孫得利，谷和鵬，崔占磊，張兆天

（中海油惠州石化有限公司，廣東 惠州 516086）

程控閥是一種通過氣動(dòng)或液動(dòng)等方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的切斷閥，是PSA裝置中較為關(guān)鍵的設(shè)備，在PSA生產(chǎn)過程中要求周期性的切換開關(guān)閥門，動(dòng)作頻繁，不可避免的會(huì)出現(xiàn)各種故障［1］。對(duì)于PSA解析氣進(jìn)入制氫轉(zhuǎn)化爐做燃料氣的工藝中，當(dāng)沖洗程控閥發(fā)生故障時(shí)，制氫轉(zhuǎn)化爐會(huì)因?yàn)榻馕鰵獾拇蠓▌?dòng)而停爐，因此對(duì)沖洗程控閥的故障分析及處理至關(guān)重要［2］。

1 裝置簡介

1.1 PSA流程概述

I系列PSA系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1 Ⅰ列PSA系統(tǒng)流程簡圖Fig.1 The flow chart of PSA system in columnⅠ

由圖1可知，惠州石化天然氣制氫Ⅰ系列PSA設(shè)計(jì)規(guī)模100000 m3/h，氫氣回收率達(dá)90%，采用10塔操作，3塔進(jìn)料、4次均壓、順放沖洗、降壓解吸的操作工藝（簡稱10-3-4/P工藝）［3］。其中，均壓步驟結(jié)束后吸附塔進(jìn)行順放沖洗步驟，順放氣經(jīng)過程控閥（KV15109A/B）進(jìn)入順放罐 D1502A/B緩沖，再經(jīng)調(diào)節(jié)閥 PV15103A/B、PV15104A/B調(diào)壓后對(duì)吸附塔進(jìn)行沖洗，沖洗后的廢氣作為解吸氣進(jìn)入解吸氣混合罐 D1504A/B，經(jīng)流量調(diào)節(jié)閥（FV15103）穩(wěn)流，流量計(jì)FIQ15103計(jì)量后送到制氫轉(zhuǎn)化爐，供轉(zhuǎn)化爐火嘴燃燒使用［4］。

沖洗調(diào)節(jié)閥根據(jù)吸附塔的狀態(tài)進(jìn)行開關(guān)。當(dāng)實(shí)際編號(hào)為單系列的吸附塔（A、C、E、G、I）進(jìn)行沖洗1（P1）時(shí)，PV15103A開啟，進(jìn)行沖洗2（P2）時(shí)，PV15104B開啟。雙系列的吸附塔（B、D、F、H、J）進(jìn)行沖洗1（P1）時(shí)，PV15103B開啟，進(jìn)行沖洗2（P2）時(shí)，PV15104A 開 啟。當(dāng) PV15103A/B，PV15104A/B，KV15109A/B中有其一發(fā)生故障時(shí)，KV15109A和 KV15109B、PV15103A和 PV15104B、PV15103B和PV15104A的功能能兩兩相互替代，運(yùn)行方式變?yōu)閱雾樂殴逈_洗流程。

1.2 PSA時(shí)序

10-3-4/P運(yùn)行時(shí)序圖如圖2。

由圖2可知，每個(gè)吸附塔先后依次進(jìn)行以下各步驟：吸附（A）、均降一（E1D）、均降二（E2D）、均降三（D3D）、均降四（D4D）、順放（PP1、PP2）、逆放 （D1、D2）、沖洗 （P2A、P2B、P2C、P1A、P1B、P1C）、均升一（E1R）、均升二（E2R）、均升三（E3R）、均升四（E4R）、終充（FR）［5］。10個(gè)在線吸附塔分別完成以上所有步驟后，完成一個(gè)運(yùn)行周期。每個(gè)運(yùn)行周期根據(jù)在線吸附塔的數(shù)量細(xì)分為多個(gè)分周期，每個(gè)分周期又分為八個(gè)時(shí)間段（T1～T8），亦稱八個(gè)步序。不同步序分配以相應(yīng)的時(shí)間，各吸附塔的程控閥門按照設(shè)定的時(shí)間進(jìn)行開關(guān)動(dòng)作，10個(gè)吸附塔交替循環(huán)操作，時(shí)間上相互交錯(cuò)，使整個(gè)PSA系統(tǒng)有條不紊的運(yùn)行。

圖2 10-3-4/P運(yùn)行時(shí)序圖Fig.2 10-3-4/P operation timing diagram

2 故障分析

2.1 事故過程

2018年11月28日9時(shí)15分56秒制氫裝置Ⅰ列PSA程控閥KV15107G發(fā)生閥檢報(bào)警，9點(diǎn)16分57秒大量解析氣進(jìn)入轉(zhuǎn)化爐，混合燃料氣壓力迅速升高，9點(diǎn)17分18秒觸發(fā)轉(zhuǎn)化爐混合燃料氣壓力高高聯(lián)鎖（≥30 kPa），制氫Ⅰ列轉(zhuǎn)化爐Z.B聯(lián)鎖停車。

