高志森
(呼倫貝爾金新化工有限公司,內蒙古呼倫貝爾 021506)
呼倫貝爾金新化工有限公司(簡稱金新化工)“50·80”項目(500kt/a合成氨、800kt/a尿素)以褐煤為原料,配置3臺BGL氣化爐;2014年實施原料及產品結構調整技改,增設了1臺Shell氣化爐(下行水激冷氣化爐)。
金新化工36000m3/h空分裝置(產品氧氣設計產能36000m3/h)氧氣系統(tǒng)工藝流程如圖1,BGL氣化系統(tǒng)和Shell氣化系統(tǒng)所需氧氣流量主要由調節(jié)閥(FV01339A)控制,其余氧氣通過調節(jié)閥(PV01340)減壓后送至甲烷蒸汽轉化工序作為原料,多余的氧氣由氧氣放空閥(FV01339B)調節(jié)放空。
圖1 空分裝置氧氣系統(tǒng)工藝流程簡圖
氧氣放空閥(FV01339B)設計(工作)溫度36 ℃、設計壓力4.85 MPa,閥門口徑DN100,閥體、閥芯、閥座均采用Monel400鎳基合金。FV01339B采用SAMSON公司生產的3251型調節(jié)閥,閥芯采用V形窗口設計,閥芯由流量窗口、導向柱、密封面組成。FV01339B閥芯上有3個流量窗口,窗口的深度和大小尺寸均不同,最大的窗口正對流體的下游,保證小開度時流量的精準控制,流量窗口決定了閥門的流量特性。FV01339B閥座與閥體之間采用螺紋錐體連接,螺紋旋入后錐面與閥體密封,閥座密封面寬度1.5mm,閥座內徑為82.7mm,閥芯導向柱尺寸為82.4mm;當閥芯落入閥座后,閥芯與閥座的單邊間隙只有0.15mm。
在前期生產運行過程中,氧氣放空閥(FV01339B)存在的問題一直困擾著氣化裝置的生產:2012年,由于FV01339B閥芯與閥座磨損以及閥桿彎曲,導致閥門內漏;2013年,同樣的問題再次出現,改進FV01339B閥內件材質后內漏問題依然存在;2014年增加FV01339B閥芯導向面積,2015年4月增加FV01339B閥芯導向柱,內漏問題仍未有效解決。氧氣放空閥(FV01339B)出現內漏后,會使氧氣放空量增大,去煤氣化系統(tǒng)的氧氣量減少,生產系統(tǒng)負荷降低,影響生產任務的完成;此外,2016年Shell氣化爐投運以后,生產系統(tǒng)對氧氣的需求量增加(意味著對閥門泄漏的要求更為嚴格),通過對空分裝置進行優(yōu)化,氧負荷由36000m3/h提升至38000m3/h,而FV01339B設計流通量偏小,且Shell氣化爐在4個煤燒嘴前只設有1臺氧氣緊急放空開關閥(13XV0006),當Shell氣化爐1個或者2個煤燒嘴跳車后,為保證Shell氣化爐能低負荷運行,不能直接打開13XV0006放空,系統(tǒng)多余氧氣只能通過FV01339B放空,如此一來,氧氣放空會不足及滯后,導致氧氣管網及設備超壓,給氧氣管網帶來很大的安全隱患,同時也會導致BGL氣化爐及空分裝置負荷波動,影響空分裝置和氣化裝置的安全、穩(wěn)定運行。
歸結起來,FV01339B存在的問題主要有:①FV01339B設計流通量偏小,氧氣負荷提高后,事故狀態(tài)下FV01339B放空量不足;②FV01339B閥內件磨損、卡澀,導致FV01339B內漏;③Shell氣化爐煤燒嘴跳車后FV01339B放空不及時引起氧氣管網及設備超壓。
氧氣放空閥(FV01339B)為SAMSON3251型調節(jié)閥,其投運以來多次出現故障,主要為閥內件磨損、閥門卡澀、閥桿彎曲及斷裂,給系統(tǒng)的運行帶來巨大的安全隱患。為使系統(tǒng)運行穩(wěn)定,需對FV01339B閥內件進行改造,以延長其使用壽命,并進一步優(yōu)化其控制方式,確保系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、長周期運行。
