祁維軍,胡彥文,楊一仁,蔣 瑞

(青海云天化國(guó)際化肥有限公司,西寧 811600)

青海云天化國(guó)際化肥有限公司一期尿素裝置于2010年投產(chǎn),采用二氧化碳汽提法工藝,汽提塔液位調(diào)節(jié)閥為Fisher高壓角閥。整套尿素生產(chǎn)工藝對(duì)該調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)性能要求很高,汽提塔液位是否能順利投入自控模式也是重要的工藝指標(biāo)。

該汽提塔液位調(diào)節(jié)閥(LV-2202)原設(shè)計(jì)為線性流量特性,且流通能力過(guò)大,造成實(shí)際使用開(kāi)度較小(18%～22.4%)。自尿素裝置投產(chǎn)以來(lái),該閥長(zhǎng)期處于手動(dòng)控制狀態(tài),操作頻繁、難以控制,影響尿素裝置穩(wěn)定運(yùn)行。為此,在2018年大修期間對(duì)該閥流通能力進(jìn)行計(jì)算,并對(duì)閥芯進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和加工。優(yōu)化后,該閥的調(diào)節(jié)性能有了明顯的改善,在裝置高負(fù)荷生產(chǎn)時(shí),汽提塔液位調(diào)節(jié)可以投入自控模式。

1 工藝流程

合成塔的液相從出液閥(HV-2201)進(jìn)入汽提塔頂部,經(jīng)汽提塔內(nèi)的液體分配器將尿液均勻地分配到每根列管中,并以液膜狀態(tài)沿壁往下降,防止CO2氣體竄流到循環(huán)系統(tǒng)中。如果液位波動(dòng)劇烈,超過(guò)低限,會(huì)出現(xiàn)竄氣現(xiàn)象,導(dǎo)致循環(huán)系統(tǒng)超壓;如果液位過(guò)高,易造成出液溫度高,使產(chǎn)品縮二脲含量升高。因此,汽提塔液位一般控制在30%～60%,由汽提塔液位調(diào)節(jié)閥(LV-2202)自動(dòng)控制完成。汽提塔液位調(diào)節(jié)工藝流程圖見(jiàn)圖1。

HIC2201—合成塔出液閥開(kāi)度;TT2211—汽提塔氣相管溫度;LIC2202—汽提塔液位顯示調(diào)節(jié);TT2210—汽提塔液相溫度。

2 控制原理

使用同位素銫137配上海伯托LB 4700T探測(cè)器來(lái)測(cè)量汽提塔液位1(LT-2201),汽提塔有效液位高度為62 cm,液位有效直徑為60 cm。在高壓差下,有效液位變化很快,對(duì)調(diào)節(jié)閥的控制要求很高。在正常生產(chǎn)過(guò)程中,汽提塔的液位要求在自動(dòng)控制模式運(yùn)行[1]。在生產(chǎn)工藝穩(wěn)定的情況下,汽提塔的進(jìn)出近似平衡狀態(tài),當(dāng)汽提塔液位2(LT-2202)測(cè)量值低于設(shè)定值時(shí),經(jīng)集散控制系統(tǒng)(DCS)判斷、比較,輸出信號(hào)減小LV-2202開(kāi)度;當(dāng)LT-2202測(cè)量值與設(shè)定值相符時(shí),LV-2202開(kāi)度保持不變;當(dāng)LT-2202測(cè)量值大于設(shè)定值時(shí),輸出信號(hào)增大LV-2202開(kāi)度,直至液位測(cè)量值與設(shè)定值相等。這個(gè)過(guò)程是連續(xù)的,在這個(gè)過(guò)程中液位測(cè)量會(huì)有波動(dòng),測(cè)量值與設(shè)定值出現(xiàn)偏差。為消除偏差,DCS會(huì)控制LV-2202進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于汽提塔有效控制液位很少,因此要求調(diào)節(jié)閥的開(kāi)關(guān)幅度很小,以及流量變化量、閥門流通面積變化量很小,才有益于液位的穩(wěn)定控制[2]。汽提塔液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制原理見(jiàn)圖2。

e—液位的變化量;u—DCS計(jì)算判斷后輸出的調(diào)節(jié)量。

3 調(diào)節(jié)閥運(yùn)行數(shù)據(jù)分析

3.1 調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)計(jì)算

根據(jù)工藝參數(shù),計(jì)算調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)及流通能力,進(jìn)一步確定閥門的閥座通徑,以及相對(duì)流量和相對(duì)流通面積。LV-2202的工藝參數(shù)見(jiàn)表1,其液體通流介質(zhì)為尿素、氨基甲酸銨、水、NH3和CO2。

