葉勝利

(東華工程科技股份有限公司，合肥 230024)

高壓蒸汽是化工裝置中的重要驅(qū)動源。在某些場合的驅(qū)動源選擇中，如大型離心壓縮機(jī)組的驅(qū)動，更傾向于采用蒸汽透平，以達(dá)到節(jié)能降耗的目的。驅(qū)動大型離心機(jī)組需要高熱焓的蒸汽，蒸汽的熱焓高，即意味著蒸汽的溫壓高，蒸汽管網(wǎng)的危險系數(shù)也隨之提高。因此，在化工裝置中，各級蒸汽管網(wǎng)的動態(tài)平衡以及無擾動轉(zhuǎn)換至關(guān)重要。

1 應(yīng)用場合

以天然氣為原料的某甲醇裝置中，合成氣壓縮機(jī)透平蒸汽來源于高壓蒸汽管網(wǎng)，管網(wǎng)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 蒸汽管網(wǎng)系統(tǒng)示意

圖1中，PIC為減壓控制回路，PV閥為透平旁路閥，在管網(wǎng)正常運(yùn)行中，透平旁路閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)A定量跟蹤FIC-006的給定流量，即透平的實(shí)時蒸汽消耗量與經(jīng)過透平旁路閥蒸汽流量之和。PIC-003通過控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)B實(shí)現(xiàn)高壓管網(wǎng)壓力的微調(diào)。當(dāng)透平跳車時能在0.5 s內(nèi)快速打開透平旁路閥，將透平消耗的蒸汽等量切換至旁路閥，此時的蒸汽量為原旁路流量與透平跳閘時透平流量之和，透平旁路閥也沒有完全打開，實(shí)現(xiàn)透平跳車時高壓蒸汽快速、無擾動地從透平切換至旁路系統(tǒng)，確保高、中壓蒸汽管網(wǎng)壓力穩(wěn)定、無擾動。

如果不能實(shí)現(xiàn)上述控制功能，在透平跳車時，旁路閥將會在瞬間全部打開，使高壓蒸汽快速排放至中壓蒸汽管網(wǎng)，導(dǎo)致鍋爐汽包水位急劇下降甚至“干鍋”而發(fā)生事故，同時高壓蒸汽的快速排放會導(dǎo)致中壓蒸汽管網(wǎng)的壓力迅速升高，極易造成中壓蒸汽管網(wǎng)超壓事故?？梢姡月烽y運(yùn)行正常與否直接影響到整套裝置的安全生產(chǎn)。

該裝置工藝條件苛刻，Tmax=525℃，pmax=11.5 MPa，透平旁路閥前后壓差大；控制回路復(fù)雜，有溫度控制、壓力控制、減壓閥的閥位跟蹤及聯(lián)鎖控制等；精度要求高、速度快。因此，需設(shè)置一套安全、可靠的控制設(shè)備來滿足該裝置工藝控制的復(fù)雜要求，以確保裝置正常運(yùn)行。

2 閥門結(jié)構(gòu)形式

閥門采用角形結(jié)構(gòu)形式，閥體呈流線型弧形，整體鍛造，適應(yīng)旁路高低溫冷熱交替運(yùn)行要求；閥體選用了高強(qiáng)度，耐高溫、高壓的合金鋼；閥體、閥座均使用斯鈦萊合金材料，做硬化處理，耐磨、耐沖刷。采用雙頭氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，調(diào)節(jié)精度高，動作速度快。

高壓蒸汽通過4級減壓襯套，平穩(wěn)降壓，噪聲低，減輕高壓降產(chǎn)生的沖擊及噪聲，在3%～100%任何調(diào)節(jié)開度下，在閥體1 m以外，噪聲可保證低于85 dB。

3 使用過程

3.1 開車工況

透平啟動前，主氣門及透平調(diào)節(jié)門均處于關(guān)閉狀態(tài)，鍋爐正常運(yùn)行后，操作人員將依據(jù)高壓蒸汽管網(wǎng)的升壓曲線，通過管網(wǎng)壓力控制器手動慢啟透平旁路閥。當(dāng)高壓蒸汽達(dá)到透平啟動的工況參數(shù)條件時，開啟透平主氣門，并通過透平調(diào)節(jié)門依據(jù)透平升速曲線逐步開啟透平調(diào)節(jié)門，同時，通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)B手動緩慢關(guān)小透平旁路閥(此時已有蒸汽通過透平，執(zhí)行機(jī)構(gòu)A的定位器所收到的控制信號是透平進(jìn)口流量與通過透平旁路閥流量之和所對應(yīng)的閥位信號，實(shí)現(xiàn)流量的跟蹤與定位；執(zhí)行機(jī)構(gòu)B的定位器則接收到高壓蒸汽管網(wǎng)壓力控制信號，對透平旁路閥進(jìn)行調(diào)節(jié))。透平正常運(yùn)行后將壓力控制器切換至自動控制狀態(tài)。

3.2 正常工況

執(zhí)行機(jī)構(gòu)A始終跟蹤透平進(jìn)口瞬時流量及此時透平旁路閥閥位的變化，以透平進(jìn)口瞬時流量信號與透平旁路閥流量之和所對應(yīng)的閥位信號不斷修正其限位位置。執(zhí)行機(jī)構(gòu)B接收來自DCS的高壓蒸汽管網(wǎng)壓力控制信號，實(shí)時控制閥門開度，使高壓管網(wǎng)蒸汽壓力穩(wěn)定。

