王曉光，王文超 (陜煤集團(tuán)榆林化學(xué)有限責(zé)任公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

近年來(lái)，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，能源需求越來(lái)越迫切。現(xiàn)在我國(guó)的石油主要依靠進(jìn)口，我國(guó)已經(jīng)成為純石油進(jìn)口大國(guó)。原料(蘭炭焦油或熱解焦油)在高壓氫和催化劑的條件下，通過(guò)懸浮床加氫反應(yīng)生成中間產(chǎn)品是煤化工企業(yè)重要生產(chǎn)工藝。懸浮床加氫裝置工藝流程主要由原料分餾單元、油漿配制單元、氫氣壓縮、懸浮床加氫反應(yīng)單元、加氫產(chǎn)物分餾單元組成。減壓站的可靠運(yùn)行對(duì)懸浮床加氫裝置的正常運(yùn)行起著至為關(guān)鍵的作用。

1 減壓站系統(tǒng)簡(jiǎn)述

1.1 工藝概述

原料油(蘭炭焦油或熱解焦油)漿經(jīng)原料油漿循環(huán)泵升壓到 23.1 MPa 后，與部分氫氣混合經(jīng)懸浮床進(jìn)料加熱爐加熱至 355 ℃左右，與經(jīng)懸浮床循環(huán)氫加熱爐 升溫的熱氫氣混合后進(jìn)入懸浮床反應(yīng)器(R1)底部，浮床反應(yīng)器(R1)反應(yīng)產(chǎn)物從反應(yīng)器頂部 流出，依次經(jīng)懸浮床反應(yīng)器(R2)、懸浮床反應(yīng)器(R3)，懸浮床反應(yīng)器(R3)頂部流出的反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)降溫至409 ℃左右送至懸浮床熱高壓分離罐(V4)中部。懸浮床反應(yīng)器(R3)底部循環(huán)油采出一部分與經(jīng)過(guò)R4 進(jìn)料加熱爐升溫的熱氫氣與供氫溶劑混合后送至懸浮床反應(yīng)器(R4)的底部。來(lái)自第三懸浮床加氫反應(yīng)器(R3)和第四懸浮床加氫反應(yīng)器(R4)的反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)入懸浮床 熱高壓分離罐(V4)中部后分離為氣液兩相。熱高壓分離罐(V4)頂部設(shè)置洗滌段，自高壓洗 滌油泵升壓后的溫度相對(duì)較低的洗滌油進(jìn)入熱高壓分離罐(V4) 頂部，與熱高分氣逆向 接觸，洗去熱高分氣中的固體雜質(zhì)[1]。

懸浮床熱高壓分離罐(V4)底熱高分油經(jīng)減壓站降壓后至懸浮床熱中壓分離罐(V5)，經(jīng)下游裝置進(jìn)這一步分餾、提純。

1.2 減壓站的功能

減壓站將懸浮床熱高壓分離罐來(lái)的高溫、高壓烴類液體(含固) 進(jìn)行減壓，達(dá)到下游過(guò)程要求的壓力值。減壓站擁有一個(gè)獨(dú)立的入口，包括1 個(gè)四通閥、3個(gè)緊急切斷閥、3 個(gè)調(diào)節(jié)閥、6 個(gè)切斷閥和沖洗、 泄放系統(tǒng)(防止閥門磨蝕、 烴液凝固)、熱備系統(tǒng)。

減壓站由四通閥分為三路，三路管線互為備線(一開(kāi)兩備，一路熱備、一路冷備)，可滿足在線維修的要求。每路管線根據(jù)需要配置適當(dāng)?shù)臎_洗和泄放系統(tǒng)。三路經(jīng)減壓后分別進(jìn)入懸浮床熱中壓分離罐(Φ 2 000×7 000(T/T)，立式)，三個(gè)進(jìn)料口為同一水平高度，管口之間均呈 120o均勻分布 。

1.3 操作工藝

減壓站三路管線互為備線(一開(kāi)兩備，一路熱備、一路冷備)，工況為高溫400 ℃以上、高壓20 MPA 以上、含固、臨氫。減壓站可全自動(dòng)程序控制運(yùn)行，且能實(shí)現(xiàn)工藝要求的減壓功能，當(dāng)一路切出時(shí)能自動(dòng)智能完成閥門檢漏、檢修可行性判斷、管線沖洗、管線降溫及吹掃切出等工作；同時(shí)檢修完成，閥門回裝后可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期在線熱備功能(閥芯不能磨損)，視工藝需求隨時(shí)切入投用，避免因過(guò)大的溫差對(duì)閥門造成損壞以及由巨大熱應(yīng)力引發(fā)的管路破壞；任何支路之間能實(shí)現(xiàn)在線靈活切換，并保證上述自動(dòng)化功能的完備實(shí)現(xiàn)；上述自動(dòng)化功能均有完備的監(jiān)測(cè)參數(shù)送至中控室以供實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)允許用戶在任何條件下切斷自動(dòng)運(yùn)行，投入手動(dòng)操作。當(dāng)工藝管路切換時(shí)，需經(jīng)過(guò)一系列的預(yù)熱、吹掃和沖洗以防溫度劇變引起熱沖擊，并清理管線以便維護(hù)[2]。

