CN111580489A - 一种延缓常顶换热器流动腐蚀的防护系统及防护方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种延缓常顶换热器流动腐蚀的防护系统及防护方法，采用DCS控制系统进行实时控制，通过实时采集的基础工艺数据和分析数据计算出水露点温度，监控换热器管程出口温度，当露点温度低于换热器管程出口温度时增大换热器进口处的注水量；当换热器管程出口温度低于设定温度阈值，则调节换热器进口前的总管道上的流量阀降低进料量；DCS控制系统还根据获取的实时数据计算KP值，根据该KP值计算结果控制塔顶油溶性有机胺缓蚀剂的注入量以及控制调节换热器进口前总管道的进料量；DCS控制系统监测换热器管束分段温度值，当所监测温度低于铵盐结晶温度时则启动对应区域的加热片对管束加热。本发明防腐效果好且能够实时自动防护管理。
Description
技术领域
本发明涉及炼油设备中常减压塔顶系统的防护技术，具体涉及一种延缓常顶换热器流动腐蚀的防护系统及防护方法。
背景技术
常减压蒸馏是石油炼制的首道工序，长期承载着为加氢裂化、催化重整、加氢精制等下游装置提供原料的重任。自世界第一套常减压蒸馏装置建成以来，常压塔顶系统频繁发生流动腐蚀失效一直严重制约着常减压装置的长周期安全运行。近年来，原油劣质化越来越严重，由此引发的常顶系统换热器管束的堵塞、冲蚀泄漏等流动腐蚀失效尤其突出，难以防控，严重影响了炼油厂的安全生产和经济效益。
随着石油的深度开采，原油中的杂质含量不断升高，原油中的盐分、有机氯化物等有害物质含量增加，使得常减压装置的腐蚀越来越严重。特别是常顶系统的冷凝回流系统，如塔顶换热器腐蚀穿孔，就是露点腐蚀机理造成的问题之一。随着塔顶物料的冷却，当水蒸气开始凝结出现水滴时，大量HCL很容易进入水相，形成低pH值的凝液，正是造成常顶系统发生露点腐蚀的原因所在。对露点位置以及露点温度的监测十分必要，现实生产中，露点温度通常是查饱和水蒸汽表或者依靠人工输入参数借助工艺仿真系统获得，并不能自动获得实时数据，并不利于对常顶系统的实时自动化控制。
另外，针对常顶系统的腐蚀失效问题的解决，目前一般是通过“一脱三注”(“一脱”是指电脱盐，“三注”是指注水、注中和剂、注缓蚀剂)或升级材料等措施来控制。但是原料劣质化后塔顶低温部位的腐蚀问题并没有得到根本性的转变。现役常减压蒸馏装置，其加工的原油种类经常发生变化，即使加工同一种类的原油，其油性和腐蚀介质含量也在不断变化；另外生产负荷、工艺条件、冷却流程也有很大的差异，而目前所采用的腐蚀防控措施都是采用经验性的通用方法，这些措施的实施往往又一成不变，使得这些防腐措施的效果十分有限；加上由于缺少实时有效的监测和监管，也使得腐蚀防控更加困难。
为了确保常减压系统能够实现长周期的安全运行，亟需一套完整可靠的延缓换热器发生流动腐蚀的防护系统及防护方法，本案由此而生。
发明内容
本发明首先公开一种延缓常顶换热器流动腐蚀的防护系统，其采用的技术方案为：
一种延缓常顶换热器流动腐蚀的防护系统，包括常顶换热器系统和DCS控制系统，所述常顶换热器系统中的换热器数量配置为偶数，且换热器选用同种型号；常压塔塔顶至常顶换热器系统的进料总管道内安装推进式搅拌器，总管道输出端分成两个支路，每个支路再一分为二相对于总管道形成四分之一支路，每条四分之一支路的管道内各自加装推进式搅拌器，每条四分之一支路各自连接一台换热器；在总管道上安装流量控制阀，在多个换热器出口汇合管道上也安装流量控制阀，总管道至多个换热器出口汇合管道之间设置与DCS控制系统相连的信号控