Денис МАЛЫШЕВ
Оператор технологических установок
6 разряда (старший оператор смены) установки утилизации сероводородного газа и производства гранулированной серы
E-mail: denisa140189@gmail.com
Введение
В настоящее время в нефтепереработке широко используются установки утилизации сероводородного газа и производства гранулированной серы по методу Клауса, в который входит термическая ступень и трехступенчатая каталитическая часть получения жидкой технической серы. На каталитической ступени технологического процесса часто используются электронагреватели для подогрева технологического (сероводородного) газа, что улучшает реакцию окисления газа в технологических реакторах и позволяет получить более высокий выход жидкой серы. Поэтому электронагреватели являются важной и к тому же дорогостоящей частью технологического оборудования.
Существует проблема в частом выходе из строя ТЭН в электронагревателях при аварийной или плановой остановке технологического процесса. Это становится причиной частых простоев и существенных затрат на закупку, доставку, установку и демонтаж-монтаж данного технологического оборудования. Стоимость каждого электронагревателя составляет более 1,5 млн руб. Затраты на доставку и демонтаж-монтаж составляют сотни тыс. руб. Простой установки УСГиПГС влечет за собой сброс сероводородного газа на сжигание в факельное хозяйство предприятия, где он смешивается с топливным газом из заводской сети и подается на сжигание на факелах. Такой способ не обеспечивает полного сжигания сероводородного газа и значительная часть его выбрасывается в воздух, что приводит к загрязнению атмосферы и окружающей среды, а так же штрафам для компании со стороны экологического надзора.
Причины проблемы
Можно выделить 2 основные причины данной проблемы:
Несовершенная система блокировок и сигнализации, которая не предусматривает изменение параметров работы электронагревателей при аварийной остановке. Во время нормальной работы установки электронагреватели работают в автоматическом режиме нагрева технологического газа, поддерживая заданную температуру (200–450 °C). При аварийной остановке прекращается подача сероводородного газа на установку, что приводит к резкому прекращению теплосъёма с электронагревателей и быстрому увеличению температуры в электронагревателях. Увеличение температуры в электронагревателях выше технологических норм (450 °C) приводит к реакции возгорания в них остатков серы, соответственно и в газовом тракте, что ведёт к ещё более быстрому увеличению температуры. Автоматика, работающая на снижение нагрузки на ТЭН, не справляется со скоростью увеличения температуры и впоследствии, после возгорания остатков серы, уже не влияет на её регулировку. Сера независимо от нагрузки ТЭН горит, выделяя большое количество теплоты, которое приводит к перегоранию. Технологическому персоналу приходится подавать азот в данный технологический участок установки, который связан с реакторным блоком, для тушения возгорания и снижения температуры. Подача азота предусмотрена исключительно в аварийных случаях на примере вышеуказанного. Но азот пагубно влияет на дальнейшую работу установки и эффективность работы катализатора реакторного блока, контактируя с серой образует негативные химические соединения и вязкую структуру. Вся описанная ситуация приводит к дальнейшему снижению эффективности работы реакторов, снижению проходимости в трубопроводах и технологическом оборудовании, помимо перегорания электронагревателей. Это является причиной дорогостоящего ремонта и замены оборудования, быстрого износа катализатора реакторов и его замены, увеличивает простой установки для выполнения данных работ.
Избыточное накопление элементарной серы после термической ступени процесса на стенках трубопроводов газового тракта установки, в том числе в электронагревателях за время эксплуатации установки между плановыми остановками на ремонт и чистку оборудования. После накопления серы на стенках трубопроводов и оборудования во время аварийной или плановой остановки установки, ее работа переводится с сжигания сероводородного газа на топливный газ в котлах-утилизаторах. Переход на топливный газ осуществляется для поддержания рабочих температур в системе после аварийной остановки установки и очистки системы газового тракта от остатков серы за время эксплуатации, а также перед полной плановой остановкой. В случае если в трубопроводах и аппаратах отложилось большое количество серы – происходит резкое возрастание температуры в газовом тракте, в том числе и электронагревателях, за счёт возгорания серы, при взаимодействии с кислородом в технологическом воздухе, подаваемом на сжигание вместе с топливным газом в котлы-утилизаторы. Тем самым резкое увеличение температуры в газовом тракте и в электронагревателях влечёт за собой перегорание ТЭН.