2.2 事故現(xiàn)象

9時(shí)15分56秒Ⅰ列PSA程控閥KV15107G出現(xiàn)閥檢報(bào)警，報(bào)警時(shí)各吸附塔壓力并未發(fā)生異常，解析氣流量也沒有發(fā)生變化，9時(shí)16分57秒大量解析氣進(jìn)入轉(zhuǎn)化爐，混合燃料氣流量迅速增加。從閥門開關(guān)狀態(tài)報(bào)警到解析氣開始大幅度波動(dòng)存在61S的時(shí)間延遲。9時(shí)17分05秒，轉(zhuǎn)化爐燃料氣壓力PI11305A＼B＼C高報(bào)，9點(diǎn)17分06秒，轉(zhuǎn)化爐燃料氣壓力PI11305A＼B＼C高高報(bào)警（三取二），觸發(fā)Z.B聯(lián)鎖。

2.3 事故分析

根據(jù)當(dāng)時(shí)PSA運(yùn)行時(shí)序圖，可以還原當(dāng)時(shí)各吸附塔的運(yùn)行情況：吸附塔G程控閥KV15107G在沖洗結(jié)束（3/T8）時(shí)，并沒有關(guān)閉，發(fā)生閥檢報(bào)警，4/T1～T4步序奇數(shù)列塔沒有進(jìn)入沖洗步驟，沖洗閥PV15103A、PV15104B處于關(guān)閉狀態(tài)，G、J塔在三均時(shí)氣體憋在奇數(shù)列沖洗管線中，所以沒有馬上反映到解析氣中，解析氣量未第一時(shí)間發(fā)生變化，當(dāng)進(jìn)入4/T5步序后，A、G塔進(jìn)行二均，I塔進(jìn)入沖洗步驟，7I閥打開，瞬間A、G塔內(nèi)大量氫氣通過I塔沖洗閥門進(jìn)入解析氣中。

3 7＃故障的不同現(xiàn)象及處理方法

3.1 7＃故障關(guān)不上的兩種情況

1）兩塔在異側(cè)連續(xù)沖洗，因10塔運(yùn)行時(shí)。奇數(shù)列和偶數(shù)列吸附塔依次交替進(jìn)行沖洗，兩塔沖洗始終處于異側(cè)，9塔運(yùn)行工況下，因奇數(shù)列和偶數(shù)列運(yùn)行吸附塔數(shù)量不同，每個(gè)大周期會(huì)有一次兩塔在同側(cè)沖洗的情況，其它時(shí)間都是異側(cè)沖洗。

事故現(xiàn)象：當(dāng)沖洗結(jié)束7＃程控閥故障關(guān)不上時(shí)，待故障塔同列的吸附塔再次進(jìn)入沖洗步驟時(shí)，才會(huì)造成竄壓影響解析氣流量，有一定時(shí)間延遲（10塔在 T5～T8，9塔在T1～T4）。

處理方法：此次KV15107G故障，雖然第一時(shí)間出現(xiàn)了閥檢報(bào)警，但解析氣量未第一時(shí)間發(fā)生變化，存在61 S的延遲，當(dāng)解析氣流量開始增加后，21 S的時(shí)間就觸發(fā)聯(lián)鎖，期間可以進(jìn)行調(diào)整的時(shí)間很短。參考上次事故經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)PSA的7＃程控閥發(fā)生閥檢報(bào)警，應(yīng)馬上減少解析氣進(jìn)轉(zhuǎn)化爐的流量。先將FV15103關(guān)小5%～10%的閥位，燃料不足部分可通過開大補(bǔ)充燃料氣閥門FV11302進(jìn)行補(bǔ)充，同時(shí)調(diào)整鼓引風(fēng)機(jī)擋板，穩(wěn)定爐膛負(fù)壓，然后再判斷報(bào)警的原因（閥檢故障、閥門故障開或未打開的問題）。如果解析氣量開始大幅度增加，快速切出部分PSA解析氣，直到解析氣對(duì)轉(zhuǎn)化爐的影響基本可控，再查找故障原因。

2）兩塔在同側(cè)連續(xù)沖洗。Ⅰ列PSA正常情況下為10塔運(yùn)行，當(dāng)發(fā)生異常情況時(shí)，可以進(jìn)行切塔操作，9塔運(yùn)行時(shí)奇數(shù)列和偶數(shù)列數(shù)量不同，就會(huì)發(fā)生連續(xù)沖洗的兩個(gè)塔處于同側(cè)，同理可知8塔運(yùn)行，7塔運(yùn)行，6塔運(yùn)行時(shí)也會(huì)有同側(cè)連續(xù)沖洗的情況。表1以9塔9-3-3/P運(yùn)行工況為例分析。

