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        氧氣放空閥閥內(nèi)件改造及控制方式優(yōu)化小結(jié)

        2021-12-24 02:49:00高志森
        中氮肥 2021年3期
        關(guān)鍵詞:內(nèi)件空分閥座

        高志森

        (呼倫貝爾金新化工有限公司,內(nèi)蒙古呼倫貝爾 021506)

        1 概 述

        呼倫貝爾金新化工有限公司(簡(jiǎn)稱金新化工)“50·80”項(xiàng)目(500kt/a合成氨、800kt/a尿素)以褐煤為原料,配置3臺(tái)BGL氣化爐;2014年實(shí)施原料及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整技改,增設(shè)了1臺(tái)Shell氣化爐(下行水激冷氣化爐)。

        金新化工36000m3/h空分裝置(產(chǎn)品氧氣設(shè)計(jì)產(chǎn)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(diào)節(jié)閥(FV01339A)控制,其余氧氣通過調(diào)節(jié)閥(PV01340)減壓后送至甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化工序作為原料,多余的氧氣由氧氣放空閥(FV01339B)調(diào)節(jié)放空。

        圖1 空分裝置氧氣系統(tǒng)工藝流程簡(jiǎn)圖

        氧氣放空閥(FV01339B)設(shè)計(jì)(工作)溫度36 ℃、設(shè)計(jì)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(chǎn)的3251型調(diào)節(jié)閥,閥芯采用V形窗口設(shè)計(jì),閥芯由流量窗口、導(dǎo)向柱、密封面組成。FV01339B閥芯上有3個(gè)流量窗口,窗口的深度和大小尺寸均不同,最大的窗口正對(duì)流體的下游,保證小開度時(shí)流量的精準(zhǔn)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(nèi)徑為82.7mm,閥芯導(dǎo)向柱尺寸為82.4mm;當(dāng)閥芯落入閥座后,閥芯與閥座的單邊間隙只有0.15mm。

        2 氧氣放空閥存在的問題

        在前期生產(chǎn)運(yùn)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(chǎn):2012年,由于FV01339B閥芯與閥座磨損以及閥桿彎曲,導(dǎo)致閥門內(nèi)漏;2013年,同樣的問題再次出現(xiàn),改進(jìn)FV01339B閥內(nèi)件材質(zhì)后內(nèi)漏問題依然存在;2014年增加FV01339B閥芯導(dǎo)向面積,2015年4月增加FV01339B閥芯導(dǎo)向柱,內(nèi)漏問題仍未有效解決。氧氣放空閥(FV01339B)出現(xiàn)內(nèi)漏后,會(huì)使氧氣放空量增大,去煤氣化系統(tǒng)的氧氣量減少,生產(chǎn)系統(tǒng)負(fù)荷降低,影響生產(chǎn)任務(wù)的完成;此外,2016年Shell氣化爐投運(yùn)以后,生產(chǎn)系統(tǒng)對(duì)氧氣的需求量增加(意味著對(duì)閥門泄漏的要求更為嚴(yán)格),通過對(duì)空分裝置進(jìn)行優(yōu)化,氧負(fù)荷由36000m3/h提升至38000m3/h,而FV01339B設(shè)計(jì)流通量偏小,且Shell氣化爐在4個(gè)煤燒嘴前只設(shè)有1臺(tái)氧氣緊急放空開關(guān)閥(13XV0006),當(dāng)Shell氣化爐1個(gè)或者2個(gè)煤燒嘴跳車后,為保證Shell氣化爐能低負(fù)荷運(yùn)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(lái),氧氣放空會(huì)不足及滯后,導(dǎo)致氧氣管網(wǎng)及設(shè)備超壓,給氧氣管網(wǎng)帶來(lái)很大的安全隱患,同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致BGL氣化爐及空分裝置負(fù)荷波動(dòng),影響空分裝置和氣化裝置的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

        歸結(jié)起來(lái),F(xiàn)V01339B存在的問題主要有:①FV01339B設(shè)計(jì)流通量偏小,氧氣負(fù)荷提高后,事故狀態(tài)下FV01339B放空量不足;②FV01339B閥內(nèi)件磨損、卡澀,導(dǎo)致FV01339B內(nèi)漏;③Shell氣化爐煤燒嘴跳車后FV01339B放空不及時(shí)引起氧氣管網(wǎng)及設(shè)備超壓。

        3 氧氣放空閥的優(yōu)化改進(jìn)方案

        氧氣放空閥(FV01339B)為SAMSON3251型調(diào)節(jié)閥,其投運(yùn)以來(lái)多次出現(xiàn)故障,主要為閥內(nèi)件磨損、閥門卡澀、閥桿彎曲及斷裂,給系統(tǒng)的運(yùn)行帶來(lái)巨大的安全隱患。為使系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,需對(duì)FV01339B閥內(nèi)件進(jìn)行改造,以延長(zhǎng)其使用壽命,并進(jìn)一步優(yōu)化其控制方式,確保系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)周期運(yùn)行。

