王鑫

(華陸工程科技有限責(zé)任公司，西安 710065)

?

費(fèi)托合成裝置放空系統(tǒng)的自控設(shè)計(jì)方案

王鑫

(華陸工程科技有限責(zé)任公司，西安 710065)

介紹了費(fèi)托合成反應(yīng)器在超溫、汽包液位過(guò)低等緊急情況下，為了降低內(nèi)在壓力并且減緩或停止反應(yīng)而需要的放空控制方案的設(shè)計(jì)原則。詳細(xì)介紹了該特殊工況中控制閥、切斷閥的選型要點(diǎn)，為了保證閥的密封性和抗腐蝕及抗沖刷能力，著重說(shuō)明了閥體材質(zhì)選擇的重要性，閥體加工過(guò)程中需要特殊處理的方法。應(yīng)用表明： 放空系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，操作維護(hù)方便。

費(fèi)托合成裝置緊急放空氣動(dòng)控制閥氣動(dòng)切斷閥

1　概　述

在煤間接液化工藝中，費(fèi)托合成裝置是將合成氣液化成油的核心工段。此工藝過(guò)程大致分為三個(gè)部分： 烴類(lèi)產(chǎn)品收集系統(tǒng)、石蠟收集及反沖系統(tǒng)、反應(yīng)余熱利用系統(tǒng)，其主要工藝流程如圖1所示。其中烴類(lèi)產(chǎn)品收集系統(tǒng)是將反應(yīng)產(chǎn)生的主要產(chǎn)品收集并送至煉油工段的主要工藝過(guò)程。為保證運(yùn)行安全，設(shè)置了不同方式的安全措施，聯(lián)鎖放空就是其中非常重要的一種措施。

2　費(fèi)托合成放空系統(tǒng)的特點(diǎn)

費(fèi)托合成反應(yīng)器中，在壓力2.4MPa，溫度240℃的條件及催化劑的作用下，將氣化工段送過(guò)來(lái)的合成氣通過(guò)合成反應(yīng)液化成高低溫冷凝物、石蠟及其他副產(chǎn)物；未反應(yīng)的合成氣和生成的氣態(tài)副產(chǎn)物通過(guò)反應(yīng)器上端的氣相出口送至二級(jí)反應(yīng)器進(jìn)一步反應(yīng)。在此過(guò)程中不管是由于一些不可控的因素導(dǎo)致的反應(yīng)速度加快，還是汽包中的鍋爐水不足的情況下，有可能導(dǎo)致反應(yīng)熱量無(wú)法及時(shí)移出，都會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)器溫度過(guò)高而引起反應(yīng)速度加快；而費(fèi)托合成反應(yīng)又是一個(gè)劇烈放熱反應(yīng)，從而使反應(yīng)器飛溫失控，將引發(fā)非常嚴(yán)重的后果。因此，在反應(yīng)器溫度過(guò)高情況下，需要對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行緊急停車(chē)以保證裝置安全。聯(lián)鎖動(dòng)作包括切斷反應(yīng)器進(jìn)料以降低反應(yīng)速度和降低系統(tǒng)壓力，以免設(shè)備在過(guò)高溫度狀態(tài)下發(fā)生爆炸事故。降低系統(tǒng)壓力的措施是將系統(tǒng)中的氣態(tài)介質(zhì)通過(guò)緊急放空系統(tǒng)向火炬系統(tǒng)泄放，但是如果將所有氣體全部放掉，合成反應(yīng)器中的漿態(tài)介質(zhì)就有可能被帶入下游裝置，對(duì)下游裝置及反應(yīng)器本身造成很大的損害。因此，需要將放空動(dòng)作發(fā)生后的系統(tǒng)壓力穩(wěn)定于1.0MPa，以避免造成進(jìn)一步的危害和經(jīng)濟(jì)損失。該過(guò)程中放空氣內(nèi)含有各類(lèi)氣態(tài)有機(jī)物、大量的氫氣以及粉型顆粒。