制线路；每个换热器的内部管束上间隔距离安装多个远程传输测温热电偶，并在每个换热器的管束上分段包裹多个加热电阻片，每个加热电阻片由DCS控制系统单独控制；DCS控制系统包括基础工艺数据采集模块、ASPEN建模仿真模块、控制参数建模计算模块、以及管理系统监控显示模块，基础工艺数据采集模块用于与炼油厂PI系统对接获取实时采集的工艺数据，以及与LIMS系统对接获取实时化验分析数据，ASPEN建模仿真模块根据获取的数据计算出水露点温度，控制参数建模计算模块包括HTRI和KP值计算模型；换热器上的热电偶将检测温度反馈给DCS控制系统，当换热器管程出口温度低于设定阈值时，或者当计算出的KP值高于结晶分压设定值时，DCS控制系统控制进料总管道的流量控制阀降低进料量。
进一步，当计算出的KP值高于结晶分压设定值时，DCS控制系统控制调节塔顶油溶性有机胺缓蚀剂的注入量使其增加，。
进一步，所述DCS控制系统根据实时计算出的露点温度与设定值的比较结果，控制换热器进口前的注水阀门，当露点温度低于设定值需增加注水量。
进一步，根据每个热电偶反馈的温度数据，当温度低于铵盐结晶温度时，DCS控制系统启动对应区域的加热电阻片对管束内流体加热。
本发明同时还公开一种应用上述防护系统进行腐蚀防护的方法，具体采用如下方式：
一种延缓常顶换热器流动腐蚀的防护方法，包括DCS控制系统，DCS控制系统嵌入工艺软件ASPEN、传热软件HTRI、KP值计算模型、露点温度计算模型；DCS控制系统与炼油厂PI系统对接，实时采集基础工艺数据，DCS控制系统与LIMS系统对接，实时采集化验分析数据，DCS控制系统根据获得的实时数据计算出水露点温度；DCS控制系统采集换热器管程出口温度，并判断所计算出的露点温度是否大于采集到的换热器管程出口温度，若露点温度低于换热器管程出口温度，DCS控制系统调节换热器进口处的注水量使其增大；DCS控制系统判断换热器管程出口温度是否低于设定温度阈值，若换热器管程出口温度低于设定温度阈值，则DCS控制系统调节换热器进口前的总管道上的流量阀降低进料量；DCS控制系统根据获取的实时数据计算KP值，KP值为气相中NH3分压与HCl分压的乘积，若计算出的KP值高于铵盐结晶分压，DCS控制系统控制增加塔顶油溶性有机胺缓蚀剂的注入量，并控制换热器进口前的总管道上的流量阀降低进料量；换热器的管束上分段包裹若干由DCS控制系统独立控制的加热电阻片，换热器的管束内间隔设置若干热电偶将实时采集温度反馈给DCS控制系统，若某段区域中热电偶反馈的温度值低于铵盐结晶温度设定值，则DCS控制系统启动对应区域的加热电阻片对管束加热。
进一步，所述DCS实时采集的数据包括常顶含硫污水、常顶一级油、常顶二级油和常顶瓦斯气的流量、温度、压力以及对应的组成分析数据，还包括换热器及空冷器的操作温度、压力。
进一步，所述KP值计算方式为：DCS控制系统获得含硫污水氯离子、氨浓度的流量及工况，计算得到盐酸和氨气的摩尔流量；DCS控制系统获得含硫污水、常顶一级油、常顶二级油和常顶瓦斯气的的组成及工况，通过ASPEN建模仿真获得气相总摩尔流量，再计算出气相中盐酸和氨气的摩尔分数，根据获得的换热器器壳程操作压力计算出气相中盐酸和氨气的分压，最后计算得到KP值。
进一步，对于注水量的调节控制由ASPEN模拟计算结果确定，DCS控制系统获得含硫污水、常顶二级油和常顶瓦斯气的工况，以及获得空冷器进口温度，通过ASPEN模拟计算出空冷器前25％液态水时需要的注水量，在调节注水量时应确保注水量不低于该计算出的注水量。
