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石化加氫裝置高壓調(diào)節(jié)閥選型分析
渣油加氫裝置具有臨氫、高壓、高溫、高H2S腐蝕的特點(diǎn)，其中關(guān)鍵部位高壓控制閥合理選型成為裝置安全、平穩(wěn)運(yùn)行的關(guān)鍵。從工程設(shè)計(jì)角度，針對渣油加氫裝置的加氫進(jìn)料泵、注水泵、高壓貧胺液泵等高壓機(jī)泵出口，熱高壓分離器、冷高壓分離器底出口，新氫壓縮機(jī)出口，循環(huán)氫壓縮機(jī)出入口等典型部位的高壓控制閥設(shè)計(jì)選型和應(yīng)用原則等方面作了相關(guān)分析及探索。
隨著石油資源的日益減少以及原油重質(zhì)化、劣質(zhì)化趨勢的加劇,渣油加氫工藝逐漸成為渣油加工的重要手段之一。渣油加氫裝置具有臨氫、高壓、高溫、高H2S腐蝕的特點(diǎn)[1]，其中關(guān)鍵部位的高壓控制閥合理選型成為裝置安全、穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。高壓控制閥具有運(yùn)行工況苛刻、技術(shù)復(fù)雜、采購周期長、采購成本高的特點(diǎn)，因此合理選型成為自控儀表工程中關(guān)注的焦點(diǎn)。高壓控制閥包括高壓調(diào)節(jié)閥和高壓開關(guān)閥，高壓調(diào)節(jié)閥應(yīng)用于高壓介質(zhì)流量調(diào)節(jié)功能等；高壓開關(guān)閥應(yīng)用于聯(lián)鎖保護(hù)安全功能、動設(shè)備停機(jī)隔離功能等。筆者結(jié)合設(shè)計(jì)的渣油加氫項(xiàng)目，分析及探索了典型部位高壓控制閥的選型及應(yīng)用。渣油加氫裝置原料為減壓渣油、焦化蠟油等，核心反應(yīng)操作壓力達(dá)到20 MPa，操作溫度達(dá)到397 ℃。
1、石化加氫裝置高壓調(diào)節(jié)閥選型分析選型分析
1.1 類型及結(jié)構(gòu)
高壓調(diào)節(jié)閥選用氣動閥。閥體選用高壓直通調(diào)節(jié)閥或高壓多級降壓角閥。
1) 高壓直通調(diào)節(jié)閥適用于高靜壓、低壓差場合。高壓直通調(diào)節(jié)閥細(xì)分為高壓直通單座調(diào)節(jié)閥和高壓直通套筒調(diào)節(jié)閥。優(yōu)先選用高壓直通套筒調(diào)節(jié)閥，同等操作條件下相比高壓直通單座調(diào)節(jié)閥所需推力小，可采用較小尺寸的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。對于介質(zhì)含催化劑粉末的情況，應(yīng)選用單座調(diào)節(jié)閥，不選用套筒調(diào)節(jié)閥，避免催化劑粉末堵塞調(diào)節(jié)閥套筒。
2) 高壓多級降壓角閥主要適用于高靜壓、高壓差液相場合。高壓多級降壓角閥采用角形流道，選用多級降壓閥內(nèi)件結(jié)構(gòu)。管道內(nèi)的介質(zhì)在通過多級降壓閥內(nèi)件時產(chǎn)生多次壓降，控制每級壓降都小于發(fā)生氣蝕的最小壓差，最后達(dá)到工藝要求的壓降。有效防止氣蝕和降低噪音，保證調(diào)節(jié)閥長周期使用。
1.2 石化加氫裝置高壓調(diào)節(jié)閥選型分析閥體及閥內(nèi)件材質(zhì)選擇
高壓調(diào)節(jié)閥的閥體及內(nèi)件的材質(zhì)和耐腐蝕性能不得低于配管材料等級規(guī)定。由于渣油加氫工藝過程中，對于具有含H2S特性的介質(zhì)，調(diào)節(jié)閥接液材料應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)抗H2S腐蝕處理，滿足NACE MR 0103：2007的要求[4-5]。