氧氣放空閥(FV01339B)原閥內件設計最大流通量為36000m3/h,但在實際生產中,最高氧氣負荷已達38000m3/h,因此需通過閥內件改造提高其流通量。據原閥內件圖紙數據,可以計算出閥座流通面積為5335mm2,閥芯在全開時的最大流通面積為3360mm2(采用扇形平面估算法計算);在阻力系數衡定且介質不可壓縮的情況下,依據相對流通面積的變化與相對流通量的變化成正比的關系[見式(1)],可求出閥芯的最大開啟面積與閥座的最大流通直徑。
式中 Q——原閥芯的流通量,m3/h;
Qmax——設計閥芯的最大流通量,m3/h;
A——原閥芯計算流通面積,mm2;
Amax——設計閥芯最大流通面積,mm2。
將Q=36000m3/h、Qmax=38000m3/h、A=3360mm2代入式(1),計算可得設計閥芯最大流通面積Amax≈3547mm2;將Q=36000m3/h、Qmax=38000m3/h、A′=5335mm2代入式(1),計算可得設計閥座最大流通面積A′max≈5631 mm2。則設計閥座流通直徑≈2×(5631/3.14)0.5=84.7mm,即在原閥座82.7mm的內徑基礎上增加2mm。
3.2.1 磨損/卡澀原因
當閥門在小開度投自控時,閥門頻繁動作,閥芯上只有最大流量窗口通過介質,介質的推力促使閥芯產生反向作用力,使閥桿與閥芯形成懸臂梁,導致閥桿彎曲,進而閥芯導向柱與閥座產生摩擦。
當閥門全關時,因閥芯導向柱與閥座密封面已經磨損,閥門出現泄漏,導致后續(xù)系統(tǒng)氧氣量減少、負荷降低。
當閥門開度達80%以上時,閥芯上3個流量窗口均有介質流過,介質的推力得到抵消,但當閥芯與閥座磨損到一定程度后,閥門在關閉過程中,因之前閥桿已彎曲、閥座磨損嚴重,使得閥芯與閥座不同軸,導致閥芯的導向面卡在閥座邊緣,閥芯不能落入閥座內,在執(zhí)行機構的推力下閥桿受力過大而彎曲或斷裂。
3.2.2 閥內件的改進
3.2.2.1 閥內件材質改進
(1)原閥芯和閥座均采用Monel400鎳基合金,其布氏硬度(HB)在110~149之間,相對較軟,為提高FV01339B閥內件的抗磨能力,閥內件改為采用Inconel625鎳基合金,其布氏硬度(HB)≤220。
(2)對容易磨損的閥芯導向柱部分進行堆焊硬化處理,使其硬度進一步提高,以延長閥內件的使用壽命。
3.2.2.2 閥芯形面的改進
結合閥內件的磨損情況,重新設計了閥芯形面:將閥芯形面設計為3個相同的流量窗口,在小開度時每個流量窗口都有介質流過,使3個流量窗口產生的徑向力相互抵消;取消閥芯上的3個導向柱,由1個中心導向柱替代;上止口與閥座分別固定閥芯的上、下兩端,保證閥芯與閥座同軸;因閥芯與閥座之間的間隙只有0.15mm,使用過程中一旦產生摩擦閥門將出現內漏,故在設計閥芯形面時充分考慮了閥芯與閥座間的間隙,將閥芯設計為錐形,錐度為4°,閥門開啟后,因閥芯與閥座間有一定的間隙,從而可防止閥芯與閥座的摩擦,保證閥門在全關時密封面完好。
3.2.2.3 閥芯形面的設計與計算
據FV01339B原始設計數據可知,閥門可調比為50∶1,閥門行程為30mm,直線流量特性。由直線流量特性公式(2)可計算理想流量特性曲線:
式中 Q——原閥芯流通量,m3/h;
Qmax——設計閥芯的最大流通量,m3/h;
R——調節(jié)閥可調比;
L——閥門行程,mm;
h——閥門開啟距離,mm。
將閥門不同開度值帶入直線流量特性公式(2),可求出理想流量特性曲線數據,見表1;由直線流量特性計算數據,可以繪制出直線流量特性曲線,如圖2。
圖2 新閥門直線流量特性曲線圖
表1 新閥門直線流量特性計算數據表
據閥門直線流量特性曲線,計算閥門開啟面積AK。在閥芯形面計算過程中,利用三角函數的關系,計算出4°錐形閥芯在每個開度下閥芯斜率對流通面積的影響,求出AK。采用矩形計算公式與近似異形閥瓣計算公式,計算出閥芯截面窗口寬度。初始形面矩形計算如式(3)、異形閥瓣計算如式(4),閥芯形面計算數據見表2。
表2 閥芯形面計算數據表
式中 ιk——閥芯截面窗口寬度,mm;
ιk-1——前一個截面窗口寬度,mm;