減壓站內(nèi)所有參與流程控制的設(shè)備為全儀表化配置，投用后無(wú)需操作工現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)操作，且減壓站的管線切換、切除、檢漏、沖洗、降溫、惰性化處理、升溫、熱備等所有流程，除關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)需要獲得相關(guān)授權(quán)外，全部由減壓站的控制系統(tǒng)自動(dòng)化運(yùn)行，同時(shí)在減壓站內(nèi)設(shè)備出現(xiàn)部分異常情況時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)具體異常問(wèn)題進(jìn)行報(bào)警并在獲得相關(guān)授權(quán)后按照預(yù)設(shè)的故障模式程序自動(dòng)化運(yùn)行。減壓站的控制系統(tǒng)為獨(dú)立的PLC 控制系統(tǒng)，減壓站的控制邏輯及保護(hù)功能均由控制系統(tǒng)實(shí)面。

2 減壓站裝置應(yīng)用中存在的問(wèn)題

2.1 設(shè)計(jì)選型

減壓站進(jìn)料為懸浮床熱高壓分離罐底部排出的含有大量固體和易熱縮合烴類的物流。平均粒度小于 100 μm，80%(重量) 以上顆粒粒度小于 80 μm，最大粒徑≤1.0 mm，莫氏硬度在6.0～6.5 之間，其中高溫有機(jī)硫化物為2.0%(重量)，高溫有機(jī)酸性氧化物為5 000×10-6酚、含 1 000×10-6有機(jī)羧酸或環(huán)烷酸，介質(zhì)成分復(fù)雜。因介質(zhì)組分特性，重質(zhì)油介質(zhì)易結(jié)焦對(duì)儀表信號(hào)正常傳輸存在一定的干擾，含固多相介質(zhì)泄放因磨損較易引發(fā)的密封問(wèn)題。高溫、高壓、含固、酸性氧化物同時(shí)存在減壓站系統(tǒng)中，對(duì)儀表的選型提出了較高的技術(shù)要求。

2.2 系統(tǒng)布置

設(shè)備布置是確定各個(gè)工藝生產(chǎn)設(shè)備在生產(chǎn)裝置中的安裝位置，明確主工藝管線、儀表管線、保溫伴熱管線的走向、安裝位置，同時(shí)最大可能地做到經(jīng)濟(jì)合理、便于操作、維修方便、運(yùn)行安全、排列整齊美觀。

本裝置中反應(yīng)器置于框架較高處，經(jīng)懸浮床熱高壓分離罐(V4)至減壓站裝置，因空間、占地及投資各方因素，現(xiàn)場(chǎng)安裝布局空間受限。在化工工藝裝置的設(shè)計(jì)及裝置布置環(huán)節(jié)中，設(shè)計(jì)人員較為重視前期的設(shè)計(jì)，僅通過(guò)模型審查來(lái)確定其合理性，而對(duì)后期的安裝環(huán)節(jié)或安裝工序中存在的問(wèn)題不太關(guān)注，這對(duì)設(shè)備的后期檢修、維護(hù)也有重大的影響。因其緊湊的設(shè)計(jì)，甚至影響到減壓站巡檢、維修的作業(yè)所需空間要求。在空間布局上已經(jīng)失去了進(jìn)一步優(yōu)化的可能性。

2.3 動(dòng)力源配置

由于本次液壓控制單元所服務(wù)閥門處于高壓差位置，對(duì)閥門要求非常高。由于閥門材質(zhì)原因及怕沖擊的特點(diǎn)。所以作為閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)，除了要考慮裝置運(yùn)行安全穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，還要考慮針對(duì)此類閥門特點(diǎn)，考慮執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，增加對(duì)閥門的保護(hù)。動(dòng)力源系統(tǒng)總包括動(dòng)力油站裝置、蓄能系統(tǒng) 、液壓控制單元。

