合成氨的重点设备危险因素及防范措施.docx

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合成氨的重点设备危险因素及防范措施

合成氨的重点设备、危险因素及防范措施

　一、重点部位及设备

（一）重点部位

　　1.转化系统

　　转化系统由二段转化炉、二段转化炉、废热锅炉以及燃料燃烧、烟气废热回收设备组成。

高温设备集中，一段炉炉膛高达1300℃，二段炉出口950℃，废热锅炉产生IOMPa（表）高压蒸汽。

设备内为易燃、易爆气体，压力达4MPa（表）。

　　转化系统是装置中的高温区，其特点是高温、高压、易燃、易爆、有毒。

若发生超温，易造成设备损坏，工艺气体泄漏，而引发重大火灾，爆炸事故。

　　2．合成系统

　　合成系统由合成塔、水加热器、热交换器、冷交换器、水冷器、氨冷器、氨分离器等高压设备组成。

是装置中高压设备集中的区域。

设备压力等级一般为20～25MPa（表）。

设备内工艺介质为H2、N2、NH3等。

　　由于压力高，设备发生泄漏，易造成火灾、中毒、爆炸事故。

如设备存在缺陷或产生氢脆、产生裂纹，在发生物理爆炸的同时，还可发生化学爆炸，往往造成灾难性的后果。

（二）重点设备

　　1.一段转化炉

　　一段转化炉承担着将原料烃类与蒸汽发生反应制取原料气的任务。

其操作、运行是否正常影响到整个装置的安全运行，是装置中结构复杂，操作条件苛刻的关键设备。

一段转化炉曲辐射段、对流段及燃料系统组成。

辐射段一般有几百根转化炉管，炉管内装填催化剂，烃类与水蒸气在炉管内反应。

炉管外用燃料气（油）燃烧形成的火焰直接加热，炉管外壁温度高达900-950℃，炉管内压力为4MPa（表），运行条件比较苛刻。

对流段为有效回收热能，采佣多种工艺物料与烟气换热，换热方式较复杂。

一段转化炉在生产中，如发生催化剂中毒、结碳，水碳比失调，燃料系统故障、炉管超温等都可造成事故。

如发生设备损坏、泄漏还可引发重大火灾、爆炸事故。

　　2．压缩透平机组

　　合成氨装置有合成气压缩机、氨气压缩机、工艺空气压缩机、原料气压缩机四大机组采用离心式多级压缩机组，用蒸汽透平驱动。

原料气压缩机压缩气体为天然气或干气，出口压力4MPa（表）；氨气压缩机压缩气氨，出口压力1．6—1．8MPa（表）；工艺空气压缩机压缩空气，出口压力4MPa（表）；最重要的是合成气压缩机，压缩气体为H2、N2气体，出口压力—般为20—25MPa（表），采用10MPa（表）高压蒸汽透平驱动，转速可达11000r／min，被称为合成氨装置的“心脏”。