3　控制方案設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的緊急放空形式和手段多種多樣，最常用的方案有使用1路切斷閥和限流孔板組合進(jìn)行放空控制。該種方案由于有限流孔板的加入，雖然可以穩(wěn)速放空，但是對(duì)前系統(tǒng)的壓力沒(méi)有穩(wěn)定作用，會(huì)造成前系統(tǒng)壓力波動(dòng)，且限流孔板的加入又限制了泄壓速度，無(wú)法滿(mǎn)足聯(lián)鎖動(dòng)作發(fā)生后系統(tǒng)迅速泄壓并穩(wěn)壓于1.0MPa的工藝要求。還有的方案使用2路切斷閥并聯(lián)進(jìn)行快速放空，該種方案雖然能迅速降低系統(tǒng)壓力，但是會(huì)對(duì)前系統(tǒng)造成更大的壓力波動(dòng)，因而不能采納。也有使用1路控制閥來(lái)實(shí)現(xiàn)放空控制的方案，但是該種方案又無(wú)法滿(mǎn)足放空回路的嚴(yán)密關(guān)斷要求，并且一般此閥門(mén)的控制常做成HIC手動(dòng)控制放空速度，在合成聯(lián)鎖動(dòng)作發(fā)生時(shí)，操作人員會(huì)因?yàn)樾枰僮鞯膭?dòng)作過(guò)多產(chǎn)生誤操作，引起不必要的設(shè)備和經(jīng)濟(jì)損失。因此，需要設(shè)計(jì)出1套新的方案以滿(mǎn)足以上所有要求。

圖1　費(fèi)托合成裝置流程示意

總體上筆者采取了1個(gè)控制閥和1個(gè)切斷閥串聯(lián)的方式來(lái)滿(mǎn)足工藝需要，如圖2所示。正常操作情況下，電磁閥XV-001和PV-001B處于關(guān)閉狀態(tài)，整個(gè)系統(tǒng)處于PIC-001A的控制中，將壓力穩(wěn)定于2.4MPa。在聯(lián)鎖放空動(dòng)作發(fā)生時(shí)，XV-001電磁閥失電，PV-001A電磁閥失電，并改為手動(dòng)，切斷進(jìn)入壓縮機(jī)的合成氣。閥PV-001B開(kāi)度強(qiáng)制打至100%，并將控制改為手動(dòng)，使合成氣迅速向火炬系統(tǒng)緊急泄壓;當(dāng)壓力值低于1.2MPa時(shí)，閥PV-001B與PT-001組成的放空狀態(tài)壓力調(diào)節(jié)回路PIC-001B介入控制，閥PV-001B的控制方式改為自動(dòng)，控制向火炬系統(tǒng)的合成氣泄放量，使整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定于1.0MPa的壓力。

4　費(fèi)托合成放空系統(tǒng)自控方案

4.1檢測(cè)儀表的選擇

如圖2所示，參與放空系統(tǒng)聯(lián)鎖動(dòng)作的檢測(cè)儀表由反應(yīng)器溫度測(cè)量元件、汽包液位測(cè)量元件以及高壓分離器壓力測(cè)量元件組成。反應(yīng)器的溫度測(cè)量元件采用鎧裝鉑熱電阻，考慮到反應(yīng)器中的介質(zhì)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，其插入深度不宜太長(zhǎng)，通過(guò)對(duì)套管共振頻率的計(jì)算，確定使用400mm的插入深度?？紤]到反應(yīng)器體積比較大，有可能出現(xiàn)催化劑堆積導(dǎo)致局部溫度上升，因而全反應(yīng)器共設(shè)48個(gè)溫度測(cè)量點(diǎn)，采取48取3的方式來(lái)判斷反應(yīng)器是否發(fā)生溫度過(guò)高的情況。汽包液位采取三沖量調(diào)節(jié)控制方式，其液位主測(cè)量元件為2塊差壓變送器，輔以1塊磁致伸縮液位變送器，在正常操作過(guò)程中3塊儀表測(cè)量數(shù)據(jù)取中值進(jìn)行控制，聯(lián)鎖動(dòng)作發(fā)生時(shí)，3塊儀表組成“2oo3”的表決邏輯結(jié)構(gòu)進(jìn)行邏輯判斷。由于高壓分離器中的氣相介質(zhì)組成較復(fù)雜，其中含有許多酸性成分，因而分離器的壓力采用隔膜密封式壓力變送器進(jìn)行測(cè)量。為了應(yīng)對(duì)固體粉末對(duì)取壓口的堵塞可能，膜片結(jié)構(gòu)采取插入式結(jié)構(gòu)。由于高壓分離器中含有大量氫氣，因而膜片為了防止氫氣滲透現(xiàn)象需做鍍金處理。