渣油加氫高壓調(diào)節(jié)閥閥體無特殊要求時通常采用鑄鋼，材質(zhì)為A216-WCC的特種碳鋼，適用于溫度范圍為-30～425 ℃的水、油、過熱蒸汽和氣體等非腐蝕性介質(zhì)。如項(xiàng)目在東北等寒冷地區(qū)，可選用材質(zhì)為LCC的碳鋼進(jìn)行替代。LCC碳鋼是一種適應(yīng)寒冷地區(qū)使用的低溫碳鋼，有良好的綜合機(jī)械性能與焊接性能。目前LCC碳鋼已被歐美各國廣泛用于閥門制造。
渣油加氫介質(zhì)溫度高于280 ℃且氫氣濃度較高的場合，按納爾遜曲線進(jìn)行選材，且保證一定余量。高壓調(diào)節(jié)閥閥體需選用抗氫脆材料，閥體選用材質(zhì)為A217-WC9的特種合金鋼。該材質(zhì)可適用于高達(dá)593 ℃的氫濃度較高的高溫高壓介質(zhì)。
渣油加氫介質(zhì)溫度高于350 ℃且氫氣、H2S濃度較高的場合，主要分布在渣油加氫反應(yīng)器、熱高分進(jìn)出料部位，對高壓調(diào)節(jié)閥閥體提出了更高的要求，需要同時考慮氫脆及硫腐蝕工況。閥體材質(zhì)選用A351-CF8C的奧氏體不銹鋼，奧氏體不銹鋼由于含穩(wěn)定的元素鈮，使其具有了更好的耐晶界腐蝕性及高溫強(qiáng)度，可適用于高達(dá)649 ℃的氫氣、H2S濃度較高、高溫高壓的介質(zhì)。
高壓調(diào)節(jié)閥閥內(nèi)件材質(zhì)的選用應(yīng)優(yōu)于普通調(diào)節(jié)閥閥體，閥芯、閥座等選用常規(guī)316不銹鋼材質(zhì)，考慮到渣油高溫、高壓特點(diǎn)，閥芯、閥座一般都進(jìn)行表面硬化處理，常噴涂斯泰來合金或噴涂碳化鎢等。H2S含量較高場合，如冷高分、循環(huán)氫脫硫塔液位調(diào)節(jié)閥等位置，閥內(nèi)件也可選用材質(zhì)為Ferralium255的雙相鋼。其他關(guān)鍵特殊部分，如熱高壓分離器等，調(diào)節(jié)閥閥內(nèi)件材質(zhì)選用347高級別不銹鋼。
1.3石化加氫裝置高壓調(diào)節(jié)閥選型分析尺寸及CV值選擇
高壓調(diào)節(jié)閥的尺寸直接影響調(diào)節(jié)品質(zhì)和采購價格。調(diào)節(jié)閥尺寸取決于額定流量系數(shù)CV值，因此，合理的CV值選擇十分關(guān)鍵。高壓直通調(diào)節(jié)閥流量特性通常為等百分比特性，高壓多級降壓角閥流量特性一般為線性。
對于等百分比流量特性調(diào)節(jié)閥，應(yīng)選擇合適的CV值，保證工藝流量所對應(yīng)的調(diào)節(jié)開度在20%～90%。對于新氫壓縮機(jī)逐級返回壓力調(diào)節(jié)閥等特殊工況閥門，正常調(diào)節(jié)流量與最大調(diào)節(jié)流量之間差距很大，如果按常規(guī)選擇CV值，只考慮涵蓋最大流量，那么實(shí)際正常調(diào)節(jié)時，調(diào)節(jié)閥長期處于小開度調(diào)節(jié)狀態(tài)，閥門產(chǎn)生噪音及振動強(qiáng)烈，對調(diào)節(jié)閥及連接管線損傷很大。對于該類工況建議選用特殊CV值修正流量特性的調(diào)節(jié)閥。
對于線性流量特性調(diào)節(jié)閥，應(yīng)選擇合適的CV值，保證工藝流量所對應(yīng)的調(diào)節(jié)開度在20%～80%。對于熱高分、冷高分底部等特殊工況液位調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)閥前后壓差大，閥后氣化率高，計(jì)算CV值應(yīng)該考慮到氣化工況流量，必要時還需要擴(kuò)大調(diào)節(jié)角閥出口尺寸，降低介質(zhì)出口流速。筆者建議，熱高壓分離器、冷高壓分離器角閥選用CV值應(yīng)保證正常工況最大流量對應(yīng)開度保持在50%以下，給高氣化率特殊工況預(yù)留調(diào)節(jié)余量。