本发明基于DCS控制实现对常减压塔顶系统防腐的自动控制调节，配合对现有常顶系统结构的局部改造，可以有效减缓换热器内部的露点腐蚀发生，也可以降低因铵盐结晶沉积垢下腐蚀引发的失效问题，从综合手段上提高了防腐效果，也实现了实时自动防护管理。
附图说明
图1为本发明对防护系统中平衡配管安装推进式搅拌器的示意图；
图2为平衡配管及推进式搅拌器布置结构示意图；
图3为跨线及流量控制阀安装位置示意图；
图4为本发明防护系统的优化方案布置图及DCS控制系统监测信号位置展示图；
图5为换热器管束测温热电偶安装位置以及加热电阻片安装示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本实施例公开一种延缓常顶换热器流动腐蚀的防护系统，以及采用该防护系统进行腐蚀防护管理的方法，其中防护系统所涉及的结构结合图1至图4详细说明。
整个防护系统主要包括常顶换热器系统和DCS控制系统，本实施例中首先对现有的常顶换热器系统结构进行了改进，对换热器系统平衡度优化，即对系统中每台换热器的流量分配均匀性进行调整，进而控制换热器管束内部的流速，达到降低腐蚀现象发生的目的。我们知道通常一套常减压塔顶系统往往会配置多台换热器，而且会出现换热器的型号和种类不同的情况，此时势必会导致由原料总管进入每台换热器的流量存在差异，而流量的不同会导致不同换热器内部管束流速不同，流速过高或过低都会导致腐蚀现象发生。因此，平衡配管是解决流量分配不均的理想方法。本实施例中，将常顶换热器系统中的换热器数量配置为偶数，并且换热器选用同种型号。通过研究发现，若采用奇数结构配管流量分配不均问题十分明显，换热器管束内测得的流速差距也十分大，而采用偶数配管后，相对流量分配比较均衡，进入每台换热器的流量能够保证一致，这为后续控制换热器内的流动腐蚀提供相同防腐措施奠定了基础。
在对总管道与多个换热器之间配管设置时，采用一分为二，二分为四的配管方案，即：如图2所示，总管道5输出端先一分为二形成两个支路6，然后将每个支路6再次一分为二，形成相对于总管道的四分之一支路7。并且，为了保证进入换热器内部的原料油、气、水三相混合均匀，还在常压塔塔顶至常顶换热器系统的进料总管道5内安装推进式搅拌器8，在每条四分之一支路7的管道内也分别加装推进式搅拌器8，每条四分之一支路7各自连接一台换热器9。推进式搅拌器8在管道4内的结构如图1所示，推进式搅拌器8包括固定臂1、搅拌器叶片2以及旋转轴3。
本发明的腐蚀防护主要是针对露点腐蚀以及因氯化铵盐结晶沉积造成的腐蚀，因此分别从露点温度控制、铵盐结晶温度环境控制、以及铵盐结晶分压参数的控制角度出发，来调整整个防护系统的结构设计及防护方法的流程设计。
露点是指对于一个多组分气态混合物温度降低到刚使水蒸汽开始凝结第一滴液滴时的温度，常压塔顶露点腐蚀机理属于HCl(盐酸)露点腐蚀，HCl(盐酸)存在是常压塔顶产生露点腐蚀的根源。含有HCl的塔顶油汽进入冷却分离系统，在降温的过程中，当温度降低到水露点温度时，水蒸气从气相中凝结出来，因HCl(盐酸)的溶解度非常高，形成第一滴冷凝水的瞬间将快速溶入水中形成盐酸溶液。此时初凝水中HCl的浓度很高，构成强酸性腐蚀环境，因此会给管束内部造成严重的腐蚀。
避免换热器内部发生露点腐蚀的前提是保证换热器内流体的露点温度高于换热器操作温度。通过换热器的传热计算可知，通常换热器的壁面温度要比流体温度低，所以要避免管壁上冲击冷凝，因此要适当提高换热器壳程流体出口温度。为了便于实时监测换热器管程各区域的温度及时采用相应措施，如图5所示，本实施例在每台换热器的管束上以间隔一米的间距安装若干带远程传输功能的测温热电偶12，热电偶12将实时采集温度反馈给DCS控制系统11。为了调节管束上各区域的温度避免发生铵盐结晶，还在换热器管束上分段包裹多个加热电阻片13，每个加热电阻片13由DCS控制系统单独控制，管束内部还设有若干壳程挡流板14。