動(dòng)力油站包括由電動(dòng)機(jī)，油箱，冷卻器，儀表和過(guò)濾器組成的動(dòng)力油站單元(HPU)。HPU 旨在持續(xù)保持蓄能器站內(nèi)的壓力處于最佳范圍內(nèi)，系統(tǒng)使用三個(gè)主泵和一個(gè)應(yīng)急油泵。循環(huán)泵用于冷卻 和過(guò)濾儲(chǔ)存在油箱中的油。主泵的管路連接到蓄能器站。每個(gè)控制單元都是位于單獨(dú)的機(jī)柜中。該設(shè)備包含自動(dòng)和手動(dòng)控制閥門所需的控制元件(電磁閥，手動(dòng)閥)。對(duì)于RPB閥，提供的是調(diào)節(jié)型液壓組件和 PLC 控制組件組成的控制箱。在壓力下降的情況下，蓄能器組作為緩沖罐和能量?jī)?chǔ)存器工作，將壓力保持在最佳范圍內(nèi)。蓄能器組將動(dòng)力單元產(chǎn)生的液壓功率保持為液壓能量，然后用于控制閥門。每個(gè)蓄能器組都與氮?dú)馄窟B接，用作蓄能器組的氮?dú)飧郊釉?。每個(gè)蓄能器組由油側(cè)安全閥組，氣測(cè)安全閥組，油側(cè)和 氣測(cè)壓力表，液壓壓力變送器，還有一個(gè)活塞蓄能器和3 個(gè)氮?dú)馄拷M成。

高容積活塞式蓄能器，滿足所有電機(jī)泵組不能工作情況下，活塞蓄能器儲(chǔ)存液壓油滿足正常運(yùn)行時(shí)的極限工況為9 臺(tái)。閥同時(shí)全開(kāi)(0～100%)、全關(guān)(100%～0)2 個(gè)全行程，整個(gè)過(guò)程蓄能器輸出壓力不低于設(shè)計(jì)工作壓力。每個(gè)控制單元都是位于單獨(dú)的機(jī)柜中。該設(shè)備包含自動(dòng)和手動(dòng)控制閥門所需的控制元件(電磁閥，手動(dòng)閥)。對(duì)于RPB 閥，提供的是調(diào)節(jié)型液壓組件和PLC 控制組件組成的控制箱。

減壓站裝置中考慮動(dòng)力源的穩(wěn)定，主要選動(dòng)液力執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)閥門，液動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)較氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)體積較不少 ，安裝較方便，是比較明顯的優(yōu)勢(shì)。但是采用液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要單獨(dú)配置液壓站廠房(當(dāng)?shù)丨h(huán)境溫度原因，極限低溫可至-25 ℃)，液壓站至液動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)較遠(yuǎn)，諸如此等原因，使的整體成本較高。

3 改進(jìn)措施及優(yōu)化建議

3.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)

在進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)人員既要考慮生產(chǎn)過(guò)程中的裝置布局合理性、安全性，同要考慮在企業(yè)在運(yùn)行過(guò)程中不可避免的檢維修問(wèn)題，確保企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。其實(shí)，重視企業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中的檢維修問(wèn)題也是保證企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的另一個(gè)體現(xiàn)，一旦發(fā)生檢修不能或無(wú)力檢修，不僅會(huì)耗費(fèi)大量的人力、物力，有可能造成大面積裝置停產(chǎn)，對(duì)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)也產(chǎn)生較大的影響。

減壓站主介質(zhì)高溫、高壓、含固、酸性氧化物同時(shí)存在，其中切斷閥的高可靠性優(yōu)為重要，因其含固體顆粒可優(yōu)先選用球閥，同時(shí)采用金屬硬密封，全通徑設(shè)計(jì)，防結(jié)焦結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，接觸介質(zhì)的閥門承壓部件，均應(yīng)考慮介質(zhì)對(duì)金屬的腐蝕減薄量，該減薄量應(yīng)作出明確要求。基于以上原因，閥門可優(yōu)先選用鍛件。主管線LV 調(diào)節(jié)閥前后壓差較大，會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的閃蒸，工藝介質(zhì)中含有固體及顆粒，在高速下對(duì)閥門有嚴(yán)重的磨蝕，設(shè)計(jì)階段必須充分考慮到介質(zhì)的磨蝕性，保證閥門長(zhǎng)期可靠運(yùn)行。

3.2 產(chǎn)品質(zhì)量控制

切斷閥、調(diào)節(jié)閥是減壓縮裝置中主要的控制、調(diào)節(jié)設(shè)備。在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，要充分考慮設(shè)備在維修和檢修工作開(kāi)展時(shí)的可操作性、便捷性，確保后期工作開(kāi)展的簡(jiǎn)單易行。制造階段的質(zhì)量控制，管道、管件加工完成后應(yīng)進(jìn)行固溶和穩(wěn)定化熱處理。熱處理應(yīng)有熱處理報(bào)告并根據(jù) ASTM 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行產(chǎn)品分析，逐件100%UT 超聲波檢驗(yàn)，奧氏體不銹鋼管件要求按照 ASTM E165 方法 B 進(jìn)行 100% 液體滲透檢驗(yàn)。PT 的檢驗(yàn)結(jié)果應(yīng)符合 ASTM E165 的要求。所有閥門都要根據(jù)API598 要求完成高壓閥座關(guān)閉性試驗(yàn)和低壓密封試驗(yàn)以及上密封試驗(yàn)，必須考慮耐磨，更好的抵抗介質(zhì)沖刷，保證使用壽命，克服高壓差對(duì) 閥芯產(chǎn)生的振蕩影響，保證閥門穩(wěn)定運(yùn)行，能夠?qū)崿F(xiàn)抵御介質(zhì)中的顆粒物將閥芯抱死，卡澀 等功能，且便于維修更換。每批同型號(hào)材料至少抽驗(yàn)一次化學(xué)成分和機(jī)械性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果需符合 ASTM 標(biāo)準(zhǔn)的要求。

