殼牌煤氣化水汽系統投用前的特殊施工措施分析

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(中國五環工程有限公司，湖北 武漢 430223)

殼牌煤氣化工藝主要有：殼牌 SCGP上行氣激冷和殼牌Hybird下行水激冷兩種工藝，煤氣化溫度約1 400～1 600 ℃，氣化爐全部采取阿爾斯通(Alstom)水冷膜式壁雙層氣化爐，氣化爐水冷膜式壁系統既是確保氣化關鍵設備氣化爐平穩運行、粗合成氣降溫的第一道屏障，同時也可充分利用氣化余熱生產工藝裝置所需的中壓飽和蒸汽(271 ℃、5.51 MPa(a))。

水汽系統是氣化爐降溫、產汽的循環系統，包括鍋爐水循環系統、水冷膜式壁、中壓汽包、磷酸加藥系統等。

水汽系統是氣化工序的關鍵系統之一，該系統的平穩良好運行是氣化系統安全穩定運行的基礎和前提。由于水冷膜式壁壁管內部霧化噴嘴口的直徑在Φ6～8mm范圍內，系統內微小物質的堆積、顆粒狀(不規則和規則)物體、耐高溫軟體物質等都將對壁管的長期穩定運行造成嚴重安全隱患。水汽系統投用前采取的一系列特殊施工措施，將決定項目施工建設周期和生產裝置長期連續穩定運行。

本文以殼牌Hybird下行水激冷工藝氣化裝置水汽系統特殊施工措施和系統投用為例進行分析。

1 水汽系統投用前的施工作業流程

水汽系統投用前的施工作業流程見圖1。

圖1 水汽系統投用前施工作業流程

2 水汽系統關鍵設備安裝、調試

水汽系統關鍵設備主要由氣化爐、中壓汽包、中壓循環水泵、磷酸加藥裝置組成。設備安裝施工工藝流程見圖2。

圖2 設備安裝施工工藝流程

2.1 設備安裝前準備

(1)核對會審相關專業設計文件，核查設備地腳螺栓，核對設備接管支管尺寸和開口方位。

(2)按照設計文件和設備采購合同技術附件，對開箱驗收的設備本體、設備開車備品備件、設備兩年開車備品備件的數量、外觀質量進行檢查，對設備支管管口的保護措施進行檢查。

(3)設備安裝/吊裝方案上報、審核、批準，重點落實吊裝方案的各項措施。

2.2 設備內部清理及保護

(1)為保障設備內件在運輸過程中不受損害，氣化爐設備內部換熱器熱漲膨脹節、部分外接設備管口膨脹節、膜式水冷壁與爐外殼滑動限位部位等都做了臨時固定和加固，在設備安裝就位檢查合格后，上述部位臨時固定措施按照設備廠家說明逐一拆除，并在有關方見證下，逐一登記。

(2)氣化爐排渣口環形空間與水冷合成氣出口水封面及時做好保護，杜絕任何雜物掉落、遺留至水封夾套內。

(3)氣化爐設備接管口的臨時封閉，尤其是水汽系統接管口，必須做好臨時硬性(鐵板或者木板封堵包扎)封閉，杜絕落物掉入管口內，造成設備膜式水冷壁管堵塞。

(4)中壓汽包、鍋爐管、蒸汽發生器、回液管等構部件內部固定的加固、內部加工鐵屑、鐵銹以及任何制造遺留物全部清理出設備；并在后續進入該設備時做好人員進出、物資和施工機具進出的登記，避免任何物品遺留在設備內。

2.3 機泵單機試車

(1)由于中壓循環水泵機械密封沖洗方式為PLAN 23型，且單機試車初期水汽系統內部會存在較多的施工殘留物、銹皮、焊接飛濺物等微小固體顆粒，必須經水汽系統外循環清洗處理，外循環合格前必須采取外接清潔密封沖洗水。中壓循環水泵揚程66.4 m，外接清潔密封沖洗水的最小壓力選定0.7 MPa(a)。

(2)在單機試車之前應密切觀察機封排氣口，同時在機泵運行期間定期關注該排氣口，避免出現氣體大量擁擠，造成機封損壞的風險。

3 水汽系統管道預制、安裝

水汽系統屬于中壓飽和汽水系統，正常工作溫度范圍在230～280 ℃，正常操作壓力在5.0～6.2 MPa(a)，管材材質一般選擇15CrMoG，管道口徑DN25～450，管材壁厚δ=4.5mm～22mm，焊接達因量約6 800DIN。水汽系統管道施工工藝流程見圖3。

圖3 水汽系統管道施工工藝流程

3.1 管道內外壁噴砂除銹

(1)材料(特指管材、彎頭、三通、大小頭)到場經外觀尺寸和金相組織檢驗合格后，為徹底清除熱軋鋼材及管件內部存在的重皮、氧化鐵皮等凝結塊物不定時地脫落的問題，必須對上述材料開展內壁噴砂除銹，按GB50726—2011除銹等級SA2.5級要求執行。