AK——計算截面內閥瓣窗口開啟的截面積,mm2;
AK-1——前一個截面內閥瓣窗口開啟的截面積,mm2;
h——閥門開啟距離,mm;
Z——閥芯窗口數量。
據閥芯截面窗口寬度(ιk),可以繪制出閥芯的形面。實際加工中,要將棱角倒圓,保證氧氣在流通過程中無局部阻力,以免產生流速過大的現象;為保證閥芯與閥座不發(fā)生摩擦,閥芯能更好地消除徑向不平衡力,在閥芯底部中心增加1個φ18mm、L=90mm的導向柱。
3.2.2.4 閥座改進
閥芯增設導向柱,閥座也相應地增設導向支架。閥座上的窗口面積之和大于閥座內截面積,從而滿足介質的流通性能。改進后閥座設計示意如圖3。
圖3 改進后閥座設計示意圖
3.3.1 優(yōu)化思路
為使氧氣放空閥(FV01339B)能快速響應又不出現超調現象,擬通過對原有閥門控制系統(tǒng)的改進實現閥門流量控制方式的優(yōu)化。為此,基于Shell氣化爐開車時的氧氣使用量及FV01339B的開度情況,結合FV01339B的流量特性與測試數據,得出閥門開度(OP)與放空量(PV)的擬合曲線(如圖4),得到擬合曲線以后,可通過擬合公式計算出閥門在一定開度下的放空量;反之,知道氧氣放空量,可反算閥門的開度,得到反向放空量(PV)與閥門開度(OP)的擬合曲線(如圖5)。
圖4 閥門開度(OP)與放空量(PV)的擬合曲線
圖5 放空量(PV)與閥門開度(OP)的擬合曲線
3.3.2 擬合絕對偏差計算
由上述兩條擬合曲線,可利用多項式擬合出閥門開度OP值(x)與氧氣放空量PV值(y)的關系式——閥門開度OP值(x)與氧氣放空量PV值(y)的擬合曲線方程式如式(5)、氧氣放空量PV值(y)與閥門開度OP值(x)的擬合曲線方程式如式(6)。
運用擬合公式(5)、 (6)計算出的閥門擬合數據及其絕對偏差見表3??梢钥闯?,實際測試數據與計算擬合數據基本吻合,滿足閥門控制需要。
表3 閥門測試數據及其與擬合數據的絕對偏差
3.3.3 實際應用
實際應用中,因空分裝置與Shell氣化爐服務器操作站不在一起,故Shell氣化爐、空分裝置都做聯(lián)鎖選擇開關、聯(lián)鎖切除選擇開關,空分裝置與Shell氣化爐都有權限選擇是否投用聯(lián)鎖,并可以查看另一方的投用狀態(tài)。Shell氣化爐煤燒嘴聯(lián)鎖跳車后,FIC01339B(氧氣放空閥FV01339B流量)控制模式變?yōu)槭謩樱?s(信號傳遞與計算所需時間)后FV01339B恢復自動控制模式。Shell氣化爐與空分裝置聯(lián)鎖控制FIC01339B計算步驟見圖6。
圖6 聯(lián)鎖控制FIC01339B計算步驟示意圖
聯(lián)鎖投用以來,Shell氣化爐煤燒嘴聯(lián)鎖跳車后,FV01339B能夠準確、及時開到所需閥位進行放空,避免了氧氣管網超壓,保證了Shell氣化爐的低負荷穩(wěn)定運行。
金新化工空分裝置氧氣放空閥(FV01339B)自2012年開始出現故障,經多年來的優(yōu)化改進,最終于2016年改造后取得了良好的成效,閥門內漏問題得以解決;2017年對FV01339B進行解體檢查,未發(fā)現閥內件磨損,其后2a多的運行觀察與現場檢查均未發(fā)現有閥門內漏現象??梢?,FV01339B閥內件的改造解決了閥內件磨損而致閥門內漏的瓶頸問題,保證了FV01339B的長周期、穩(wěn)定運行。
在FV01339B的控制方式上,通過對原有控制系統(tǒng)進行優(yōu)化,實現了閥位的精準控制,提高了FV01339B啟閉的響應速度,避免了氧氣管網及設備超壓,保證了Shell氣化爐煤燒嘴跳車后空分裝置的安全穩(wěn)定運行及Shell氣化爐的低負荷穩(wěn)定運行。
綜上所述,金新化工2016年對FV01339B閥內件的改進及控制方式的優(yōu)化是合理的、成功的,這對類似工況下閥門內漏問題的解決及調控優(yōu)化有一定的參考與借鑒意義。