　　大机组一般在高温、高压、高转速下运行，密封、润滑条件要求高，调节控制系统复杂。

运行中如发生喘振、气体带液、轴瓦磨损、密封损坏、轴位移高等都可造成机组故障。

由于结构复杂，维护保养、检修安装要求高。

如维护不当，检修安装未达到精度标准，也容易发生设备故障。

而四大机组均为单系列运行，无备用机组，任何一台机组的停机，都可造成全装置停车。

而且泄漏出来的NH3、H2、N2，原料气还可造成重大的火灾、爆炸、中毒事故。

　　3．合成塔

　　合成塔是装置的主要设备，氢气与氮气在合成塔内反应生成氨。

合成塔是高温、高压设备，工作压力20～25MPa（表），反应温度500℃左右。

由承受高压的外壳及承受高温的内件组成。

内件由热交换器及触煤筐组成，触煤筐内充填合成触煤，内件结构比较复杂。

　　合成塔运行中，如发生触煤中毒、触煤超温、入塔H2／N2比失调等，可造成装置运行正常或停车。

塔内件如压差过大，可引起内件变形，而造成重大设备事故。

　　氮气、氢气在高温、高压下会对金属材料发生渗氮、氢脆脱碳腐蚀。

外壳发生超温，是十分危险的，可使设备材料遭受破坏，造成灾难性的后果。

　　二、危险因素分析及其防范措施

　　合成氨装置采用的原料、燃料、过程产物及产品大多为甲类、乙类火灾危险性物质，其中还有有毒物质，操作又在高温、高压下进行。

其生产特点为：

高温、高压、易燃、易爆易中毒。

由于主要设备为单系列，因而设备一旦发生故障，往往会造成全装置停车。

故障处理不当，甚至造成重大事故发生。

（一）装置事故统计分析

　　我国70年代引进的大型合成氨装置，在生产初期曾频繁发生事故。

自1977年至1979年三年间，十一套装置曾发生人身伤亡事故43次，重大停车事故307次。

停车事故中以设备事故最多，停车次数为199次，占事故总数的64．82％。

详见表7—5。

　　设备重大停车事故共199次，按设备类别分，见表7—6。

　　其中，主要设备发生重大停车事故54次，以合成气压缩机发生停车事故最多，为30次。

详见表7—7。

　　我国大型合成氨装置投产初期，催化剂发生损坏的事故也较多。

1977年到1980年四年期间，13套大型合成氨装置八种催化剂中七种催化剂更换了58次。

其中，因事故更换23次共760.02t，按计划更换35次共1316.66t，事故更换催化剂占总更换量的36.6％。

整炉更换共46炉。

其中，事故更换13炉，计划更换33炉。

事故更换次数最多的是一段转化催化剂。

详见表7—8

（1）。

　　从上述统计可以看出，我国大型合成氨装置生产初期，装置重大停车事故频繁发生，按每厂、每年平均停车事故次数计达12.79次，平均每厂每月停车一次以上。

停车事故中以设备事故占的比例大，损失也大。

而主要设备停车事故又以合成气压缩机事故次数最多。

同时，催化剂损坏事故也较多，经济损失也大。

其中，一段转化炉催化剂事故更换次数为最多。

　　装置运行进入正常期后，事故次数大幅下降，装置实现了安全、稳定、长周期运行，长周期运行都达到一年以上。

从石化总公司所属企业1983年到1993年11年间发生的774例典型事故看，合成氨装置为36例（大型合成氨装置22例，中型合成氨装置14例），占总次数的4.65％。