2、石化加氫裝置高壓調(diào)節(jié)閥選型分析選型分析
2.1 類型及結(jié)構(gòu)
高壓開關(guān)閥通常分為高壓開關(guān)球閥或高壓開關(guān)閘閥。開關(guān)球閥可用于含固體顆粒等雜質(zhì)的流體管路上，因?yàn)樗那蛐伍y芯在開啟后不能被沖刷，不易被損傷，可保證雙向關(guān)閉嚴(yán)密；在關(guān)閉過程中對流體做的是剪切運(yùn)動，可有效關(guān)斷含固體顆粒、纖維等雜質(zhì)的介質(zhì)。而開關(guān)閘閥密封面易被沖蝕和擦傷，難以保證關(guān)閉嚴(yán)密。球閥為角行程，行程短，關(guān)閉所需時間短；閘閥為直行程，行程長，關(guān)閉所需時間長。球閥體積小，所需安裝空間小；閘閥體積大，所需安裝空間大。針對渣油加氫裝置介質(zhì)工況、切斷密封要求、安裝空間等特點(diǎn)，筆者建議優(yōu)先選用高壓開關(guān)球閥。
2.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇
用于聯(lián)鎖保護(hù)安全功能的高壓開關(guān)閥應(yīng)選用氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)動力故障安全性，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇主要取決于輸出力和閥門開關(guān)動作時間要求。高壓開關(guān)閥參與工藝聯(lián)鎖動作時，要求執(zhí)行機(jī)構(gòu)有較大的輸出力，較快的響應(yīng)速度，宜選用氣缸式執(zhí)行機(jī)構(gòu)。氣缸式執(zhí)行機(jī)構(gòu)可細(xì)分為單作用彈簧復(fù)位單氣缸式和雙作用雙氣缸式兩種。單作用彈簧復(fù)位氣缸具有氣路簡單、安全可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，但是受彈簧制造限制，彈簧輸出力有限；彈簧長時間處于壓縮狀態(tài)，輸出力進(jìn)一步減小。因此，單作用彈簧復(fù)位氣缸只能適應(yīng)小口徑高壓開關(guān)閥。雙作用氣缸可以克服上述缺點(diǎn)，但安全可靠性差，不具備故障安全性。要實(shí)現(xiàn)故障安全性，即動力故障時高壓開關(guān)閥能自動行至工藝要求的故障位置，必須配備備用氣源罐，但會造成氣路復(fù)雜。綜上可以看出，同雙作用氣缸相比，單作用氣缸對氣源敏感性高，可用性相對低。在工程設(shè)計(jì)中，針對高壓開關(guān)閥具體工況，根據(jù)上述分析，選擇單作用或雙作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
當(dāng)高壓開關(guān)閥不用于聯(lián)鎖保護(hù)安全功能，僅用于動設(shè)備停機(jī)隔離、火災(zāi)隔離功能時，建議選用電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)。電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)可靠性較高，不宜發(fā)生誤動作影響工藝生產(chǎn)。如有火災(zāi)隔離功能需要時，執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)配帶防火罩。
2.3 閥體及閥內(nèi)件材質(zhì)的選擇
目前市場上主流高壓開關(guān)球閥閥體均采用鍛件，比如HARTMANN,AST等廠家產(chǎn)品，閥體無特殊要求時一般選用A105材質(zhì)，如項(xiàng)目在東北等寒冷地區(qū)，可選用A350-LF2材質(zhì)替代，A350-LF2是一種適應(yīng)寒冷地區(qū)使用的低溫碳鋼鍛件，低溫適用性可達(dá)到-46 ℃。
