杨珍波
［蓝海新材料(通州湾)有限责任公司，江苏 南通226000］
［摘 要］中国石油天然气股份有限公司大庆石化分公司450 kt/a合成氨装置双套管式第一废热锅炉（101CA/CB）属装置中的关键设备之一，其主要任务是利用二段（转化）炉出口转化气的热量加热锅炉水以产生高压蒸汽。2021年8月1日合成氨装置开车过程中101CA循环正常而101CB出现逆循环现象，造成高压蒸汽带水带盐致过热蒸汽温度异常及Na+、SiO2含量超标，经商议，8月4日18：00合成氨装置停车。结合第一废热锅炉结构型式及水循环原理，分析与探讨101CB逆循环的成因，找出症结所在后，为成功将101CB逆循环纠正，生产技术组制定了相应的处理方案，8月5日装置重启，落实纠正措施后成功实现了101CB的正循环。此后通过加强相关生产管理，101CA/CB再未出现过逆循环现象。
［关键词］气头合成氨装置；第一废热锅炉；水循环原理；逆循环现象；原因分析；应对措施；操作要点
［中图分类号］TQ113.25+4 ［文献标志码］B ［文章编号］1004-9932（2025）02-0035-05
0 引 言
中国石油天然气股份有限公司大庆石化分公司（简称大庆石化）大型合成氨装置（主产品为合成氨，副产品为CO2），以大庆油田伴生气为原料，采用凯洛格天然气蒸汽转化工艺，于1976年9月建成投产，2005年10月完成增产50%扩能改造，合成氨产能由300 kt/a提升至450 kt/a。经过多年来不断地技术升级改造，现吨氨综合能耗已由设计之初的42.36 GJ降至目前的35.10 GJ，技术进步显著，节能效果明显。
第一废热锅炉（101CA/CB）是大庆石化合成氨装置的关键设备之一［1］，属于双套管式废热回收蒸汽锅炉，其主要任务是利用二段（转化）炉出口高温工艺气（转化气）的热量加热锅炉水来产生高压蒸汽。2021年8月1日，合成氨装置在窗口检修开车正常后提负荷至70%，操作人员发现一段（转化）炉低温段过热高压蒸汽温度（TR42）及高温段过热蒸汽温度（TR43）较正常值偏低很多（当时TR42最低为324 ℃，正常值为360～375 ℃；TR43最低为395 ℃，正常值为430～450 ℃），发现异常后生产部门立即组织对TR42进行确认，同时对现场进行排查，未发现异常，调整一段炉烟风系统和汽包液位，TR42仍无法恢复正常，这种现象在大庆石化合成氨装置开车过程中第一次出现。大庆石化化肥部高度重视，立即联系质检中心对高压蒸汽Na+及SiO2含量进行分析，结果Na+含量最高达102 μg/L（设计值≤10 μg/L）、SiO2含量最高达113.9 μg/L（设计值≤20 μg/L）；调取DCS相关数据分析，确认是101CB发生了“逆循环”，造成高压蒸汽带水带盐致过热蒸汽温度异常及Na+、SiO2含量超标。经商议，2021年8月4日18：00合成氨装置停车，8月5日重启，期间大庆石化化肥部组织工艺人员制定相应的纠正101CB逆循环的技术措施，成功实现了101CB的正循环。以下对有关情况作一介绍。
1 二段转化系统工艺流程与第一废热锅炉简介
1.1 二段转化系统工艺流程简介
二段炉（103D）底部出口工艺气（压力3.0 MPa、温度986 ℃）中甲烷含量为0.38%（体积分数），工艺气首先进入气体分布器，之后送至2台并联的高温高压换热器（101CA/CB，业内习称第一废热锅炉，炉水自然循环）中副产温度315 ℃、压力10.0 MPa的高压蒸汽（此股高压蒸汽经一段炉低温段过热为温度370 ℃、压力10.0 MPa的高压蒸汽），在此过程中工艺气温度大幅降低至约416 ℃，然后进入第二废热锅炉（102C）进一步回收余热。
1.2 第一废热锅炉结构简介
