周 波

(中國石化重慶川維化工有限公司，重慶 401200)

0 前言

聚乙烯醇為白色片狀體或絮狀體，無毒無味，具有良好的力學(xué)性能和可調(diào)節(jié)的表面活性，是一種廣泛應(yīng)用于紡織、建筑、包裝、高分子化工等行業(yè)的可溶性高分子聚合物。目前普遍采用的聚乙烯醇生產(chǎn)工藝為：以醋酸乙烯為原料，偶氮二異丁腈(AIBN)為引發(fā)劑，甲醇為溶劑，采用溶液聚合法，首先得到聚醋酸乙烯溶液，然后再通過皂化醇解反應(yīng)生成聚乙烯醇。聚醋酸乙烯溶液主要為聚醋酸乙烯和甲醇，在進(jìn)行醇解反應(yīng)前作為生產(chǎn)原料儲(chǔ)存在罐區(qū)儲(chǔ)罐內(nèi)，為了保證儲(chǔ)罐運(yùn)行安全，設(shè)置了氮封系統(tǒng)。

儲(chǔ)罐氮封系統(tǒng)主要包括自力式供氮調(diào)節(jié)閥(以下簡稱供氮閥)、自力式泄氮調(diào)節(jié)閥(以下簡稱泄氮閥)和帶阻火功能的呼吸閥。氮封系統(tǒng)是一套自力式微壓力控制系統(tǒng)，主要用于保持儲(chǔ)罐頂部保護(hù)氣(一般為氮?dú)?的壓力恒定，避免儲(chǔ)罐內(nèi)物料揮發(fā)和被氧化，同時(shí)保護(hù)儲(chǔ)罐運(yùn)行安全。氮封系統(tǒng)具有節(jié)能、動(dòng)作靈敏、運(yùn)行可靠、操作與維護(hù)方便、無需外加能源等特點(diǎn)，廣泛用于石油、化工行業(yè)。

氮封系統(tǒng)的工作原理為：當(dāng)儲(chǔ)罐出料時(shí)，儲(chǔ)罐液位降低，罐內(nèi)氣相部分容積增大，壓力降低。當(dāng)壓力低于供氮閥設(shè)定壓力值時(shí)，供氮閥開啟，向儲(chǔ)罐加入氮?dú)?，罐?nèi)壓力上升，當(dāng)罐內(nèi)壓力上升到供氮閥設(shè)定壓力值時(shí)，供氮閥自動(dòng)關(guān)閉；當(dāng)儲(chǔ)罐進(jìn)料時(shí)，儲(chǔ)罐液位升高，罐內(nèi)氣相部分容積減小，壓力升高。當(dāng)壓力高于泄氮閥設(shè)定壓力值時(shí)，泄氮閥開啟，罐內(nèi)甲醇、氮?dú)饣旌蠚怏w向尾氣管泄壓，罐內(nèi)壓力下降，當(dāng)罐內(nèi)壓力下降到泄氮設(shè)定壓力值時(shí)，泄氮閥自動(dòng)關(guān)閉[1]。

1 聚醋酸乙烯儲(chǔ)罐氮封系統(tǒng)設(shè)置現(xiàn)狀

醇解罐區(qū)共設(shè)置聚醋酸乙烯儲(chǔ)罐12個(gè)，用于儲(chǔ)存聚醋酸乙烯溶液，其中10個(gè)儲(chǔ)罐用于正常運(yùn)行，其位號為R43107C～L；其余2個(gè)儲(chǔ)罐作為事故儲(chǔ)罐使用，其位號為R43108A/B，主要用于儲(chǔ)存聚合開停車及轉(zhuǎn)產(chǎn)時(shí)產(chǎn)生的不合格聚醋酸乙烯溶液。正常情況下，聚醋酸乙烯溶液中聚醋酸乙烯和甲醇的體積濃度分別為33%，67%(不同產(chǎn)品其濃度會(huì)有變化)，儲(chǔ)存溫度為50～65 ℃，每個(gè)儲(chǔ)罐均為固定拱頂儲(chǔ)罐，容積均為300 m3。每個(gè)儲(chǔ)罐均設(shè)置一套氮封系統(tǒng)，主要由供氮閥、泄氮閥、阻火器3部分組成，同時(shí)為避免儲(chǔ)罐泄壓時(shí)甲醇?xì)怏w直接外排，在泄氮閥后設(shè)置了尾氣收集管道，經(jīng)冷凝器冷凝后甲醇液體自動(dòng)回流到R43108A/B儲(chǔ)罐。其流程見圖1(以R43107C罐為例)。