渣油加氫裝置氫氣濃度較高及高溫高壓工況，開關(guān)閥閥體宜選用F11材質(zhì)；氫氣、H2S濃度較高及高溫高壓工況，閥體宜選用F321材質(zhì)。高壓開關(guān)球閥執(zhí)行快速關(guān)斷工作且為旋轉(zhuǎn)型閥門，對閥桿硬度要求較高，無特殊要求時通常采用17-4PH材質(zhì)閥桿。
3、石化加氫裝置高壓調(diào)節(jié)閥選型分析設(shè)計(jì)應(yīng)用
某煉油廠的渣油加氫項(xiàng)目共計(jì)選用18套高壓直通調(diào)節(jié)閥，壓力等級為Class900～Class2500，其中新氫壓縮機(jī)逐級壓力返回位置選用修正流量特性套筒閥；選用16套高壓多級降壓角閥，壓力等級為Class900～Class2500，其中熱高壓分離器底出口位置采用出口擴(kuò)徑的特殊結(jié)構(gòu)角閥；8套高壓氣動開關(guān)球閥，壓力等級為Class900～Class2500；8套高壓電動開關(guān)球閥，壓力等級為Class900～Class2500。
1、高壓調(diào)節(jié)閥的零部件加工、配合都很精密，因此，調(diào)節(jié)閥安裝前，應(yīng)*清洗管路系統(tǒng)，將污物及焊拉渣排除干凈，以免調(diào)節(jié)閥運(yùn)行時發(fā)生卡住現(xiàn)象，閥入口前的管路應(yīng)加設(shè)孔尺寸小于2mm過濾網(wǎng)。
2、高壓閥較重、外形尺寸較大，因此，調(diào)節(jié)閥應(yīng)直立安裝在接近地面或樓面的地方，在管道標(biāo)高大于1m時，應(yīng)盡量設(shè)置平臺，以便于調(diào)整、檢查和拆卸，使用過程或更換填料時，不能拆卸或松動聯(lián)接上法蘭與閥體的主螺母。
3、調(diào)節(jié)閥安裝時，閥體上箭頭方向應(yīng)與介質(zhì)流向一致。
4、如果調(diào)節(jié)閥的公稱通徑與管道的公稱通徑不同，兩者之間應(yīng)加漸縮管段。
5、調(diào)節(jié)閥一般應(yīng)設(shè)置旁通管道，以便于在自控系統(tǒng)發(fā)生故障或檢修時可以切換，不致停產(chǎn)。
6、調(diào)節(jié)閥安裝時，應(yīng)留足拆卸執(zhí)行機(jī)構(gòu)護(hù)罩的空間，以便配線、調(diào)整和檢查。
7、與管道為焊接連接的調(diào)節(jié)閥，其閥體上的接口與管道對焊，焊接時，建議先用氬弧焊打底(以防焊渣墜入閥和管道內(nèi))，然后再進(jìn)行常規(guī)的電(或氣)焊，焊接過程要經(jīng)多次打磨、多道焊接、并注意保溫，法蘭連接調(diào)節(jié)閥與管道相連，采用JB2768-2778《Pg160、320kgf/cm2，管件與緊固件》標(biāo)準(zhǔn)制造的法蘭，透鏡墊及緊固件。、
3.1 高壓直通調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)應(yīng)用
高壓直通調(diào)節(jié)閥適用于調(diào)節(jié)閥前后低壓差場合，在渣油加氫裝置的典型應(yīng)用為加氫進(jìn)料泵、注水泵、高壓貧胺液泵等高壓機(jī)泵出口流量調(diào)節(jié)閥；熱高分入口溫度調(diào)節(jié)閥和循環(huán)氫壓縮機(jī)排廢氫流量調(diào)節(jié)閥。新氫壓縮機(jī)逐級返回壓力調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)壓縮機(jī)級間壓力，該處工況苛刻，調(diào)節(jié)流量變化較大，選用修正流量特性調(diào)節(jié)閥。