        3.1 改進(jìn)閥門內(nèi)件以提高其流通量

        氧氣放空閥(FV01339B)原閥內(nèi)件設(shè)計(jì)最大流通量為36000m3/h,但在實(shí)際生產(chǎn)中,最高氧氣負(fù)荷已達(dá)38000m3/h,因此需通過閥內(nèi)件改造提高其流通量。據(jù)原閥內(nèi)件圖紙數(shù)據(jù),可以計(jì)算出閥座流通面積為5335mm2,閥芯在全開時(shí)的最大流通面積為3360mm2(采用扇形平面估算法計(jì)算);在阻力系數(shù)衡定且介質(zhì)不可壓縮的情況下,依據(jù)相對(duì)流通面積的變化與相對(duì)流通量的變化成正比的關(guān)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(shè)計(jì)閥芯的最大流通量,m3/h;

        A——原閥芯計(jì)算流通面積,mm2;

        Amax——設(shè)計(jì)閥芯最大流通面積,mm2。

        將Q=36000m3/h、Qmax=38000m3/h、A=3360mm2代入式(1),計(jì)算可得設(shè)計(jì)閥芯最大流通面積Amax≈3547mm2;將Q=36000m3/h、Qmax=38000m3/h、A′=5335mm2代入式(1),計(jì)算可得設(shè)計(jì)閥座最大流通面積A′max≈5631 mm2。則設(shè)計(jì)閥座流通直徑≈2×(5631/3.14)0.5=84.7mm,即在原閥座82.7mm的內(nèi)徑基礎(chǔ)上增加2mm。

        3.2 閥內(nèi)件磨損/卡澀問題的分析及改進(jìn)

        3.2.1 磨損/卡澀原因

        當(dāng)閥門在小開度投自控時(shí),閥門頻繁動(dòng)作,閥芯上只有最大流量窗口通過介質(zhì),介質(zhì)的推力促使閥芯產(chǎn)生反向作用力,使閥桿與閥芯形成懸臂梁,導(dǎo)致閥桿彎曲,進(jìn)而閥芯導(dǎo)向柱與閥座產(chǎn)生摩擦。

        當(dāng)閥門全關(guān)時(shí),因閥芯導(dǎo)向柱與閥座密封面已經(jīng)磨損,閥門出現(xiàn)泄漏,導(dǎo)致后續(xù)系統(tǒng)氧氣量減少、負(fù)荷降低。

        當(dāng)閥門開度達(dá)80%以上時(shí),閥芯上3個(gè)流量窗口均有介質(zhì)流過,介質(zhì)的推力得到抵消,但當(dāng)閥芯與閥座磨損到一定程度后,閥門在關(guān)閉過程中,因之前閥桿已彎曲、閥座磨損嚴(yán)重,使得閥芯與閥座不同軸,導(dǎo)致閥芯的導(dǎo)向面卡在閥座邊緣,閥芯不能落入閥座內(nèi),在執(zhí)行機(jī)構(gòu)的推力下閥桿受力過大而彎曲或斷裂。

        3.2.2 閥內(nèi)件的改進(jìn)

        3.2.2.1 閥內(nèi)件材質(zhì)改進(jìn)

        (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(duì)較軟,為提高FV01339B閥內(nèi)件的抗磨能力,閥內(nèi)件改為采用Inconel625鎳基合金,其布氏硬度(HB)≤220。

        (2)對(duì)容易磨損的閥芯導(dǎo)向柱部分進(jìn)行堆焊硬化處理,使其硬度進(jìn)一步提高,以延長(zhǎng)閥內(nèi)件的使用壽命。

        3.2.2.2 閥芯形面的改進(jìn)

        結(jié)合閥內(nèi)件的磨損情況,重新設(shè)計(jì)了閥芯形面:將閥芯形面設(shè)計(jì)為3個(gè)相同的流量窗口,在小開度時(shí)每個(gè)流量窗口都有介質(zhì)流過,使3個(gè)流量窗口產(chǎn)生的徑向力相互抵消;取消閥芯上的3個(gè)導(dǎo)向柱,由1個(gè)中心導(dǎo)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(chǎn)生摩擦閥門將出現(xiàn)內(nèi)漏,故在設(shè)計(jì)閥芯形面時(shí)充分考慮了閥芯與閥座間的間隙,將閥芯設(shè)計(jì)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(guān)時(shí)密封面完好。

        3.2.2.3 閥芯形面的設(shè)計(jì)與計(jì)算

        據(jù)FV01339B原始設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)可知,閥門可調(diào)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(jì)算理想流量特性曲線:

        式中 Q——原閥芯流通量,m3/h;

        Qmax——設(shè)計(jì)閥芯的最大流通量,m3/h;

        R——調(diào)節(jié)閥可調(diào)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(shù)據(jù),見表1;由直線流量特性計(jì)算數(shù)據(jù),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(jì)算數(shù)據(jù)表