4.2控制系統(tǒng)方案

為了滿(mǎn)足工藝過(guò)程對(duì)放空環(huán)節(jié)的聯(lián)鎖及控制要求，采用安全儀表系統(tǒng)(SIS)來(lái)執(zhí)行聯(lián)鎖動(dòng)作。根據(jù)IEC 51508和IEC 61511規(guī)定，為了保證SIS能夠正常地執(zhí)行安全功能，必須確定合理的安全完整性等級(jí)(SIL)，有效地評(píng)估功能安全，避免SIS的拒動(dòng)作與誤跳車(chē)。

由于放空系統(tǒng)的聯(lián)鎖動(dòng)作是在SIS動(dòng)作發(fā)生后，并向DCS發(fā)出信號(hào)，由DCS完成后續(xù)控制，因而SIS和DCS之間需要進(jìn)行信號(hào)通信。該項(xiàng)目采取硬線連接的方式，并且為防止柜間接線松動(dòng)所導(dǎo)致的信號(hào)傳輸失誤，每組硬接線由3根物理線組成，形成“三取二”的冗余結(jié)構(gòu)。SIS獨(dú)立于DCS設(shè)置，可與DCS通過(guò)硬接線進(jìn)行通信，并控制DCS相應(yīng)回路在聯(lián)鎖動(dòng)作發(fā)生時(shí)進(jìn)行切換，但DCS不能通過(guò)數(shù)據(jù)鏈向SIS寫(xiě)入數(shù)據(jù)。SIS采用冗余電源，由獨(dú)立的雙路配電回路供電。

圖2　放空系統(tǒng)串聯(lián)控制方式

4.3閥門(mén)的選擇

4.3.1控制閥的選擇

在控制閥的選擇上，一般放空系統(tǒng)經(jīng)常使用籠式單座閥的結(jié)構(gòu)形式，以減小放空閥門(mén)前后大差壓對(duì)閥門(mén)造成的負(fù)荷和形成的噪音。但是單座閥在大口徑管道上的應(yīng)用會(huì)造成執(zhí)行機(jī)構(gòu)體積過(guò)大，并且制造成本太高的問(wèn)題，因而在此位置選用三偏心蝶閥。三偏心蝶閥在全行程調(diào)節(jié)性能上不如單座閥，但是在放空系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)的過(guò)程中，可以將閥門(mén)開(kāi)度控制于三偏心蝶閥調(diào)節(jié)曲線較好的區(qū)間內(nèi)；對(duì)于噪聲過(guò)大的問(wèn)題，可以使用相關(guān)的降噪元件來(lái)解決。因此，三偏心蝶閥完全可以滿(mǎn)足此處的需求。

考慮到此閥門(mén)是該裝置中使用條件要求非?？量痰母邏嚎刂崎y門(mén)，必須保證閥門(mén)有可靠的調(diào)節(jié)性能，同時(shí)閥內(nèi)件要滿(mǎn)足耐磨蝕、防顆粒抱死、抗氣蝕、閃蒸等苛刻工況，因而三偏心蝶閥閥板材質(zhì)選用不銹鋼CF8M。由于閥板長(zhǎng)期暴露在流道中，為了防止高速介質(zhì)對(duì)密封面的損傷，所以閥板邊緣用鈷基合金進(jìn)行硬化處理，以保護(hù)密封副并延長(zhǎng)使用壽命?？紤]高壓及高壓降工況，該閥門(mén)依據(jù)工藝壓力參數(shù)計(jì)算選擇自對(duì)中可拆卸閥內(nèi)件。內(nèi)件材料選擇基材不銹鋼加鈷基合金硬化，閥桿選擇不銹鋼

硬化鉻，更好地滿(mǎn)足高壓耐磨抗腐蝕及部分氫氣介質(zhì)的氫脆等問(wèn)題的要求。

4.3.2切斷閥的選擇

控制閥雖然選擇了特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的三偏心蝶閥，但是因其自身的結(jié)構(gòu)弱點(diǎn)，在放空動(dòng)作發(fā)生后依然有可能被固體介質(zhì)劃傷密封面從而導(dǎo)致密封等級(jí)達(dá)不到CLASSⅥ的密封要求，因而需要在控制閥前設(shè)置一道能夠更好耐受固體介質(zhì)沖刷的切斷閥來(lái)對(duì)整個(gè)放空回路進(jìn)行嚴(yán)密關(guān)斷。通常放空使用的切斷閥有球閥和雙平行閘板閥兩種選擇。鑒于此處所需閥門(mén)的特殊性及重要性，考慮到球閥的加工及使用條件限制較多，因而選用雙平行閘板閥。