对壳程流体出口温度的控制可以通过调节换热器进口前总管道的原有进料量实现，当壳程流体出口温度下降时，可以降低原有进料量来提升其温度。因此，如图3所示，在换热器进口前的原有总管道上安装流量控制阀，控制原有进料量；在多个换热器出口汇合管道上也安装流量控制阀，控制在换热器壳程完成换热后的低温原油回到主路油管的流量。总管道至多个换热器出口汇合管道之间设置跨线10(信号控制线)，通过DCS控制系统实现流量自动调节。
为了降低氯化铵盐结晶沉积造成的腐蚀，传统工艺采用“一脱三注”方式，在换热器前完成注水工序。但通过研究计算可知，换热器前注入的水汪汪在换热器的进气口就全部气化了，没有形成液态水，起不到冲洗铵盐的效果，反而在换热器内部凝结，导致了露点腐蚀。因此，提高露点温度可以有效避免露点腐蚀的发生，即通过增加注水量来实现。对于注水量的调节控制，借助DCS控制系统中嵌入的ASPEN工艺模拟软件来建立注水量数学模型，即：通过DCS控制系统与炼油厂PI系统及LIMS系统的对接，获取到基础工艺数据和实时化验分析数据，如获得含硫污水、常顶二级油和常顶瓦斯气的工况，以及获得空冷器进口温度，然后通过ASPEN模拟计算出空冷器前25％液态水时需要的注水量，在调节注水量时应确保注水量不低于该计算出的注水量。
再者，对氯化铵盐结晶的控制，需要控制氯化铵的结晶温度，这就需要控制KP值低于结晶分压(KP值是指气相中NH3分压与HCl分压的乘积)。KP值的计算是通过DCS控制系统中的控制参数建模计算模块实现，控制参数建模计算模块包括传热软件HTRI和KP值计算模型。KP值计算方式为：DCS控制系统获得含硫污水氯离子、氨浓度的流量及工况，计算得到盐酸和氨气的摩尔流量；DCS控制系统获得含硫污水、常顶一级油、常顶二级油和常顶瓦斯气的的组成及工况，通过ASPEN建模仿真获得气相总摩尔流量，再计算出气相中盐酸和氨气的摩尔分数，根据获得的换热器器壳程操作压力计算出气相中盐酸和氨气的分压，最后计算得到KP值。如果实时计算出的KP值高于结晶分压，则DCS控制系统控制调节塔顶油溶性有机胺缓蚀剂的注入量使其增加，并且也可以由DCS控制系统控制进料总管道的流量控制阀降低进料量，来提高换热器壳程出口温度。
本发明对露点温度的计算是通过ASPEN建模仿真模块实现，DCS控制系统获得实时数据包括常顶含硫污水、常顶一级油、常顶二级油和常顶瓦斯气的流量、温度、压力以及对应的组成分析数据，还包括换热器及空冷器的操作温度、压力数据。根据所获得的常顶含硫污水、常顶一级油、常顶二级油和常顶瓦斯气的组成及工况，以及换热器器壳程操作压力，由ASPEN模拟水相流量随温度的变化，计算出水露点温度，再根据热电偶反馈的温度值来控制相应的阀门流量。当换热器壳程出口温度低于设定阈值时，DCS控制系统控制进料总管道的流量控制阀降低进料量。根据实时计算出的露点温度与设定值的比较结果，控制换热器进口前的注水阀门，当露点温度低于设定值需增加注水量。根据每个热电偶反馈的温度数据，当某一区域的实时温度低于铵盐结晶温度时，DCS控制系统启动对应区域的加热电阻片13对管束内流体进行加热。
