离器控制系统压力，如果出现液面过高的情况，高压氢气进入低分系统，则会发生系统超压爆炸事故［8］。若低压分离器液位过高，低分气液位过低，会造成脱丁烷塔压力过高，引起设备损坏；循环氢压缩机在运行过程中气体产生高温高压等，易对仪表、压缩机缸体及管线等造成损坏并发生泄漏，从而引发火灾、爆炸事故；加氢装置换热器中设有有害气体报警装置、可燃气体报警装置等，若报警装置所处位置不当，或未对报警装置进行定期检验等，会导致报警装置无法正常运行。 同时，由于加氢装置换热器中的主要介质具有易燃易爆、易腐蚀性，所以当换热器内部发生变形时，会出现物料泄漏、设备损坏等情况，从而导致火灾、爆炸等事故的发生［9］。

2 加氢装置换热器的故障因素

2.1 循环氢流量对换热器温度的影响

加氢装置换热器内反应氢量主要包括反应床打进急冷氢与炉前混氢两部分［10］。 由于炉前混氢需要通过装置加热后与原料油混合后送入反应器入口，所以这一过程允许氢气流量在小幅度范围内对温度平衡产生影响。 整个加氢裂化反应、加氢精制反应均为放热反应，若床层温度超过12～13℃，裂变速度将增加1倍［11］；若正常温度超过25℃，则裂变速度增加4倍。 急冷氢注入时对反应催化剂床层的反应温度影响较大［12］，在考虑到其他操作条件固定的条件下， 保证急冷氢流量浮动变化的同时， 循环氢流量与换热器温度的关系如图3所示。 可以看出，换热器的温度随着急冷氢流量的增加而降低。急冷氢反应器流量的增加，首先促进了加氢裂化反应， 裂化反应增加的同时换热器温度升高，而随着急冷氢流量的持续增加，换热器温度开始降低，加氢裂化反应速率降低［13］。因此，在实际运行过程中急冷氢流量的增加，能够提高换热器中气相流速， 延长操作安全滞留反应时间，影响设备转换率。急冷氢流量的增加导致加氢反应装置转化率降低，设备内循环氢量增加，循环压缩机能耗不断增加［14］。 另一方面，如果氢流量过低， 则无法及时降低床层温度， 使裂化反应过度，引起床层升温，导致设备故障。

图3 循环氢流量与换热器温度的关系曲线

2.2 进料量对换热器温度的影响

加氢装置换热器运行中，如果其他操作条件不变，则进料量与换热器温度的关系如图4所示。可以看出， 随着加氢反应装置进料量的不断增加，装置内空速增大，导致单位时间内通过的催化原料增加［15］，原料与催化剂反应时间短，不仅影响产品质量， 而且会导致换热器温度增加，设备出现故障。

图4 进料量与换热器温度的关系曲线

2.3 进料温度对换热器温度的影响

加氢装置换热器运行中，如果其他操作条件不变，设定进料温度为370～410℃，则其进料温度与换热器温度的关系如图5所示。 可以看出，随着进料温度的增加， 换热器温度不断上升［16］。 主要原因为加氢裂变作为放热反应，进料温度的增加会导致末端反应速率提高，使得换热器温度升高。 如果出现进料温度过高的现象，容易使催化剂床层结焦，引起飞温，造成机械故障。

图5 进料温度与换热器温度的关系曲线

2.4 冷剂中断对塔顶温度的影响

假设加氢装置换热器中其他控制器正常工作，且其他参数正常，塔顶冷剂中断，引起塔顶超温，其冷剂中断与塔顶温度的关系如图6所示。 可以看出，塔顶冷剂持续供应时，塔顶温度保持在130℃左右，第87min时，塔顶冷剂中断，塔顶温度急速上升，当塔顶温度超过设计温度时，塔顶产品组分变重，导致塔顶产品不合格。

图6 冷剂中断与塔顶温度的关系曲线

2.5 塔顶回流中断对塔顶温度的影响

加氢装置换热器运行中，在保证其他操作条件不变的情况下，塔顶回流中断与塔顶温度的关系如图7所示。 可以看出，在56min时，塔顶回流中断，塔顶温度由135.0℃升高至208.3℃，随后升温到214.9℃，且维持在这一温度［17］。 塔顶回流中断后塔顶温度的升高导致柴油与煤油回收量增加，塔底尾油轻质油产品质量降低， 导致产品不合格。

图7 塔顶回流中断与塔顶温度的关系曲线

3 仿真实验

为了对加氢装置换热器故障诊断模型的性能进行测试，将加氢装置换热器故障诊断模型与传统诊断方法进行对比，以循环氢流量、进料量、进料温度、冷剂中断和塔顶回流中断的故障（故障类型编号1~5）因素作为实验对象，分析加氢装置换热器故障诊断模型与传统诊断方法的差异性。 选择同一加氢装置换热器作为实验对象，加氢装置换热器故障诊断模型设为实验组，传统故障诊断方法作为对照组。

根据实验参数， 对同一加氢装置换热器验证样本进行测试， 对实验组与对照组故障诊断准确率进行对比，其结果如图8所示。 可以看出，相对于对照组来说，实验组具有更高的故障诊断准确率，因此可以证明实验组能够更好地诊断加氢装置换热器故障，从而得到更好的故障诊断结果，降低加氢装置换热器故障诊断错误率。相对于对照组，实验组有着更优异的性能，提高了故障诊断准确率，获得了理想的故障诊断结果且可信度高。

图8 故障诊断准确率对比

4 结束语

加氢装置换热器作为石油化工生产中常见的单元设备，由于介质因素影响一旦发生故障则会出现易燃易爆现象，因此笔者对石油化工生产加氢装置换热器故障诊断进行分析。 通过对加氢装置换热器故障原因分析与故障参数诊断，确定整体故障诊断流程后，按照这一流程对循环氢流量、进料量、进料温度、冷剂中断和塔顶回流中断的故障因素进行分析，为加氢装置换热器的正常运行提供了预警参数，保证了装置的安全平稳运行。