圖1 聚醋酸乙烯儲(chǔ)罐流程

2 運(yùn)行中存在的問題

2.1 尾氣管道積液不暢通

在實(shí)際運(yùn)行過程中，操作人員發(fā)現(xiàn)各儲(chǔ)罐的呼吸閥頻繁打開，大量甲醇?xì)怏w逸出，罐頂甲醇?xì)馕洞?。操作人員進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)，在泄氮閥后法蘭處長期有甲醇液體聚積，拆開此處法蘭螺栓后，管道內(nèi)有甲醇液體流出，初步判斷為儲(chǔ)罐尾氣管積液導(dǎo)致尾氣不暢通。

泄氮閥為某控制閥有限公司生產(chǎn)的ZZDX型產(chǎn)品，其工作原理：介質(zhì)由閥體上箭頭方向流經(jīng)閥體，受控的上游壓力(P1)進(jìn)入檢測室，并在此轉(zhuǎn)換成定位力。根據(jù)彈簧力大小，定位力調(diào)整閥芯位置。當(dāng)閥前壓力P1升高時(shí)，閥芯位移，閥門趨向開啟，從而達(dá)到泄壓目的；相反,當(dāng)閥前壓力P1降低時(shí)，調(diào)壓閥主閥趨向關(guān)閉，從而達(dá)到穩(wěn)壓目的。ZZDX型泄氮閥結(jié)構(gòu)原理見圖2。

泄氮閥可調(diào)節(jié)壓力范圍為1.0～5.5 kPa[2]，實(shí)際設(shè)定壓力值為1.5 kPa，調(diào)節(jié)閥為水平安裝。當(dāng)儲(chǔ)罐壓力高于1.5 kPa時(shí)，泄氮閥開啟，儲(chǔ)罐泄壓，儲(chǔ)罐上部空間甲醇和氮?dú)獾幕旌蠚怏w被泄放，通過尾氣管進(jìn)入尾氣冷凝器。當(dāng)儲(chǔ)罐壓力低于1.5 kPa時(shí)，泄氮閥關(guān)閉，保持儲(chǔ)罐內(nèi)壓力穩(wěn)定。

圖2 ZZDX型泄氮閥結(jié)構(gòu)原理

從泄氮閥排出的混合氣體主要為甲醇和氮?dú)?，為了避免甲醇損失和對環(huán)境造成影響，將泄放的尾氣統(tǒng)一收集后進(jìn)行冷凝回收甲醇。經(jīng)過現(xiàn)場查看，由于尾氣收集管道高于泄氮閥安裝水平位置，部分甲醇?xì)怏w會(huì)在管道內(nèi)冷凝成液體，通過尾氣管回到儲(chǔ)罐內(nèi)，而泄氮閥結(jié)構(gòu)原理顯示其為高進(jìn)低出，形成了水平狀的“S”形，冷凝的甲醇液體沉積在泄氮閥的最低部，即使泄氮閥開啟后，冷凝的甲醇液體也無法回流到儲(chǔ)罐內(nèi)部，在運(yùn)行過程中，造成了泄氮閥后法蘭處積液，形成液封，使尾氣管道不暢通。

2.2 呼吸閥頻繁開啟

罐頂呼吸閥是儲(chǔ)罐安全設(shè)施之一，是在氮封裝置失靈或不能滿足流量要求，儲(chǔ)罐內(nèi)壓力劇增或劇減時(shí)，呼吸閥開啟，排出氮?dú)饣蛘呶肟諝猓鸬奖Ｗo(hù)儲(chǔ)罐作用。呼吸閥的工作原理是利用閥盤的重量，來控制儲(chǔ)罐的呼出壓力和吸入的真空度。對于可燃易燃介質(zhì)儲(chǔ)罐，呼吸閥呼出的介質(zhì)進(jìn)入大氣中存在火災(zāi)爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，因此需使用帶阻火功能的呼吸閥。同時(shí)，為避免空氣被吸入到儲(chǔ)罐內(nèi)，在罐內(nèi)與可燃介質(zhì)形成爆炸性混合氣體，呼吸閥一般與氮封裝置配套使用，供氮閥設(shè)定壓力高于呼吸閥吸入的真空度。在供氮閥和泄氮閥壓力設(shè)定調(diào)整好后，為避免呼吸閥頻繁開啟，呼吸閥的呼出壓力設(shè)定值應(yīng)高于泄氮閥的設(shè)定值。