整个DCS控制系统由基础数据采集、ASPEN建模仿真、控制参数建模计算、管理系统监控显示等模块组成，采用Visul Studio为开发平台，运用C#、VB编程语言以及MySQL数据库开发工具，开发实时诊断监管系统，使用该软件系统实时采集装置的运行工况和物流的分析数据。通过模拟计算和建模计算获得腐蚀失效控制体系监控参数的实时数据，根据结果对常顶系统的腐蚀情况做出判断并指导操作人员做出相应的调控措施。
图4为采用本发明DSC控制系统的一个优化配置应用示例，其工作运行过程简述如下：常压塔T102的塔顶分离出的油气经注入缓蚀剂后经过配管分四路均衡进入常顶换热器系统，与各换热器前的注入水混合后进入换热器与低温原油换热进行冷却。然后混入常顶回流罐V102进行初次油气分离，其中常顶回流罐内的油相经回流泵P105升压后，一部分作为常顶回流油打入常压塔顶，另一部分经常顶空冷器和水冷器冷却后作为常顶一级油产品出装置。回流罐V102的气相进入常顶空冷器系统以及水冷器系统继续冷却，然后进入产品分离罐V103进行第二次油、气、水三相分离，得到常顶瓦斯气、常顶二级油和含硫污水。常顶瓦斯气(产品分离罐顶不凝气)去轻烃回收装置，常顶二级油作为产品直接出装置。产品罐底部的含硫污水与回流罐分离出的含硫污水合并后进入含硫污水处理罐V110，一部分经塔顶注水泵作为冷却水注入常顶换热器的入口，另一部分出装置进入污水处理系统。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种延缓常顶换热器流动腐蚀的防护系统，其特征在于：包括常顶换热器系统和DCS控制系统，所述常顶换热器系统中的换热器数量配置为偶数，且换热器选用同种型号；常压塔塔顶至常顶换热器系统的进料总管道内安装推进式搅拌器，总管道输出端分成两个支路，每个支路再一分为二相对于总管道形成四分之一支路，每条四分之一支路的管道内各自加装推进式搅拌器，每条四分之一支路各自连接一台换热器；在总管道上安装流量控制阀，在多个换热器出口汇合管道上也安装流量控制阀，总管道至多个换热器出口汇合管道之间设置与DCS控制系统相连的信号控制线路；每个换热器的内部管束上间隔距离安装多个远程传输测温热电偶，并在每个换热器的管束上分段包裹多个加热电阻片，每个加热电阻片由DCS控制系统单独控制；DCS控制系统包括基础工艺数据采集模块、ASPEN建模仿真模块、控制参数建模计算模块、以及管理系统监控显示模块，基础工艺数据采集模块用于与炼油厂PI系统对接获取实时采集的工艺数据，以及与LIMS系统对接获取实时化验分析数据，ASPEN建模仿真模块根据获取的数据计算出水露点温度，控制参数建模计算模块包括HTRI和KP值计算模型；换热器上的热电偶将检测温度反馈给DCS控制系统，当换热器管程出口温度低于设定阈值时，或者当计算出的KP值高于结晶分压设定值时，DCS控制系统控制进料总管道的流量控制阀降低进料量。
2.根据权利要求1所述的一种延缓常顶换热器流动腐蚀的防护系统，其特征在于：当计算出的KP值高于结晶分压设定值时，DCS控制系统控制调节塔顶油溶性有机胺缓蚀剂的注入量使其增加，。
3.根据权利要求1所述的一种延缓常顶换热器流动腐蚀的防护系统，其特征在于：所述DCS控制系统根据实时计算出的露点温度与设定值的比较结果，控制换热器进口前的注水阀门，当露点温度低于设定值需增加注水量。
4.根据权利要求1所述的一种延缓常顶换热器流动腐蚀的防护系统，其特征在于：根据每个热电偶反馈的温度数据，当温度低于铵盐结晶温度时，DCS控制系统启动对应区域的加热电阻片对管束内流体加热。