實(shí)現(xiàn)原理為修正流量特性套筒，采用非均勻開孔設(shè)置，開孔大小沿調(diào)節(jié)閥全開方向逐漸變大，通過修正開孔的變化梯度，滿足調(diào)節(jié)流量變化較大時均在合理調(diào)節(jié)開度范圍內(nèi)。新氫壓縮機(jī)逐級返回壓力調(diào)節(jié)閥最大調(diào)節(jié)流量與正常調(diào)節(jié)流量的比值高達(dá)10倍，該處調(diào)節(jié)閥選型及CV值選擇一直是業(yè)內(nèi)比較關(guān)注的地方。正常流量對應(yīng)調(diào)節(jié)閥開度40%左右，最大流量對應(yīng)調(diào)節(jié)閥開度60%左右，達(dá)到了很好的開度調(diào)節(jié)范圍及降噪效果。
3.2 高壓多級降壓角閥設(shè)計(jì)應(yīng)用
高壓多級降壓角閥適用于調(diào)節(jié)閥前后液相高壓差場合，在渣油加氫裝置的典型應(yīng)用為加氫進(jìn)料泵、注水泵、高壓貧胺液泵等高壓機(jī)泵出口返回入口的最小流量調(diào)節(jié)閥，用于開工工況及特殊工況的流量調(diào)節(jié)；熱高分、冷高分底出口液位調(diào)節(jié)閥，其中熱高分底出口經(jīng)核算氣化率高，采用出口擴(kuò)徑的特殊結(jié)構(gòu)角閥，控制出口介質(zhì)流速，內(nèi)部多級降壓閥芯及閥內(nèi)流道采用。
3.3 高壓氣動開關(guān)球閥設(shè)計(jì)應(yīng)用
高壓氣動開關(guān)球閥用于工藝安全聯(lián)鎖保護(hù)，動作響應(yīng)時間快。在渣油加氫裝置的典型應(yīng)用為加氫進(jìn)料泵、注水泵、高壓貧胺液泵等高壓機(jī)泵出口緊急切斷，用于防止機(jī)泵停機(jī)后出口壓力竄回機(jī)泵入口；熱高分、冷高分底出口緊急切斷閥，用于防止液位低時，高壓油氣竄至下游低壓設(shè)備；裝置緊急泄壓切斷閥，用于裝置危險工況下裝置緊急泄壓。為了在滿足可靠性的前提下，進(jìn)一步提高可用性，減少誤動作概率，渣油加氫氣動開關(guān)閥均采用雙電磁閥并聯(lián)驅(qū)動，雙電磁均失電時，開關(guān)閥執(zhí)行聯(lián)鎖動作，渣油加氫高壓氣動開關(guān)球閥氣路聯(lián)動邏輯如圖1所示。
3.4 高壓電動開關(guān)球閥設(shè)計(jì)應(yīng)用
高壓電動開關(guān)球閥用于動設(shè)備停機(jī)隔離，性能穩(wěn)定，誤動作概率低。當(dāng)渣油加氫中高壓電動開關(guān)球閥用于動設(shè)備停機(jī)隔離時，其控制邏輯所示。從控制系統(tǒng)至電動閥電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制信號均采用硬接線干觸點(diǎn)信號，當(dāng)動設(shè)備停機(jī)后，停機(jī)信號觸發(fā)對應(yīng)的電動閥關(guān)斷，達(dá)到隔離作用。
在渣油加氫裝置的典型應(yīng)用為加氫進(jìn)料泵、高壓貧胺液泵出口，新氫壓縮機(jī)出口，循環(huán)氫壓縮機(jī)出入口。停機(jī)后，將以上動設(shè)備從工藝高壓系統(tǒng)中隔離切除。循環(huán)氫壓縮機(jī)出入口位置，具有火災(zāi)隔離功能需要時，根據(jù)相關(guān)要求執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)配帶防火罩。
4、石化加氫裝置高壓調(diào)節(jié)閥選型分析結(jié)束語
渣油加氫裝置工藝操作壓力和溫度高，工藝介質(zhì)易燃、易爆，同時具有腐蝕性，一旦控制閥故障損壞，將引起可怕的災(zāi)難事故，因此正確設(shè)計(jì)選型非常重要。本文從控制閥結(jié)構(gòu)選擇、材質(zhì)、應(yīng)用等方面進(jìn)行了相關(guān)探討，并經(jīng)過了生產(chǎn)運(yùn)行驗(yàn)證，在此供借鑒參考。