聚醋酸乙烯儲(chǔ)罐頂部呼吸閥呼出、呼入壓力設(shè)定值分別為1.765，-0.295 kPa，供氮閥、泄氮閥壓力設(shè)定值分別為1.0，1.5 kPa。當(dāng)儲(chǔ)罐壓力低于1.0 kPa時(shí)，供氮閥向罐內(nèi)補(bǔ)充氮?dú)?；?dāng)儲(chǔ)罐壓力高于1.5 kPa時(shí)，泄氮閥開啟泄壓；當(dāng)泄氮閥故障或尾氣管堵塞，儲(chǔ)罐壓力高于1.765 kPa時(shí)，罐頂呼吸閥開啟泄壓[2]。在實(shí)際運(yùn)行中，由于泄氮閥后尾氣管積液，泄氮閥開啟后無法泄壓，儲(chǔ)罐只能通過呼吸閥泄壓，這是造成呼吸閥頻繁開啟的主要原因。另一方面，當(dāng)呼吸閥失靈或呼吸閥設(shè)定開啟壓力低于供氮閥設(shè)定壓力時(shí)，呼吸閥也會(huì)處于開啟狀態(tài)。

2.3 供氮閥不按設(shè)定值開閉

供氮閥為某控制閥有限公司生產(chǎn)的ZZDG型產(chǎn)品，其工作原理：介質(zhì)由閥體上箭頭方向流經(jīng)閥體，同時(shí)P1經(jīng)空氣過濾減壓器減壓進(jìn)入指揮器B室作為驅(qū)動(dòng)能源使用。系統(tǒng)沒有運(yùn)行時(shí)，閥門主閥關(guān)閉。受控的下游壓力(P2)經(jīng)導(dǎo)壓管傳送到指揮器檢測室A，并在此轉(zhuǎn)換成定位力。根據(jù)彈簧力大小，定位力調(diào)整指揮器閥芯位置。當(dāng)閥后壓力P2升高時(shí)，使指揮器閥芯位移，指揮器趨向關(guān)閉，相應(yīng)PS壓力減小，調(diào)壓閥主閥趨向關(guān)閉。從而達(dá)到減壓、穩(wěn)壓目的。相反當(dāng)閥后壓力P2降低時(shí)，指揮器閥芯位移，指揮器開啟度增大，相應(yīng)PS壓力增大，調(diào)壓閥主閥趨向開啟度增大，從而達(dá)到減壓、穩(wěn)壓目的。ZZDG型供氮閥結(jié)構(gòu)原理見圖3。

圖3 ZZDG型供氮閥結(jié)構(gòu)原理

在實(shí)際運(yùn)行中，操作人員發(fā)現(xiàn)供氮閥動(dòng)作不靈敏或在儲(chǔ)罐壓力低于1.0 kPa時(shí)不能開啟，進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)供氮閥采壓點(diǎn)處積液。查閱氮封裝置使用說明書，發(fā)現(xiàn)供氮閥安裝位置錯(cuò)誤。供氮閥安裝在地面上，離儲(chǔ)槽頂部垂直高度約9 m，在供氮閥關(guān)閉時(shí)，儲(chǔ)罐內(nèi)甲醇?xì)怏w會(huì)在管道冷凝成液體，聚積在最低處的水平管道上，而泄氮閥的取壓點(diǎn)剛好在此處，因而會(huì)造成取壓不準(zhǔn)，使供氮閥不按設(shè)定值開閉。另一方面，供氮閥取壓點(diǎn)離儲(chǔ)槽頂部距離過長，管道壓損過大，產(chǎn)生了較大的壓差(壓差值=閥門設(shè)定壓力值-儲(chǔ)罐內(nèi)壓力-管道壓損)，這也是造成供氮閥不按設(shè)定值開閉的重要原因。