(2)噴砂除銹后的材料，及時清除管內噴砂材料并封閉管口。

(3)對上述材料的堆放做到下鋪上蓋，杜絕返潮及管內壁二次污染。

(4)嚴格控制噴砂后材料領用的去向，做到使用多少領用多少，做好跟蹤管理。

(5)系統外循環時所需用的臨時管材及管件，同樣必須內壁噴砂處理和保護。

3.2 管道及組成件安裝

(1)管道安裝執行GB 50235—2010金屬管道安裝要求，且所有水汽系統管線焊接必須采取氬弧焊打底。

(2)所有管道儀表一次取源口開孔接管，必須在管道預制期間實施，并及時清除管內孔口毛刺、飛濺、鐵屑，最好選用管道開孔器開孔。

(3)每個預制管節或者管段在預制期間要及時封閉管口，杜絕雜物污染。

(4)禁止將施工機具、焊接材料、消耗材料放入管內存放，避免遺忘。

(5)管道安裝前，必須檢查每根預制管節的管內清潔度之后，才允許點焊及焊接現場固定口。

3.3 管道與設備焊接接管口預留

(1)水汽系統設備連接管線與設備連接管口基本屬于焊接管口，由于設備采用中壓系統，機泵進出口與中壓汽包連接管線可以全部施工，與進出氣化爐水冷壁的管口要全部預留，先行完成設備之間配管，并完成配管系統的外循環清潔清洗后，才允許與氣化爐水冷壁進出口接管連接。

(2)注意水汽系統管道材質與氣化爐水冷壁接管材質的區別，如果存在異種鋼焊接問題，提前做好規劃和焊接工藝評定的制作。

(3)在氣化爐水冷壁接管口預配管期間，可以打開該部分管口的臨時硬性保護，在預制完成后，要及時拆下預制管段，同時恢復氣化爐水冷壁接管口的臨時硬性保護，避免污染氣化爐水冷壁管線和系統。

3.4 水壓試驗后預留管口焊接

(1)該部分管口焊接必須采取100%無損檢測，嚴格控制焊接質量和焊接效率。

(2)滿足GB 50235—2010規定熱處理要求的焊縫，需要對其采取熱處理，確保系統質量安全。

4 系統壓力試驗

由于系統存在較多設備接管口與管道的焊接管口，所以按照GB50235—2010要求，水汽系統的試驗壓力按照試驗壓力計算公式：

PT=1.5P[σ]T/[σ]t

PT為試驗壓力， MPa(a)；P為設計壓力， MPa(a)；[σ]T為試驗溫度下材料的許用應力， MPa(a)；[σ]t為設計溫度下材料的許用應力， MPa(a)。

由于系統已經與中壓汽包設備焊接連通，管道計算試驗壓力和設備強度試驗壓力的較小值可作為系統強度試驗的壓力值，但是前提是設備強度試驗壓力≥PT×77%，并經建設單位或設計單位同意。

5 水汽系統外循環(正反沖洗)

水汽系統外循環是指水汽關鍵設備中壓汽包、中壓循環水泵、磷酸加藥與氣化爐相互之間的管道連接完畢，氣化爐膜式水冷壁接管口除外，膜式水冷壁換熱器進水口分別與出汽口一對一跨接，旁路分離水冷壁，先行完成外部系統循環沖洗清潔，俗稱水汽系統外循環。

正反沖洗是指泵進出口系統對換，正沖洗代表按照正常的工藝操作流程開展機泵運行沖洗作業(泵進出口不變)；反沖洗代表按照正常工作操作的反流程開展機泵運行沖洗作業(泵原進口系統變成目前泵的出口系統，泵原出口系統變成目前泵的進口系統)，正反沖洗就是可以周期性或者不定期性切換泵進出口系統，達到對系統多次正反沖洗，改變系統水流紊流，最大程度避免水流死角，帶出系統內雜物。

水汽系統外循環操作工序見圖4。

圖4 水汽系統外循環操作工序

5.1 氣化爐水冷壁跨接臨時管線的施工

(1)中壓循環水泵進入氣化爐水冷壁換熱器入口管線為PCW1、出口管線為PCW2，其中PCW2連接管口13個，PCW1連接管口14個。

(2)氣化爐水冷壁共計分為上錐頂蓋(1進1出)、上椎體(1進1出)、中間換熱面(4進4出、1個排氣口、2個排污口作為進水口)、燒嘴(4進4出)、下椎體(2進2出)，所以各個換熱面進口與出口相互跨接，1個排氣口與1個排污口跨接，多出1個排污口與下椎體并聯跨接。