3.3 減負(fù)荷工況

透平減負(fù)荷時，高壓蒸汽管網(wǎng)壓力將會隨之升高，執(zhí)行機(jī)構(gòu)B將依據(jù)控制信號開大透平旁路閥開度，使剩余高壓蒸汽通過透平旁路閥減壓至中壓蒸汽管網(wǎng)。此時，中壓蒸汽管網(wǎng)的溫度也會隨之升高，減溫閥將依據(jù)中壓蒸汽溫度控制信號開大減溫閥，增大噴水量，使中壓蒸汽溫度穩(wěn)定在340℃。

3.4 事故工況

透平故障時，執(zhí)行機(jī)構(gòu)B接收到故障聯(lián)鎖信號，迅速打開電磁閥，放出氣缸內(nèi)儀表空氣，壓縮彈簧將在0.5 s內(nèi)完全釋放并帶動閥桿(閥芯)至執(zhí)行機(jī)構(gòu)A的閥位定位處，使高壓蒸汽全部通過透平旁路閥減壓至中壓蒸汽管網(wǎng)，完成無擾動切換后，由于通過透平的蒸汽量為0，執(zhí)行機(jī)構(gòu)A將直接接收高壓蒸汽流量控制信號，對高壓蒸汽進(jìn)行自動控制。而執(zhí)行機(jī)構(gòu)B由于氣缸已放空將不再起控制作用。

如圖2所示，執(zhí)行機(jī)構(gòu)A的限位是通過耦合彈簧的儲能實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)B接受到透平跳車信號后，在氣源卸放和耦合彈簧儲存能量共同作用下，使整個閥桿向右移動至執(zhí)行機(jī)構(gòu)A限定的位置，從而實(shí)現(xiàn)了閥門快開至?xí)r刻跟蹤的位置。

圖2 閥門工作原理示意

3.5 重新開工工況

執(zhí)行機(jī)構(gòu)B接收到透平復(fù)位信號后，自動關(guān)閉氣缸的排氣電磁閥，進(jìn)入透平啟動前的工作狀態(tài)，然后重復(fù)“開車工況”動作過程。

4 存在的問題及解決方法

1) 在裝置開車初期，轉(zhuǎn)化爐已運(yùn)行，但產(chǎn)出的工藝氣還不能直接進(jìn)入合成塔，即此時合成氣壓縮機(jī)并未運(yùn)行，轉(zhuǎn)化廢鍋產(chǎn)生的蒸汽全部進(jìn)入高壓蒸汽管網(wǎng)，雖然此時蒸汽流量并不大，但經(jīng)過長時間流量的累積，高壓蒸汽管網(wǎng)仍可能達(dá)到很高的壓力，特別是在管網(wǎng)升壓的末期，壓力升高較快，當(dāng)發(fā)現(xiàn)PIC-003控制器輸出逐漸加大，但高壓蒸汽管網(wǎng)壓力并未下降的時候，此時需要將FIC-006控制回路置手動，手動輸入較大的SP值，方可將執(zhí)行機(jī)構(gòu)A的限位位置后移，避免高壓蒸汽管網(wǎng)超壓。

2) 當(dāng)透平跳車信號觸發(fā)后，減壓閥的給定開度將由PIC控制器的輸出切換至加法器輸出的運(yùn)算開度。此時加法器的信號源采用的是FIC的流量追蹤信號和PIC的控制器輸出信號。因信號線路衰減等因素，此時減壓閥的實(shí)際閥位與PIC的輸出值會有微小偏差。當(dāng)跳車信號觸發(fā)后，如果給定的開度信號仍是FIC的流量追蹤信號與PIC控制器輸出信號之和，將會破壞掉原PIC控制回路的動態(tài)平衡。因此，建議將PIC控制器輸出信號改為PV閥位回訊信號，以更好地實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)無擾動切換的要求。閥門的控制原理如圖3所示。

圖3 閥門控制原理示意

5 與其他方案比較

以上方案的核心是通過閥門雙頭氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)間的耦合彈簧兩側(cè)執(zhí)行力的計算，從閥門硬件上實(shí)現(xiàn)了對蒸汽透平消耗汽量的動態(tài)跟蹤，從而保證了在透平事故工況下，高壓蒸汽定量無擾動切換的實(shí)現(xiàn)。

目前在類似工況下，也有采用DCS對透平消耗蒸汽量對應(yīng)的閥位進(jìn)行動態(tài)跟蹤，當(dāng)發(fā)生透平跳車后，觸發(fā)一RDO信號將旁路閥的壓力控制回路強(qiáng)制至手動狀態(tài)，并要求閥門在1 s之內(nèi)開至DCS跟蹤的閥位開度，維持5 s左右，壓力控制回路手動控制切換至自動控制。該方案的核心是氣路附件中的放大器與特殊閥門定位器的搭配，要求在開車前調(diào)試過程中認(rèn)真記錄閥門從全關(guān)至全開的時間，反復(fù)驗(yàn)證。在開車實(shí)際運(yùn)行中，也應(yīng)根據(jù)閥門的閥位開度反饋時間趨勢曲線進(jìn)行閥門快開性能驗(yàn)證。

6 結(jié)束語

綜上所述，透平旁路閥在該裝置的蒸汽動力平衡中起著極其重要的作用，是整個蒸汽管網(wǎng)的調(diào)節(jié)核心，該閥運(yùn)行的好壞直接影響到蒸汽管網(wǎng)的穩(wěn)定，進(jìn)一步影響到裝置的正常運(yùn)行。

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