由表1可知，以切出A塔為例，同為偶列的兩個(gè)吸附塔B、J同時(shí)沖洗時(shí)，先進(jìn)行沖洗的J塔處于P1B、P1C時(shí)，后進(jìn)入沖洗的 B塔開始P2A、P2B，隨后J塔沖洗結(jié)束進(jìn)入均壓升階段，B塔進(jìn)入P2C，繼續(xù)進(jìn)行沖洗。如果此時(shí)J塔的7＃閥故障未關(guān)閉，會(huì)造成J、B兩塔連通，在J塔E3R、E2R階段大量氫氣通過B塔進(jìn)入到解析氣中，馬上就會(huì)造成解析氣的大幅增加。

表1 切除一個(gè)吸附塔后9-3-3/P工況分析Tab.1 9-3-3/Pworking condition analysis after removing an adsorption tower

事故現(xiàn)象：同側(cè)沖洗的兩個(gè)吸附塔，先進(jìn)行沖洗的吸附塔結(jié)束沖洗后，7＃未關(guān)閉會(huì)馬上發(fā)生竄壓事故，解析氣流量立即大幅度增加，造成混合燃料氣壓力快速升高，爐膛負(fù)壓減小，氧含量下降，爐溫升高等現(xiàn)象。

處理方法：看到7＃程控閥閥檢報(bào)警或是PSA解析氣流量大幅度增加、爐膛負(fù)壓快速降低等現(xiàn)象應(yīng)第一時(shí)間壓減PSA解析氣進(jìn)轉(zhuǎn)化爐的流量，快速切出部分解析氣。當(dāng)FV15103閥位控制在40%以下，解析氣對(duì)轉(zhuǎn)化爐的影響基本可控時(shí)，再查找事故的具體原因，切出故障塔。通過調(diào)整補(bǔ)充燃料氣和鼓引風(fēng)機(jī)擋板，穩(wěn)定爐膛溫度和負(fù)壓，操作要準(zhǔn)確快速，避免轉(zhuǎn)化爐聯(lián)鎖停工。

3.2 7＃故障打不開

由表2可知，當(dāng)逆放結(jié)束進(jìn)入沖洗步驟時(shí)，如果7＃故障無法打開，會(huì)因缺少一個(gè)沖洗塔而造成解析氣流量的大幅減少，減少時(shí)間將持續(xù)到下一個(gè)待沖洗的吸附塔進(jìn)入沖洗步驟為止。

表2 9-3-3/P部分時(shí)序圖Tab.2 9-3-3/P part timing diagram

以9-3-3/P工況為例（見表2）：5號(hào)塔在1/T5步序時(shí)進(jìn)入沖洗，直到2/T8步序結(jié)束，在此期間產(chǎn)生大量解析氣，另外產(chǎn)生解析氣的還有：在1/T5～T8時(shí)間內(nèi)同時(shí)沖洗的4號(hào)塔，在2/T2～T4，T5～T8時(shí)間內(nèi)分別進(jìn)行逆放和沖洗的6號(hào)塔。

同理10-3-4/P運(yùn)行工況下，當(dāng)逆放結(jié)束進(jìn)入沖洗步驟時(shí)，如果7＃故障無法打開，也會(huì)造成一樣的影響。分析可知與7＃故障關(guān)不上不同的是：無論是異側(cè)還是同側(cè)連續(xù)沖洗，都會(huì)因減少一個(gè)沖洗塔而立刻造成解析氣的大量減少。

事故現(xiàn)象：解析氣流量快速大幅度減少，轉(zhuǎn)化爐混合燃料氣壓力降低，爐膛負(fù)壓增大，剩余氧含量升高，爐膛溫度降低等。因沖洗無法進(jìn)行，吸附劑不能充分再生，下一周期該塔吸附時(shí)產(chǎn)品氫純度下降。

處理方法：當(dāng)發(fā)生7＃閥檢報(bào)警且解析氣大量減少時(shí)，快速手動(dòng)開大補(bǔ)充燃料氣閥，縮短吸附時(shí)間，延緩解析氣壓力、流量下降速度，同時(shí)關(guān)小解析氣閥，減弱解析氣對(duì)轉(zhuǎn)化爐的影響，調(diào)整鼓引風(fēng)機(jī)擋板開度，防止?fàn)t膛負(fù)壓過大觸發(fā)聯(lián)鎖，查看壓力趨勢，確定閥門故障后切出故障吸附塔。

4 結(jié)論

7＃沖洗程控閥無法關(guān)閉時(shí)會(huì)存在兩種情況：一種是延遲一段時(shí)間，再出現(xiàn)解析氣量大幅波動(dòng)，另一種是馬上出現(xiàn)解析氣量大幅波動(dòng)。7＃沖洗程控閥無法打開時(shí)，無論在何種工況下，都會(huì)因減少一個(gè)沖洗塔而立刻導(dǎo)致解析氣量大幅減少。以上各事故狀態(tài)均需馬上進(jìn)行針對(duì)性處置，避免發(fā)生聯(lián)鎖停車事故。