第一废热锅炉（101CA/CB）为双套管式（亦称刺刀型），由法兰、上封头、螺栓、螺母、小管板、支撑环、管箱、大管板、水夹套、定距杆、承压壳体、隔热层、衬板、气体分布器、外管、折流板B/A/B1、刺刀管、法兰、管箱法兰、接管、直管、弯管、锁紧螺母及铜垫片、定距钉、管帽等构成，其换热管采用向下插入的套管结构，外套管和内管（刺刀管）的上端分别固定于2块管板上，另一端是自由的［1］。101CA/CB由206根双套管组成，水从内管流下，汽水混合物从外管上升，管外走的是高温转化气［2］；管板只设在工艺气的出口一端，此举解决了结构上的困难。101CA/CB双套管的外管规格为Φ50.8 mm（外径）×3.5 mm×5 486 mm，焊接在管板上，正三角形排列，管间距63.5 mm；内管规格为Φ25 mm（外径）×2 mm×6 535 mm，用螺母固定在另一管板上；内外管之间的环隙等距离分布有4层定距爪，每层各有3个，为防止内管振动、保证同心度，定距爪在内外管壁上互为120°焊接；为防止高速气流流动造成外管振动，废热锅炉壳侧装配有5个挡板用于固定管束，此举还能提高传热能力。
2 第一废热锅炉水循环原理
第一废热锅炉（101CA/CB）水循环时可能出现异常情况，如蒸汽系统或工艺系统压力突变。一般情况下，大量汽水混合物集中在101CA/CB上升管内部，循环推动力可表示为F=（H+h）·（ρ水-ρ混）［式中：ρ水、ρ混、h、H分别为下降管中水的密度、上升管中水或汽水混合物的密度、双套管有效长度、汽包（101F）与101CA/CB的位差］。（ρ水-ρ混）是上升管与下降管中水或汽水混合物的密度差，蒸汽含量较高时，密度差也相应增大，此时双套管可以实现较快的水循环，利于传热，故（ρ水-ρ混）的大小可反映锅炉热负荷的高低；密度差也受汽包压力的影响，汽包压力上升会使ρ混变大，从而使（ρ水-ρ混）变小，故自然循环废热锅炉汽包压力过高时，因上升管与下降管中水或汽水混合物的密度差太小会使自然循环难以正常进行。（H+h）指的是汽包底部至双套管底部之间的距离，即液位差，水循环速度随液位差增大而变大。简言之，101CA/CB依靠密度差与液位差产生的推动力提高流体在管道中的循环速度，系统建立正常的水循环［2］；反之，若该推动力（即压差）变成负值，其逆向推动力就会推动流体逆向循环——水从上升管中下降，汽水混合物由下降管中上升，此种不正常现象称为“逆循环”。
为判断第一废热锅炉（101CA/CB） 水循环能否完成，利用压差计（PDR32/PDR34和PDR33/PDR35）测试水循环过程中的压力变化（如图1所示）。PDR32/PDR34压差指示表示下降管不同高度处两点之间的压力差，此压差计通常又称密度计。PDR33/PDR35压差指示为流体循环过程中的阻力降，如果没有建立流体循环，该参数接近为0；如果建立了流体循环，该参数越大，表明管道内实现了快速的水循环。水循环过程中，下降管的压力超过上升管，压差大于0；逆循环情况下，下降管的压力低于上升管，压差小于0 ［3］。
3 第一废热锅炉逆循环现象及数据分析
2021年8月1日大庆石化合成氨装置开车过程中101CA循环正常，而101CB出现逆循环，具体运行数据如表1。2021年8月1日06：30第一废热锅炉进行蒸汽升温，当日07：30第一废热锅炉2组压差指示（PDR33/PDR35）为正，确认第一废热锅炉正循环已经建立，操作人员在操作卡上进行画勾确认；当日08：00为控制现场噪音与调整蒸汽升温速度，进行了二段炉出口工艺气现场手动放空闸阀开阀操作，由于放空阀开度过大，系统压力下降，2 h内一段炉出口气压力由2.97 MPa降至0.739 MPa，101CA进汽温度上升，101CB进汽温度先下降后上升，表明进入101CA和101CB的蒸汽流量发生了变化；当日09：40，101CA与101CB的工艺气侧进气温差由1 ℃扩大至71 ℃，表明二段炉催化剂床层存在偏流，PDR33为-176 mmH2O，PDR35为113 mmH2O，表明101CA循环正常，而101CB已经完全是逆循环了。
更多内容详见《中氮肥》2025年第2期