摘 要：针对制氢转化炉运行中存在的问题和安全隐患，分析本质原因，提出治理方案，对转化炉进行大修改造，消除隐患，提高热效率，实现了装置的长周期运行。
关键词：制氢转化炉；大修改造；治理隐患；热效率
某炼厂60000Nm3/h制氢装置是目前全厂唯一一套制氢装置，主要给全厂2.0MPa工业氢管网供氢，确保全厂氢气平衡。转化炉是制氢装置的核心设备，已累计运行12年，大修改造前转化炉存在炉管下锥段焊缝处易泄漏、冷壁出口集合管超温、炉顶弹簧吊架老化卡涩、炉管受热不均、排烟温度高、辐射室炉底超温等问题。同时，按照中石化《加热炉管理规定》中“加热炉热负荷在10MW及以上，通过技术改造后长期运行热效率应在91%以上”的要求，转化炉热效率长期未能达标。利用2017年底全厂大检修的机会，对转化炉进行大修改造，改造后除消除隐患外，转化炉设计热效率不低于92%。本文就转化炉改造方案及运行效果做简要介绍，为解决转化炉安全隐患和热效率低的问题提供一个可参考的方案。
1 隐患治理改造方案
1.1 优化转化炉管出口管段结构，更新炉管，消除泄漏隐患
制氢装置自原始开工运行至2017年底，转化炉管出现过多次泄漏。
2013年全厂大检修期间，对泄漏的炉管进行检查分析，发现炉管下锥段锥体与下猪尾管焊接处附近开裂，断口表面呈灰黑色，无金属光泽，属陈旧性断口，其表面凹凸不平并有台阶，内外壁均未见剪切唇，壁厚未见减薄，可以确定属脆断开裂，主要原因是下锥段焊缝热影響区处应力腐蚀开裂，更换了2根泄漏的炉管。
2014年受外电网影响全厂停电，转化炉紧急停炉，导致7根转化炉管焊缝部位破裂。主要原因是一方面装置紧急泄压阀卡涩未能及时打开，转化炉出口压力迅速上涨；另一方面鼓引风机均停运，炉膛内蓄热量较大且无法冷却，导致炉管壁温升高，而且炉管寿命也已至末期。在炉管内压增大、管壁温升较高的双重因素作用下，导致炉管焊缝薄弱部位处破裂。停工抢修期间对炉管进行全面检测，部分炉管出现蠕涨超标、裂纹、鼓包、变形等严重缺陷，对存在缺陷的112根炉管进行了更换。本次改造，更换了192根优化出口管段结构的新炉管，利旧96根2014年已更换的旧炉管，彻底消除应力集中问题，消除安全隐患。
1.2 更新冷壁出口集合管，消除集合管超温隐患
冷壁出口集合管也是本装置的安全隐患之一。制氢转化炉采用以下工艺流程：原料气在转化炉中经反应后生成转化气，转化气由下尾管导入3根冷壁下集合管，最后汇入1根冷壁输气总管。冷壁出口集合管外壳采用20R钢，内衬两层衬里，外层为轻质隔热衬里，工作层为刚玉质耐磨衬里。2013年大修时发现衬里裂纹较2009年大修时有所增多，并且裂纹深度加深；2014年抢修时发现下尾管与下集合管平形封头焊接后多处出现裂纹，无法打磨消除，并出现金属尘化现象；2017年大修改造前委托第三方对集合管衬里进行寿命评估，使用寿命已至末期。大修改造前转化炉大集合管最高壁温为250℃，设计温度为180℃，已严重威胁到安全生产，为消除隐患，本次改造更换了3根下集合管和1根输气总管，并优化结构。
1.3 采用滑轮组平衡锤悬吊技术，消除弹簧吊架失效隐患
转化炉炉管弹簧吊架自原始开工以来几乎没有进行过维修保养，每次在开停工过程中经常出现卡涩问题，改造前多台弹簧吊架已失效，影响炉管自由伸缩，导致炉管受力不平衡，而且弹簧吊架位于入口猪尾管和炉顶热风道之间，位置狭窄，无法正常监测弹簧位移和荷载，存在安全隐患。本次改造更换为安全可靠的滑轮组平衡锤悬吊结构，减少机械应力，保证炉管的长周期运行。滑轮组平衡锤悬吊技术相比传统弹簧吊架：简单、可靠、免维护，降低投资；特别适合烘炉时现场通过调节载荷方便有效的调整炉管受力；有利于装填催化剂前后，管系重量变化的拉力调整。
1.4 更改炉底隧道形式，消除炉管受热不均隐患
当转化炉热负荷增大时，烟气量增大，为保证烟气均匀流出辐射室，辐射室炉底隧道形式更改为“步步高”形式。烟气统一从炉底开口进隧道，在隧道内分层流动，各行其道，使烟气进入炉底隧道均匀、流畅，没有短路现象。新形式的炉底隧道使转化炉辐射室温度场分布均衡，防止烟气偏流，保证炉管受热更均匀。