雙平行閘板閥作為放空切斷閥，具有結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢(shì)。采用兩片分離式閥板，中間用彈簧結(jié)合在一起，這種結(jié)構(gòu)在關(guān)閉瞬間利用流體壓差自密封，減少楔形密封面和閥座之間的硬磨擦，可延長(zhǎng)閥板使用壽命，并且具有溫度膨脹吸收作用，避免閥板卡死。為防止介質(zhì)腐蝕，閥體做NACE 處理。閥內(nèi)件堆焊硬質(zhì)合金，增加閥門(mén)臨界質(zhì)部分的硬度，提升了抗沖刷能力。

5　結(jié)束語(yǔ)

放空系統(tǒng)是保護(hù)工藝設(shè)備和人員安全的重要手段，系統(tǒng)在設(shè)計(jì)、選型、使用和維護(hù)過(guò)程中需要嚴(yán)格遵守安全標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)規(guī)范。該項(xiàng)目自投產(chǎn)以來(lái)，放空系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠、操作維護(hù)方便，使企業(yè)人身安全和環(huán)境安全得到充分的保障。

[1]陳廣英.安全儀表系統(tǒng)在危化工藝裝置的應(yīng)用[J].中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2011(04)： 40-41.

[2]張建國(guó).安全儀表系統(tǒng)在過(guò)程工業(yè)中的應(yīng)用[M].北京： 中國(guó)電力出版社，2010.

[3]劉齊忠，林融.石油化工安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)施探討[J].石油化工自動(dòng)化，2010，46(05)： 1-6.

[4]范泳峰，陳爭(zhēng)榮.調(diào)節(jié)閥在石油化工裝置緊急泄壓中的應(yīng)用[J].石油化工自動(dòng)化，2011，47(02)： 19-22.

[5]陳立龍.高壓平行式雙閘板閥的設(shè)計(jì)[J].流體工程，1992(20)： 26-30.

[6]陸德民，張振基，黃步余.石油化工自動(dòng)控制設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].3版.北京： 化學(xué)工業(yè)出版社，2000.

[7]黃步余，葉向東，范宗海，等.GB/T 50770—2013石油化工安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京： 中國(guó)計(jì)劃出版社，2013.

[8]王鑫民.火炬消煙蒸汽優(yōu)化數(shù)學(xué)模型及控制應(yīng)用[J].化工自動(dòng)化及儀表，2014，41(12)： 1428-1431.

[9]索治斌，董仲喜.尿素裝置系統(tǒng)入塔CO2調(diào)節(jié)閥控制方案的優(yōu)化[J].化工自動(dòng)化及儀表，2015，42(03)： 342-343，356.

[10]吳劍波.CV3000氣動(dòng)薄膜式調(diào)節(jié)閥選型[J].化工自動(dòng)化及儀表，2015，42(11)： 1274-1276.

Automatic Control Scheme of Fischer-Tropsch Synthesis Installation Blow-down System

Wang Xin

(Hualu Engineering & Technology Co. Ltd.， Xi’an， 710065， China)

Abstracts： During emergency situation of over temperature or low level of boiler drum， the design principle of blow-down control scheme for reducing inner pressure， and slowing down or stopping reaction is introduced. The key points for control valve and shot-down valve type selection under special working condition are described in detail. The importance of valve material selection and means for special treatment during valve body manufacture process are stressed to ensure valve’s capability of tightness， corrosiveness resistance and anti-scouring. Application indicates blow-down system is stable and reliable with easy maintenance.

Fischer-tropsch synthesis installation；emergency blow-down；pneumatic control valve；pneumatic on-off valve

王鑫(1983—)，男，陜西西安人，2006年畢業(yè)于西安電子科技大學(xué)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)就職于華陸工程科技有限責(zé)任公司電控室，從事自控儀表工程設(shè)計(jì)工作，任工程師。

TP273

B

1007-7324(2016)04-0034-03

稿件收到日期： 2016-03-22，修改稿收到日期： 2016-06-10。