表1 LV-2202工藝參數(shù)表

根據(jù)表1參數(shù),使用閥門計(jì)算軟件計(jì)算得到調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)Cv為17;根據(jù)Cv,選擇閥座通徑為30 mm[3]。2018年前閥座通徑為40 mm,Cv為 41.7,明顯選擇太大,這是閥門長(zhǎng)期在小開(kāi)度下運(yùn)行,無(wú)法投自動(dòng)控制的原因。

3.2 調(diào)節(jié)閥運(yùn)行開(kāi)度分析

2019年全年調(diào)節(jié)閥運(yùn)行開(kāi)度在50%～60%;2020年全年調(diào)節(jié)閥運(yùn)行開(kāi)度在40%～50%;2021年全年調(diào)節(jié)閥運(yùn)行開(kāi)度在30%～40%。其間,閥芯加工尺寸相同,在2021年大修時(shí)發(fā)現(xiàn),閥座通徑由于腐蝕,從30 mm變?yōu)?1 mm,分析原因?yàn)楦g沖刷。流通面積稍微發(fā)生變化,閥門的開(kāi)度就會(huì)發(fā)生變化,調(diào)節(jié)閥實(shí)際有效可調(diào)范圍很小。LV-2202歷年運(yùn)行數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 LV-2202歷年運(yùn)行數(shù)據(jù)

3.3 調(diào)節(jié)閥運(yùn)行流通面積

根據(jù)歷年的運(yùn)行參數(shù),可計(jì)算出調(diào)節(jié)閥在工藝中常用的流通面積,進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)性能。LV-2202歷年運(yùn)行流通面積數(shù)據(jù)見(jiàn)表3,其中閥芯的截面間隔為2 mm。由表3可以看出:調(diào)節(jié)閥的在運(yùn)行中由于加工誤差、閥座的腐蝕等因素,通徑變大,閥門開(kāi)度逐年減小。閥門的常用流通面積為210～270 mm2;閥門開(kāi)度在30%～55%。理論計(jì)算閥門的開(kāi)度在35%～50%(見(jiàn)表4),雖然有偏差,但開(kāi)度還是吻合的。

表3 LV-2202歷年運(yùn)行流通面積數(shù)據(jù)(實(shí)際)

表4 LV-2202閥芯加工尺寸表(理論)

4 閥門的選型和加工

4.1 閥門流量特性的選擇

根據(jù)對(duì)閥門流量系數(shù)的計(jì)算,以及對(duì)閥門運(yùn)行參數(shù)、加工數(shù)據(jù)的分析,閥門總行程L=32 mm,為了方便計(jì)算和測(cè)量,取10%L=3.2 mm;常用開(kāi)度35%～50%,對(duì)應(yīng)行程變化量為4.8 mm;流通面積200～260 mm2,閥門流通面積變化量約60 mm2。汽提塔的可控液位的總體積為0.175 m3,液位控制范圍為30%～60%,介質(zhì)體積變化范圍0.052～0.105 m3;閥門特性為直線型,特點(diǎn)為閥門開(kāi)度小、流量變化量大、調(diào)節(jié)作用太快太強(qiáng),易出現(xiàn)超調(diào),引起系統(tǒng)不穩(wěn)。線性流量特性在液位變化快、可調(diào)范圍小的工況下,調(diào)節(jié)性能差。而等百分比流量特性可以解決這個(gè)問(wèn)題,在行程開(kāi)度相同、相對(duì)流量變化量相等,以及流通面積變化量相同時(shí),開(kāi)度小、流量變化量也小,調(diào)節(jié)平穩(wěn),可調(diào)比寬[4]。