3 解決措施

由于供氮閥取壓接頭安裝在管道上，約束了取壓接頭至儲(chǔ)罐之間連接管道兩端的壓差(壓差值=閥門設(shè)定壓力值-儲(chǔ)罐內(nèi)壓力-管道壓損)[3]。因管道內(nèi)介質(zhì)流速與兩端的壓差值成正比，所以管道的流通能力受限制，即介質(zhì)流量受到限制。故當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)出料量大時(shí)或者閥門設(shè)定壓力值較小時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)因氮?dú)鈦聿患把a(bǔ)充而出現(xiàn)罐內(nèi)負(fù)壓現(xiàn)象或者罐內(nèi)壓力達(dá)不到設(shè)定值現(xiàn)象。泄氮閥類同，可能會(huì)出現(xiàn)罐內(nèi)壓力超壓報(bào)警現(xiàn)象。因此供氮閥、泄氮閥安裝在罐頂，供氮閥取壓點(diǎn)直接取在儲(chǔ)罐頂部，或者增大閥門與儲(chǔ)罐之間連接管道直徑。因而，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，需對氮封系統(tǒng)進(jìn)行整改。改造后的氮封裝置示意見圖4。

3.1 改造尾氣收集總管，避免泄漏氮閥后尾氣管積液

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，將泄氮閥后收集總管的安裝位置進(jìn)行調(diào)整，收集總管安裝水平位置低于泄氮閥位置。這樣泄氮閥后管道冷凝的甲醇液體通過位差直接經(jīng)收集總管進(jìn)入冷凝器，有效避免了泄氮閥后管道積液造成泄氮閥失效。

3.2 改造供氮閥裝置，避免供氮閥管道積液

對供氮閥的安裝位置進(jìn)行調(diào)整改造，將供氮閥安裝位置從地面改到儲(chǔ)罐頂部，取壓點(diǎn)設(shè)置在供氮閥后管道頂部，避免取壓點(diǎn)離罐頂距離過長造成壓差過大，取壓不準(zhǔn)，引起供氮閥不按設(shè)定值開閉。另一方面，管道內(nèi)甲醇?xì)怏w在冷凝后直接流入罐內(nèi)，不會(huì)聚積在供氮管道上，也避免取壓不準(zhǔn)確的問題。

圖4 改造后的氮封裝置

由于聚醋酸乙烯溶液存在黏度高、流動(dòng)慢的特殊性，同時(shí)遇水會(huì)水解堵塞管道和閥門，儲(chǔ)罐無法徹底清掃、清洗干凈，罐頂安裝尾氣管道和改造供氮閥動(dòng)火施工有極大的安全風(fēng)險(xiǎn)[4]，因而無法對氮封裝置進(jìn)行徹底改造。為解決儲(chǔ)罐氮封系統(tǒng)存在的問題，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，可實(shí)施下述改造，以滿足運(yùn)行要求。

3.3 泄氮閥后增設(shè)排液低點(diǎn)

在泄氮閥后管道最低點(diǎn)(集液點(diǎn))增設(shè)一處排液低排閥門，并統(tǒng)一收集到R43108A/B事故儲(chǔ)罐或其他儲(chǔ)罐，排液吊頭下方設(shè)置高度約200 mm的U形液封，確保R43108A/B儲(chǔ)罐在正常壓力2 kPa以下運(yùn)行時(shí)不受影響，從而實(shí)現(xiàn)氣液分離。

3.4 改造供氮閥取壓點(diǎn)

將供氮閥取壓點(diǎn)設(shè)置在罐頂?shù)墓┑芫€上，一是避免取壓值的壓差損失，保證取壓的準(zhǔn)確性；二是防止供氮管線底部積液后取壓不準(zhǔn)造成供氮閥不按設(shè)定值開閉。

4 結(jié)語

10×104t/a聚乙烯醇裝置聚醋酸乙烯儲(chǔ)槽氮封裝置失效的主要原因是供氮閥和泄氮閥安裝位置不規(guī)范，未按照廠家提供的氮封裝置使用說明書進(jìn)行安裝，特別是泄氮閥后的尾氣收集管道形成了U形液封，導(dǎo)致泄氮閥失去作用，引起呼吸閥頻繁開啟。由于聚醋酸乙烯物料的特殊性，徹底整改具有非常大的安全風(fēng)險(xiǎn)，但可以通過在泄氮閥后U形管道上增設(shè)排液管線，并統(tǒng)一收集的方案進(jìn)行整改，從而解決氮封裝置失效的問題。