5.一种使用如权利要求1至4任一所述防护系统进行常顶换热器流动腐蚀的防护方法，其特征在于：包括DCS控制系统，DCS控制系统嵌入工艺软件ASPEN、传热软件HTRI、KP值计算模型、露点温度计算模型；DCS控制系统与炼油厂PI系统对接，实时采集基础工艺数据，DCS控制系统与LIMS系统对接，实时采集化验分析数据，DCS控制系统根据获得的实时数据计算出水露点温度；DCS控制系统采集换热器管程出口温度，并判断所计算出的露点温度是否大于采集到的换热器管程出口温度，若露点温度低于换热器管程出口温度，DCS控制系统调节换热器进口处的注水量使其增大；DCS控制系统判断换热器管程出口温度是否低于设定温度阈值，若换热器管程出口温度低于设定温度阈值，则DCS控制系统调节换热器进口前的总管道上的流量阀降低进料量；DCS控制系统根据获取的实时数据计算KP值，KP值为气相中NH3分压与HCl分压的乘积，若计算出的KP值高于铵盐结晶分压，DCS控制系统控制增加塔顶油溶性有机胺缓蚀剂的注入量，并控制换热器进口前的总管道上的流量阀降低进料量；换热器的管束上分段包裹若干由DCS控制系统独立控制的加热电阻片，换热器的管束内间隔设置若干热电偶将实时采集温度反馈给DCS控制系统，若某段区域中热电偶反馈的温度值低于铵盐结晶温度设定值，则DCS控制系统启动对应区域的加热电阻片对管束加热。
6.根据权利要求5所述的防护方法，其特征在于：所述DCS实时采集的数据包括常顶含硫污水、常顶一级油、常顶二级油和常顶瓦斯气的流量、温度、压力以及对应的组成分析数据，还包括换热器及空冷器的操作温度、压力。
7.根据权利要求5所述的防护方法，其特征在于：所述KP值计算方式为：DCS控制系统获得含硫污水氯离子、氨浓度的流量及工况，计算得到盐酸和氨气的摩尔流量；DCS控制系统获得含硫污水、常顶一级油、常顶二级油和常顶瓦斯气的的组成及工况，通过ASPEN建模仿真获得气相总摩尔流量，再计算出气相中盐酸和氨气的摩尔分数，根据获得的换热器器壳程操作压力计算出气相中盐酸和氨气的分压，最后计算得到KP值。
8.根据权利要求5所述的防护方法，其特征在于：对于注水量的调节控制由ASPEN模拟计算结果确定，DCS控制系统获得含硫污水、常顶二级油和常顶瓦斯气的工况，以及获得空冷器进口温度，通过ASPEN模拟计算出空冷器前25％液态水时需要的注水量，在调节注水量时应确保注水量不低于该计算出的注水量。
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| CN202010505537.9A CN111580489A (zh) | 2020-06-05 | 2020-06-05 | 一种延缓常顶换热器流动腐蚀的防护系统及防护方法 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN112524990A (zh) * | 2020-11-12 | 2021-03-19 | 绍兴职业技术学院 | 一种常顶系统空冷器的抗腐蚀防护结构及防护方法 |
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 刘慧慧: "常顶系统流动腐蚀失效分析及工程优化" * |
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|---|---|---|---|---|
| CN112524990A (zh) * | 2020-11-12 | 2021-03-19 | 绍兴职业技术学院 | 一种常顶系统空冷器的抗腐蚀防护结构及防护方法 |
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