        據(jù)閥門直線流量特性曲線,計(jì)算閥門開啟面積AK。在閥芯形面計(jì)算過程中,利用三角函數(shù)的關(guān)系,計(jì)算出4°錐形閥芯在每個(gè)開度下閥芯斜率對(duì)流通面積的影響,求出AK。采用矩形計(jì)算公式與近似異形閥瓣計(jì)算公式,計(jì)算出閥芯截面窗口寬度。初始形面矩形計(jì)算如式(3)、異形閥瓣計(jì)算如式(4),閥芯形面計(jì)算數(shù)據(jù)見表2。

        表2 閥芯形面計(jì)算數(shù)據(jù)表

        式中 ιk——閥芯截面窗口寬度,mm;

        ιk-1——前一個(gè)截面窗口寬度,mm;

        AK——計(jì)算截面內(nèi)閥瓣窗口開啟的截面積,mm2;

        AK-1——前一個(gè)截面內(nèi)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(shù)量。

        據(jù)閥芯截面窗口寬度(ιk),可以繪制出閥芯的形面。實(shí)際加工中,要將棱角倒圓,保證氧氣在流通過程中無(wú)局部阻力,以免產(chǎn)生流速過大的現(xiàn)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(gè)φ18mm、L=90mm的導(dǎo)向柱。

        3.2.2.4 閥座改進(jìn)

        閥芯增設(shè)導(dǎo)向柱,閥座也相應(yīng)地增設(shè)導(dǎo)向支架。閥座上的窗口面積之和大于閥座內(nèi)截面積,從而滿足介質(zhì)的流通性能。改進(jìn)后閥座設(shè)計(jì)示意如圖3。

        圖3 改進(jìn)后閥座設(shè)計(jì)示意圖

        3.3 閥門流量控制方式的優(yōu)化

        3.3.1 優(yōu)化思路

        為使氧氣放空閥(FV01339B)能快速響應(yīng)又不出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象,擬通過對(duì)原有閥門控制系統(tǒng)的改進(jìn)實(shí)現(xiàn)閥門流量控制方式的優(yōu)化。為此,基于Shell氣化爐開車時(shí)的氧氣使用量及FV01339B的開度情況,結(jié)合FV01339B的流量特性與測(cè)試數(shù)據(jù),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(jì)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(duì)偏差計(jì)算

        由上述兩條擬合曲線,可利用多項(xiàng)式擬合出閥門開度OP值(x)與氧氣放空量PV值(y)的關(guān)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(yùn)用擬合公式(5)、 (6)計(jì)算出的閥門擬合數(shù)據(jù)及其絕對(duì)偏差見表3。可以看出,實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)與計(jì)算擬合數(shù)據(jù)基本吻合,滿足閥門控制需要。

        表3 閥門測(cè)試數(shù)據(jù)及其與擬合數(shù)據(jù)的絕對(duì)偏差

        3.3.3 實(shí)際應(yīng)用

        實(shí)際應(yīng)用中,因空分裝置與Shell氣化爐服務(wù)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(guān)、聯(lián)鎖切除選擇開關(guān),空分裝置與Shell氣化爐都有權(quán)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,F(xiàn)IC01339B(氧氣放空閥FV01339B流量)控制模式變?yōu)槭謩?dòng),2s(信號(hào)傳遞與計(jì)算所需時(shí)間)后FV01339B恢復(fù)自動(dòng)控制模式。Shell氣化爐與空分裝置聯(lián)鎖控制FIC01339B計(jì)算步驟見圖6。

        圖6 聯(lián)鎖控制FIC01339B計(jì)算步驟示意圖

        聯(lián)鎖投用以來(lái),Shell氣化爐煤燒嘴聯(lián)鎖跳車后,F(xiàn)V01339B能夠準(zhǔn)確、及時(shí)開到所需閥位進(jìn)行放空,避免了氧氣管網(wǎng)超壓,保證了Shell氣化爐的低負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行。

        4 結(jié)束語(yǔ)

        金新化工空分裝置氧氣放空閥(FV01339B)自2012年開始出現(xiàn)故障,經(jīng)多年來(lái)的優(yōu)化改進(jìn),最終于2016年改造后取得了良好的成效,閥門內(nèi)漏問題得以解決;2017年對(duì)FV01339B進(jìn)行解體檢查,未發(fā)現(xiàn)閥內(nèi)件磨損,其后2a多的運(yùn)行觀察與現(xiàn)場(chǎng)檢查均未發(fā)現(xiàn)有閥門內(nèi)漏現(xiàn)象??梢?,F(xiàn)V01339B閥內(nèi)件的改造解決了閥內(nèi)件磨損而致閥門內(nèi)漏的瓶頸問題,保證了FV01339B的長(zhǎng)周期、穩(wěn)定運(yùn)行。

        在FV01339B的控制方式上,通過對(duì)原有控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)了閥位的精準(zhǔn)控制,提高了FV01339B啟閉的響應(yīng)速度,避免了氧氣管網(wǎng)及設(shè)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(yùn)行及Shell氣化爐的低負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行。

        綜上所述,金新化工2016年對(duì)FV01339B閥內(nèi)件的改進(jìn)及控制方式的優(yōu)化是合理的、成功的,這對(duì)類似工況下閥門內(nèi)漏問題的解決及調(diào)控優(yōu)化有一定的參考與借鑒意義。

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