線性流量特性和等百分比流量特性,閥門開(kāi)度和相對(duì)流量的關(guān)系[2]見(jiàn)圖3。由圖3可以看出:閥門相同開(kāi)度,線性引起相對(duì)流量的變化量比等百分比大,等百分比變化比較柔和,所以對(duì)于汽提塔的液位調(diào)節(jié)閥,流量特性應(yīng)該選擇等百分比。

圖3 流量特性相對(duì)行程與相對(duì)流量

4.2 等百分比流量特性時(shí)閥芯尺寸和流通面積的計(jì)算

4.2.1 數(shù)據(jù)計(jì)算

根據(jù)對(duì)LV-2202運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析,選擇等百分比流量特性的閥芯更加適合現(xiàn)在的生產(chǎn)工藝,對(duì)此特性的閥芯限流段設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)(見(jiàn)表5),使用閥芯和閥座計(jì)算軟件計(jì)算[3],結(jié)果見(jiàn)表6(總計(jì)算有14組,現(xiàn)取10組數(shù)據(jù)做說(shuō)明)。

表5 一期尿素LV-2202閥芯設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)(行程32 mm)

表6 2022年一期LV2202閥芯新加工的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

優(yōu)化過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)閥座通徑由于腐蝕變大為31 mm,則閥芯根據(jù)閥座通徑為31 mm計(jì)算。閥芯根據(jù)等百分比流量特性計(jì)算并加工,總行程為32 mm,總共計(jì)算14個(gè)截面,截面間隔2 mm。在車床分14刀做出閥芯實(shí)物胚,再打磨圓整成為成品;全過(guò)程手工加工,因此存在誤差,加上管道流通阻力,閥門特性為近似等百分比流量特性,加工最大允許誤差≤0.3 mm。與線性流量特性閥芯相比,在閥門開(kāi)度變化量相同時(shí),等百分比流量特性閥芯的相對(duì)流通面積變化量小,相對(duì)流量的變化也會(huì)柔和,液位的變化也會(huì)平穩(wěn),更加適應(yīng)于汽提塔液位自動(dòng)調(diào)節(jié)。

4.2.2 等百分比流量特性閥芯加工設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和加工復(fù)核數(shù)據(jù)

根據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)(見(jiàn)表6)畫出加工圖(見(jiàn)圖4)后,在機(jī)床加工出新閥芯,再進(jìn)行一次數(shù)據(jù)復(fù)核,確保每個(gè)測(cè)量點(diǎn)加工誤差≤0.3 mm。

圖4 LV-2202加工圖紙

從表6可以看出:最大誤差在0.23 mm,在允許誤差之內(nèi),對(duì)總體調(diào)節(jié)性能影響不大。

5 百分比流量特性閥芯的使用及運(yùn)行數(shù)據(jù)跟蹤

新設(shè)計(jì)的閥芯投入生產(chǎn)后,在自動(dòng)控制的模式下,在不同的生產(chǎn)負(fù)荷中,運(yùn)行平穩(wěn),達(dá)到了工藝的生產(chǎn)需求,收集運(yùn)行數(shù)據(jù)見(jiàn)表7。從表7可以看出:2022年2月9—10日,液位基本穩(wěn)定時(shí),隨生產(chǎn)負(fù)荷的提高閥門開(kāi)度也隨之增大。2022年2月15日后,LT-2201零點(diǎn)校驗(yàn),在負(fù)荷穩(wěn)定的狀態(tài)下,液位降低時(shí),閥位也隨之增加,性能明顯提高。

表7 2022年部分LV-2202運(yùn)行數(shù)據(jù)

6 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)對(duì)汽提塔工藝流程、汽提塔液位變化規(guī)律的分析,結(jié)合調(diào)節(jié)閥運(yùn)行參數(shù),以及流通量面積的對(duì)比、計(jì)算,對(duì)閥門的流量特性進(jìn)行優(yōu)化,將線性流量特性優(yōu)化改造為近似等百分比流量特性。實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)表明,優(yōu)化效果良好,對(duì)汽提塔液位調(diào)節(jié)性能有很大改善。對(duì)于液位變化快、可控范圍小的液位控制,調(diào)節(jié)閥的閥芯可以進(jìn)行這種優(yōu)化改造。