Факторы, влияющие на избыточное отложение элементарной серы в системе:
основным фактором является неправильное выдерживание соотношения сероводородный газ-технологический воздух при их сжигании в котлах-утилизаторах;
второстепенным и усиливающим фактором является нарушение целостности теплоизоляционного слоя на трубопроводах и оборудовании газового тракта, что снижает температуру технологического газа и увеличивает выпадение элементарной серы в системе;
немаловажный фактором является периодическое снижение нагрузок сероводородного газа до минимальных значений, что приводит к снижению давления и расхода технологического газа в системе газового тракта, замедлению потока среды, снижению температуры газа в трубопроводах и аппаратах. Это выражается в увеличении выпадения элементарной серы в системе, особенно в местах изменения направления потока среды (обводы, колена и т. д.) также является усиливающим фактором основного.
Предпосылки проблемы и методы её устранение зачастую не описываются в технологическом регламенте установок.
Методы устранения проблем из практического опыта
Изменение логики работы электронагревателей в системе блокировок и противоаварийной защиты оборудования установки. Это характеризуется в переводе работы электронагревателей на ручной режим работы и отключение нагрузки ТЭН после аварийной остановки установки и автоматическом закрытии отсекателей сероводородного газа. Описывается это автоматическим отключением электронагревателей, которое срабатывает после сигнала АСУТП о закрытии аварийных отсечных клапанов (по блокировке) на линии сероводородного газа, подающих сырьё на установку. Отключение электронагревателей предотвращает возгорание серы от повышения температуры выше норм (200–450 °C) и перегорание ТЭН, выход из строя без последствий на их дальнейшее качество работы и установки в целом. Это также исключает подачу азота и последствий, вытекающих из этого даже при второстепенных проблемах, таких как нарушение целостности теплоизоляционного слоя трубопроводов и аппаратов.
Правильное выдерживание параметров стехиометрии (соотношение объёмов газа и воздуха в топке котлов-утилизаторов) при работе установки на сероводородном газе. Норма соотношения «сероводородный газ – технологический воздух» составляет от 1:2 до 1:3, но является довольно условной и требует более конкретных величин вплоть до тысячных долей. Поэтому необходимо систематически следить за анализом концентрации сероводородного газа (96–99,9%), а также примесей углеводородов (не более 3,9%). Данная концентрация обеспечивает стабильность горения смеси газа и воздуха и устойчивость оптимальных температур (1300–1350 °C) в топке котлов-утилизаторов. Более приемлемым является соотношение от 1:2,400 до 1:2,500 для получения нужных температур. Также немаловажным фактором становятся показания поточного газоанализатора хвостовых газов с установки, которые напрямую зависят от стехиометрии. С его помощью выполняется мониторинг количества объёма сероводородного газа, диоксида серы и их разницы, которая высчитывается по формуле H2S – 2SO2 и должна стремиться к нулю (±0). Норма сероводородного газа по регламенту составляет от 0 до 0,25% об., что также является размытой и условной. Наилучшим диапазоном являются показания от 0 до 0,050% об, но они не всегда приводят показания разницы сероводородного газа и диоксида серы к нулю из-за неидеальности процесса, сырья и условий. В то же время показания концентрации сероводородного газа являются наиболее приоритетными для технического процесса и состояния оборудования. При выдерживании данных параметров обеспечивается оптимальная конверсия сероводородного газа в серу на термической ступени процесса. Это сопровождается большим количеством выхода серы из сероводородного газа и меньшим его количеством в технологическом газе после термической стадии, что в свою очередь снижает выпадение серы в газовом тракте и электронагревателях в том числе.
Также категорически нельзя допускать возникновение вторичных и усиливающих факторов:
Снижение нагрузок сероводородного газа, зависящего от правильности ведения технологического процесса десорбции сероводородного газа из аминосодержащего раствора на блоке регенерации, служащего абсорбентом в процессе удаления серы из нефтепродуктов. Тем самым выполнять постоянный контроль за работой блока регенерации аминосодержащего раствора. В случае снижения насыщаемости раствора и выхода сероводородного газа необходимо приостановить работу установки на нагрузках, близких к минимальным значениям (ниже 250 м3/ч) и выполнить перевод котлов-утилизаторов на сжигание топливного газа, тем самым не создавать накопление серы в газовом тракте при нагрузках, близких к минимальным.