(3)同步也相當于采取了跨接口最短距離原則。

(4)所有臨時管線的焊接必須與正式工藝管線焊接質量要求相同，確保內部清潔。

5.2 中壓循環泵進出口正反沖洗臨時管線的施工

(1)正反沖洗的臨時管配置見圖5。

(2)系統的正反沖洗必須同正同反。

(3)做好每根臨時管最低點排水工作，杜絕存在“凹袋”現象，導致不能排放檢查存水清潔度或是否有顆粒等雜物的情況。

(4)所有臨時管線的焊接必須與正式工藝管線焊接質量要求相同，確保內部清潔。

圖5 泵正反沖洗臨時管線配置

注：1—中壓循環水泵；2—泵入口過濾器；3—臨時三通；4—臨時閥門；5—泵入口總分布管；6—泵出口止回閥；7—泵出口總分布管；8—臨時接管

5.3 泵進口管道過濾器的拆洗回裝

(1)泵入口過濾器嚴格按照正常工藝操作參數，前后壓差不得高于40 kPa；任何一臺泵進口過濾器壓差大于該數值時，立即停泵清洗濾網。

(2)管道過濾器由于要經常拆卸，且外循環期間壓力為純靜壓，所以過濾器安裝墊片可以采用不脫落型的聚四氟乙烯板等臨時墊片，不允許使用易脫落碎物型的臨時墊片。

(3)每次拆洗過濾器建議做好記錄，歸類清洗出雜物的種類和數量，以便有效和針對性地確認系統內部清潔度，同時為以后類似項目管道施工積累經驗。

5.4 水汽系統外循環正反沖洗

(1)水汽系統外循環的前提是中壓循環水泵的單機試車和聯動試車等機泵性能保障。

(2)外循環正式開始之前，依靠中壓汽包蓄水對管道系統進行靜壓沖洗，排放口設置在泵進出口分布總管上(盲蓋法蘭處)。

(3)外循環前期可能出現較大面積的系統內雜物堵塞過濾器的情況，同時系統水流也會將雜物帶入設備內部，所以要多次、定期對設備進行內部檢查清理，尤其是泥漿等粉末狀雜物。

(4)外循環前期由于清洗過濾器，需要大面積排水，應在該機泵處設置大型地漏管線，以便有效排水。

(5)外循環正反沖洗要有序開展，根據濾網雜物情況，合理分配調整正反沖洗時間。直至系統在確保泵連續穩定運行24h以上，泵入口過濾器前后壓差與啟泵時基本無變化，濾網上基本無雜物(微小物質的累堆積、顆粒狀(不規則和規則)物體、耐高溫軟體物質)時，可以再開展大流量沖洗。

(6)開展外循環系統大流量沖洗。大流量沖洗是指，中壓循環水泵額定流量是446 m3/h，設備正常操作時是2開1備，為更好提升系統內水流量，在短期內同時啟動3臺水泵，加大系統水沖刷，檢驗是否還有雜物，達到第5條所述情況，即視為外循環合格。

6 水汽系統內循環(正反沖洗)

水汽系統內循環是指水汽系統外循環合格后，連接外循環系統與氣化爐膜式水冷壁進出口管線，帶動水冷壁一起循環，沖洗水冷壁內部，俗稱水汽系統內循環。其工作流程如下。

(1)氣化爐跨接臨時管拆除，工藝管線與氣化爐正式碰口焊接，嚴格執行管道施工要求。

(2)開始內循環的前2天，為更好地形成系統內水紊流，需要開展多次正反沖洗，同樣依據過濾器前后壓差記錄過濾器清洗次數、清洗時間以及內循環大流量沖洗開始的時間等。

(3)內循環大流量沖洗完成后，泵進出口正反沖洗的臨時管線全部拆除，恢復正式工藝管線連接形式。

(4)啟動2臺中壓循環水泵，按照工藝文件要求開展氣化爐水冷壁水流速預測試，確保每根水冷壁管通水流量滿足工藝包供應商的工藝指標。

(5)經多次測量確保每根水流量指標滿足要求后，即代表內循環結束。

7 水汽系統投用

水氣系統內循環合格后，按照工藝商殼牌的工藝文件和氣化爐內件專利商文件要求，正式對氣化爐膜式水冷壁每根水冷壁管進行編號，登記水流量值，即第一次水流速測試，經氣化爐內件專利商分析合格后，即可按照專利商文件要求開展水汽系統兩次煮爐(酸洗鈍化)和第二次水流速測試。水流速第二次測試完成后，代表項目水汽系統完全具備投用條件。

8 結語

殼牌煤氣化裝置水汽系統關系到氣化裝置的建設，既是耗時最長的關鍵線路，也是氣化關鍵設備長期穩定運行的基石。經上述特殊施工措施的執行，中國五環工程有限公司承建的貴州天福、呼倫貝爾金新等多個項目煤氣化裝置未出現氣化爐水冷壁堵塞、水冷壁割管現象，充分驗證了嚴格、有效的施工管理措施和施工過程控制可以高效地完成項目建設目標，確保項目長期穩定運行，同時也為國內外相關氣化裝置的建設運行提供了經驗。