考慮到介質(zhì)的含固性，建議采用浮動(dòng)球形式的全通徑O 型球閥，因調(diào)節(jié)閥前后壓差較大，會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的閃蒸，工藝介質(zhì)中含有固體及顆粒，在高速下對(duì)閥門有嚴(yán)重的磨蝕，需朵充分考慮到介質(zhì)的磨蝕性，出口處建議進(jìn)行硬化處理。建議切斷閥的閥芯和閥座通過(guò)硬化處理(高溫氧焰噴涂后熱熔融處理)，以提高涂層與基材的附著力，消除涂層應(yīng)力。介質(zhì)臨氫、高壓，閥門需關(guān)注其耐火性能，保證閥門安全運(yùn)行。

產(chǎn)品市場(chǎng)良莠不齊，盡可能選擇信譽(yù)好、業(yè)績(jī)較廣泛的制造廠家。

3.3 控制閥的選擇

關(guān)于切斷閥動(dòng)力源的選擇，控制閥的可操作性和穩(wěn)定性是動(dòng)力源選擇需考慮的重要因素。常規(guī)動(dòng)力源有電動(dòng)、氣動(dòng)、液動(dòng)。綜合分析，建議每條線上各切斷閥選不同方式驅(qū)動(dòng)源，避免單一驅(qū)動(dòng)源失源造成工藝操作不可控。鑒于電動(dòng)驅(qū)動(dòng)的局限性，可以不作為考慮對(duì)象，氣動(dòng)、液動(dòng)是驅(qū)動(dòng)源的不二選擇。因介質(zhì)高壓，需考慮各減壓線切斷閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)能保證閥門在各種工況下(含最大差壓)平穩(wěn)開(kāi)啟、關(guān)閉，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出力矩應(yīng)至少為閥門最大扭矩的1.5 倍，執(zhí)行機(jī)構(gòu)同步設(shè)置限位保護(hù)功能。

減壓站工藝介質(zhì)高溫、高壓、含固，其特性復(fù)雜。鑒于系統(tǒng)運(yùn)行的重要性，在保證動(dòng)力源的作用可靠的基礎(chǔ)上，需要考慮其備用系統(tǒng)，如氣動(dòng)設(shè)備增加儲(chǔ)氣罐，其動(dòng)力源需保證不少于2 個(gè)動(dòng)作行程，氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的氣缸上設(shè)置易熔塞，當(dāng)氣缸溫度達(dá)到或超過(guò)易熔塞的熔點(diǎn)時(shí)，易熔塞熔化將氣缸內(nèi)的壓力泄放掉，使另一側(cè)儲(chǔ)氣罐內(nèi)的壓縮空氣推動(dòng)活塞將閥門關(guān)閉。

電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)建議過(guò)濾器采用雙聯(lián)過(guò)濾器，采用電液伺服閥控制，有獨(dú)立的電磁閥控制鎖位，且為失電鎖位方式，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時(shí)加設(shè)儲(chǔ)能罐。

4 結(jié)語(yǔ)

化工企業(yè)生產(chǎn)能力是由各種裝置設(shè)備組合形成的，是企業(yè)生產(chǎn)重要的技術(shù)基礎(chǔ)。伴隨著我國(guó)科技創(chuàng)新的不斷深入，不斷完善創(chuàng)新工藝水平的發(fā)展趨勢(shì)，已經(jīng)融入到化學(xué)工業(yè)的多方面，通過(guò)不斷引進(jìn)先進(jìn)的生產(chǎn)設(shè)備和工藝水平，提高企業(yè)的生產(chǎn)效率，同時(shí)還能夠降低在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、運(yùn)維成本。懸浮床減壓站在當(dāng)前化工行業(yè)應(yīng)用還處于發(fā)展階段，需要相關(guān)行業(yè)、專業(yè)人員高度重視，關(guān)注化工工藝的設(shè)計(jì)優(yōu)化和相關(guān)產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)性能，確保設(shè)計(jì)的合理性和科學(xué)性、嚴(yán)謹(jǐn)性。