Нарушение целостности теплоизоляционного слоя оборудования и трубопроводов установки. Для этого необходимо постоянно контролировать его состояние и при необходимости в кратчайшие сроки принимать меры по устранению недостатков.
Если при работе установки на сероводородном газе не выполнялись вышесказанные условия, то с большей степенью вероятности избыток серы, отложенный на стенках, начинает возгораться при переводе установки с сероводородного газа на топливный, с последующим резким увеличением температур в газовом тракторе, в том числе и электронагревателях. Причиной является высокая температура среды (1300–1400 °C в топке котлов-утилизаторов) с повышенным содержанием кислорода, так как соотношение «топливный газ – технологический воздух» составляет 1:5–1:8 (норма технологического регламента). Это соотношение находится в достаточно широком диапазоне и точно не регламентируется. Оптимальным соотношением на начальном этапе должно быть 1:4–1:4,5 при нормальной плотности топливного газа от 0,7 до 1 кг/м3, что обеспечивает максимально низкое содержание кислорода и более плавное, стабильное выдерживание температур в газовом тракте в пределах норм технологического режима. После устранения причин краткосрочной остановки сжигания сероводородного газа, выполняется обратный переход установки на его утилизацию и получение серы. При плановой остановке установки целью является максимальное удаление серы по всему контуру технологического тракта за счёт потока среды топливного газа и технологического воздуха, сжигаемого в топке котлов-утилизаторов, сопровождающегося большим выделением тепла, за счёт чего остатки серы в жидком состоянии удаляются из системы. При выполнении данной технологической операции очень важно следить за температурами газового тракта. При резком увеличении температур, даже в определённом участке технологической схемы, необходимо до минимума снизить соотношение газа к воздуху (1:5). В случае отсутствия изменений снижать до 1:4,5, вопреки требованиям технологического регламента. Практически доказано, что это максимально эффективно влияет на снижение реакции резкого возрастания температур без вреда для технологического процесса. Вытеснение остатков серы проводится не менее, чем в течение 48 часов. В противном случае неудалённые, остывшие после останова установки остатки серы создадут затруднение или вовсе отсутствие проходимости потока среды в газовом тракте. Поэтому при стабилизации температур при минимальной стехиометрии (через 15–20 часов) необходимо плавно повышать количество технологического воздуха, увеличивая концентрацию кислорода и объём потока среды от 1:5 до 1:6 ещё на 10–15 часов. При достижении температур в газовом тракте близко к максимальным снизить количество воздуха. При тенденции понижения температур увеличить количество воздуха. Оставшиеся 10–15 часов вытеснения остатков серы соотношение должно достигать близкого к максимальному значению (1:6,5–1:8). В период работы установки на топливном газе электронагреватели в обязательном порядке работают в ручном режиме регулировки с нагрузкой в 20–30% в первые 10–15 часов, и при увеличении температур выше норм они снижаются до минимальных значений 0–10%. В оставшееся время нагрузка увеличивается до 50–70% при снижении температур в газовом тракте. Работа в автоматическом режиме категорически не рекомендуется из-за нестабильности температурного режима и скорости регулировки нагрузки электронагревателей, что приводит к перегреву ТЭН и выходу их из строя.
Практически доказано: соблюдение вышеуказанных методик на 90% снижает вероятность перегорания электронагревателей по причине повышения температуры в системе технологической установки.
Результаты
Вышесказанные изменения в установках, методиках контроля и ведения технологического режима успешно применяются в работе установки. Они получены, опробованы и доказаны опытным путем и личными наработками автора, что характеризуется в следующих показателях:
Повышение времени эксплуатации электронагревателей в 5 раз.
Снижение затрат на закупку и замену оборудования на 20% (в денежном эквиваленте более 35 000 000 руб.).
Уменьшение времени простоя установки УСГиПГС на 30% в год.
Возрастание эффективности работы установки.