2 提高热效率改造方案
2.1 更新空气预热器模块，降低排烟温度
转化炉是制氢装置的能耗大户，空气预热器让助燃空气与转化炉的高温烟气进行换热，不仅可以降低排烟温度，而且可以提高炉膛温度，节省燃料，提高转化炉热效率。按照中石化《加热炉管理规定》“最终排烟温度一般应不大于150℃。如燃料含硫量偏离设计值较大，则应进行烟气露点测试，然后确定加热炉合理的烟气排放温度（一般应髙于露点温度20℃～30℃）”的要求，转化炉排烟温度长期高达190℃，这是影响热效率的重要因素。
低温段空气预热器改造前采用热管式空气预热器，由于热管存在年久失效、积灰结垢和高温爆管等弊端，导致热管空气预热器换热效果越来越差，使转化炉热效率的进一步提高受到限制。本次改造采用成熟可靠的铸铁板式空气预热器代替热管空气预热器，具有较强的抗低温露点腐蚀和耐磨损性能，可以实现长周期高效运行。高温段空气预热器式空气预热器改造前设计流通截面很小，与整个对流段流通截面不协调，经常“卡脖子”，导致烟气流通面积小流速高换热效果差，压降超出设计范围，同时在引风机满负荷工作的情况下，还经常出现辐射室炉膛正压的情况，具有较大安全隐患。本次改造更新的高温空气预热器模块扩大烟气流通截面，与前后换热段协调统一，不再形成“卡脖子”现象，将烟气侧压降严格控制在1000Pa以内，并将空气预热温度由450℃提高到500℃，最大限度回收烟气余热。
2.2 增加炉管伸缩保温套，减少炉管散热损失
改造前转化炉管伸出炉顶的炉管呈裸露状态，这部分炉管加上炉管受热后膨胀伸出的部分散热量非常大，还有高温伤人的隐患。本次改造采用LPEC的伸缩保温套专利技术，解决了动态保温问题，减少炉管散热损失，降低炉顶环境温度，从细节上做到节能减排。该软密封套采用非金属波纹膨胀节吸收炉管的热胀冷缩位移量，保温套可以随炉管水平侧向移动，也可以随炉管的热胀冷缩轴向有规律的伸缩。炉管冷态时，柔性波纹膨胀节很规整的折叠在一起，炉管由冷态到热态变化时，炉管热胀上移，拉动柔性波纹膨胀节的多个V形波逐波展开，随炉管自由伸展；炉管热态时，柔性波纹膨胀节保持很规整的伸展形态；炉管由热态到冷态变化时，炉管冷缩下移压迫柔性波纹膨胀节的多个V形波逐波收缩折叠，随炉管自由回缩，当炉管再由冷态到热态变化时，柔性波纹膨胀节又随炉管自由伸展，不需要人工干涉，如此循环往复。这样，无论冷态或热态炉管各部分均有保温套覆盖保温隔热。
2.3 改造辐射室炉底衬里，减少炉体散热损失
改造前辐射室底部环境温度非常高，除了受下部冷壁集合管超温的因素影响之外，辐射室炉底钢结构温度高也是重要因素之一。大修时检查发现炉底衬里浇注料存在贯穿性裂纹，主要原因是炉底衬里出现老化强度下降，同时炉底衬里施工时未按施工要求留有膨胀缝导致浇注料开裂，考虑到本次检修同步拆除旧炉底隧道，检修空间扩大方便作业，本次改造集中更换炉底及炉墙衬里，使辐射室炉底壁温符合《一般炼油装置用火焰加热炉》规定中“零风速、环境温度27℃的情况下，辐射段底部表面温度≯90℃”的要求，消除安全隐患，减少散热损失，提升加热炉效率。同时，对炉墙衬里表面喷涂耐高温反辐射涂料，使炉管再次吸收辐射热量，节能降耗，提升经济效益。
3 改造效果
制氢转化炉设计热负荷为110.22MW，占全厂加热炉总负荷的17.3%，因此，转化炉热效率的高低，对全厂加热炉的热效率影响很大。大修改造后，炉效由88%提高至91%以上，热负荷可节约2MW以上，按燃料热值34MJ/Nm3计算，节省燃料量212Nm3/h，按燃料气价格3元/Nm3、年开工时数8400小时计算，每年可节约燃料费用534万余元，创造了可观的经济效益，全厂加热炉的整体水平也上升了一个新台阶。
参考文献：
[1]张月平，刘海洋，李树卓，娄庆海，王德瑞.转化炉管的软密封技术[J].炼油技术与工程，2012，42（12）：39-42.
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