10套大型合成氨装置发生的22例典型事故中，人身事故2例，设备及生产操作事故20例，按每厂、每年事故次数计已不足一次。

20例事故按设备部位分类见表7—9。

　　由表可见，一段转化炉（气化炉）事故次数为最多。

发生催化剂损坏事故共5次。

其中，一段转化催化剂事故更换4次，合成催化剂更换1次。

　　从上述合成氨装置事故统计情况，可以看出装置中易发生故障的部位和危险因素。

现分析如下：

（1）合成氨装置投产初期为事故多发期。

重大停车事故中，以设备事故次数最多，生产操作事故次之。

事故发生情况表明，设备存在缺陷、维护不当、违章作业是造成事故多发的主要原因。

通过切实做好设计、制造、施工、生产准备等前期工作，可减少事故的发生。

（2）投产初期设备事故中，仪表造成停车事故多。

主要是自动控制、自动联锁采用常规仪表，故障率高，使用、维护又不当造成的。

通过采用集散型控制系统（DCS）及故障安全控制系统（PSC），可减少因仪表故障造成的重大停车事故。

　　（3）投产初期重大设备停车事故中，转动设备造成事故最多。

四大机组中又以合成气压缩机为最多。

合成气压缩机发生的事故中，以烧轴瓦事故次数为最多，以透平转子断叶片事故最为典型。

事故主要原因是维护不当和设备存在缺陷。

只要把好设备设计、制造、安装试车关，可避免此类事故的发生。

　　（4）装置生产正常稳定后，各类事故大幅下降，但转化（气化）系统事故次数下降幅度不

　　大，成为事故多发部位。

主要是一段转化催化剂中毒、结碳和设备内部爆炸等事故，事故损失大，危害大。

因此，转化（气化）单元是装置重点危险部位，对其在开、停工及正常生产中，存在的各种危险因素应采取重点防范措施。

　　（5）装置使用的催化剂种类多，催化剂事故更换，在生产事故中一直占有不小的比例；其中，以一段转化催化剂事故更换次数最多。

造成催化剂损坏的原因，除设备故障影响外；绝大多数是在开、停工过程中，违章作业、维护使用不当引起的。

因此，在开、停工中，应按催化剂操作规程的要求采取防范、保护措施。

　　（6）合成氨高压系统发生重大事故的次数较少，重大设备事故主要是密封面发生泄漏及合成塔内件损坏。

其中，合成塔内件损坏事故由于经济损失大，装置停工时间长，应重点预防。

事故发生的主要原因是设备存在缺陷，加上操作不当（如：

升温快、压差大）引起的。

（二）开停工危险因素分析及其防范措施

　　1．开工时危险因素分析及其防范措施

　　开工过程中，装置设备（管道）要引入各种工艺介质进行吹扫、置换，工艺介质的温度压力也要逐步从常温、常压提到规定的指标值。

开工中各种催化剂要进行升温、还原达到“活化态”。

开工中，操作繁杂、步骤多、操作参数变化大、要求高、环节多、时间长。

因而，操作不当，极易发生事故。

现将开工操作中，存在的主要危险及防范措施分析如下：

（1）设备（管线）吹扫、置换、送气（液）操作

　　设备（管线）进行吹扫、置换、送气操作是开工中前期操作。

在这一阶段中，如设备（管线）未吹扫干净就投入运行，在运行中杂质会堵塞管道或损坏阀门的密封面。

如果蒸汽、润滑油系统存在杂质，将是十分危险的，杂质随蒸汽进入透平会造成叶片损坏；杂质进入轴瓦会造成轴瓦磨损。

　　设备（管线）在开工中，必须用工艺介质置换合格。

上一工序工艺介质未合格前不能进入下一工序，否则会影响下一工序的正常运行，甚至造成事故。

特别要禁止用可燃气直接置换空气，以免发生爆炸。

1975年某化肥厂，焦炉气压缩机未经置换，就用来压缩空气。

开车过程中，三段缸系统产生爆炸，造成设备损坏、人员伤亡。

　　防范措施：

一是吹扫、置换必须按操作规程操作。

并经检验、分析后，才能确认合格；二是操作前要检查有关的阀门（盲板）开关状况是否符合要求。

三是吹扫、置换排放口要有安全设施（或标记），防止发生意外事故。

四是定期清洗各种过滤器。

（2）设备（管道）升温、升压

　　设备（管道）从常温、常压升到操作温度、操作压力时必须保持一定速率。

升温、升压过快产生的热应力、压力降会损坏设备，可造成重大事故。

1992年某化肥厂发生一起合成塔内件损坏和触煤报废事故，事故造成直接经济损失220.3万元。

事故原因：

一是合成塔内件中心管处存在轴向力；二是合成塔升温速度过快。

　　设备（管线）升温操作中，工艺气体（特别是水蒸气）产生的冷凝液，应及时排除（送液时要注意排气）。

如排液不及时，气体带液，可造成“水击”损坏设备。

1985年某化肥厂，开工前，由于火炬系统的水分离器脱水盲板未折除。

开工后，大量工艺气放空，放空管内积水，“水击”致使部分管道从管架上坠落，并拉坏火炬。

　　设备（管线）升压前，还要认真检查有关的阀门（盲板），防止发生窜气、倒液而造成事故。

特别是气（液）窜人装有催化剂的设备内时，还会损坏催化剂。

1989年某化肥厂检修后开车，中压蒸汽进行管网暖管、送汽、升压时，由于两只蒸汽阀门未关，蒸汽进入冷态一段转化炉，造成一段转化催化剂水合粉碎。

被迫全炉更换催化剂。

　　防范措施：

一是严格控制升温、升压速率；二是操作中注意温度、压力、液位的变化；三是作业前，认真检查有关阀门（盲板）开关状况；四是操作中，注意排液（或排气）。

　　（3）加热炉的点火、升温

　　加热炉（一段转化炉、气化炉）点火操作具有一定危险性。

因为点火前，如果炉膛内可燃气浓度已达到爆炸范围，未被置换干净，点火操作往往会造成炉膛爆炸。

1985年某化肥厂，—段炉点火烘炉时，炉膛发生爆炸，直接经济损失11.6万元。

事故后，发现有10个烧嘴燃料气阀门没有关闭。

　　加热炉内一般有耐火衬里，升温速度过快易造成耐火材料产生裂缝、松动、甚至脱落。

开工后往往造成炉外壁超温、变形，而导致发生火灾、爆炸。

1990年某化工厂合成氨装置，气化炉由于升温中炉内产生爆燃振动，耐火砖脱落。

投用后，炉颈过热，焊缝开裂，引起爆炸着火。

　　加热炉升温中，如果炉管内工艺介质流量过低，炉管外壁会超温，可烧坏炉管，也可引发爆炸、着火事故。

　　防范措施：

一是点火前，要确认燃料阀门已关闭；二是炉膛一定要置换，并分析合格；三是控制炉管出口温度，防止工艺介质流量过低；四是严格按升温曲线进行升温、升压操作。

　　（4）催化剂的升温、还原

　　催化剂的升温、还原在开工操作中是十分关键性的操作。

其操作的好坏，将影响催化剂的活