120 000 m3/h等級空分設(shè)備配套閥門選型

王海濤，周芬芳，褚瑞華，朱 瑩，方家堃

(杭州杭氧股份有限公司設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310014)

0 引言

目前60 000 m3/h等級及以下規(guī)模的空分設(shè)備技術(shù)日益成熟，運(yùn)行的設(shè)備也較多，閥門設(shè)計(jì)選型已經(jīng)成熟，但是對于特大型空分設(shè)備閥門的選型不是簡單復(fù)制擴(kuò)大常規(guī)空分設(shè)備的閥門，因此在設(shè)計(jì)選型方面需要全面整體考慮，閥門的材質(zhì)、內(nèi)部構(gòu)造、調(diào)節(jié)特性及密封特性等都要根據(jù)使用工況，科學(xué)合理的選擇閥門，使空分裝置操作方便、控制容易，能夠長期安全穩(wěn)定的運(yùn)行。閥門選型直接關(guān)系到生產(chǎn)安全，關(guān)系到系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能，進(jìn)而影響產(chǎn)量、質(zhì)量和投資費(fèi)用，因而選型是該設(shè)備正常運(yùn)型的關(guān)鍵要素。根據(jù)120 000 m3/h空分設(shè)備工藝提出的特殊工況和控制要求，介紹閥門的選型方法、選型依據(jù)以及選型過程中應(yīng)當(dāng)注意的事項(xiàng)，以保證整套空分系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。

1 閥門選型原則

整個(gè)空分流程包括空氣壓縮系統(tǒng)，大型空氣預(yù)冷系統(tǒng)、特大型分子篩純化系統(tǒng)、空氣增壓系統(tǒng)、增壓透平膨脹機(jī)系統(tǒng)及特大型精餾系統(tǒng)和換熱系統(tǒng)組成。120 000 m3/h空分工藝流程原理如圖1所示。

圖1 120 000 m3/h等級空分設(shè)備工藝流程簡圖

原料空氣自吸入口進(jìn)入空壓機(jī)(MAC)，壓縮后進(jìn)入空氣冷卻塔冷卻，冷卻水為冷塔冷卻后的水，空氣自下而上穿過空冷塔，在冷卻的同時(shí)，又得到清洗。經(jīng)冷卻塔冷卻后的空氣進(jìn)入分子篩純化器，其中的二氧化碳、碳?xì)浠衔锖退直晃?，兩只純化器交替切換使用，一只工作，另一只再生，凈化后的空氣分為兩股，一股空氣進(jìn)入低壓板式換熱器，被返流污氮?dú)饫鋮s后直接進(jìn)入下塔，另一股空氣去增壓機(jī)(BAC)，這股空氣分成三部分，一部分經(jīng)增壓機(jī)第一段增壓后進(jìn)入膨脹機(jī)的增壓端增壓，然后進(jìn)入下塔，另一部分空氣在增壓機(jī)的第二段繼續(xù)增壓，冷卻后進(jìn)入板式換熱器，用來與液氧換熱，然后空氣經(jīng)過高壓節(jié)流閥進(jìn)入下塔?？諝饨?jīng)下塔初步精餾后，獲得液態(tài)氣體、純液氮和污液氮，經(jīng)過冷器冷卻后進(jìn)入上塔，經(jīng)上塔進(jìn)一步精餾，在上塔底部獲得液氧，經(jīng)過液氧泵壓縮后進(jìn)入板式換熱器復(fù)熱，出冷箱進(jìn)入氧氣管網(wǎng)。下塔頂部引出液氮，一路可以直接進(jìn)儲槽，一路經(jīng)過低壓板式換熱器復(fù)熱后出冷箱，送入氮?dú)夤芫W(wǎng)。上塔頂部引出污氮?dú)庖徊糠肿鳛榉肿雍Y再生氣體，其余污氮?dú)馊ニ渌?/p>

空分設(shè)備的閥門的選選型原則：

(1)根據(jù)工藝條件，選擇合適的結(jié)構(gòu)形式和材料；(2)根據(jù)工藝對象的特點(diǎn)，選擇合適的流量特性；(3)根據(jù)工藝操作參數(shù)，計(jì)算閥門的流通能力Cv(或Kv)值，選擇合適的閥門口徑和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，閥門相應(yīng)速度滿足工藝要求[1]。

Cv計(jì)算公式如下:

(1)

式中：Cv為流通能力，L/s；q為實(shí)測水的流量，L/s；ρ為實(shí)測水密度，g/cm3；ρ0為15.6 ℃(60 ℉)下水密度，1 g/cm3；ΔP0為閥門全開時(shí)兩端壓差，6.89 kPa；ΔP=P1-P2,P1和P2是被測元件上下游的壓力差，kPa[2]。

2 重要閥門選型

預(yù)冷系統(tǒng)控制空冷塔液位的閥門LV500401，調(diào)節(jié)空冷塔液位，空分上通常選用套筒單座調(diào)節(jié)閥，可以避免循環(huán)水雜質(zhì)堵塞，流體壓力平衡式閥芯結(jié)構(gòu)具有大容量、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性優(yōu)良的特點(diǎn)，適合苛刻的工作條件高性能調(diào)節(jié)閥，不會因流體對閥桿作用力不均衡而損壞閥桿。調(diào)節(jié)閥有等百分比和線性流量特性，能夠很好滿足液位調(diào)節(jié)的要求，口徑一般選擇在300 mm以下，就能保證常規(guī)及大型空分達(dá)到控制要求。但是120 000空分由于根據(jù)工藝參數(shù)計(jì)算Cv值最大工況為248 L/s，計(jì)算后需要450 mm口徑套筒單座閥，造價(jià)過于昂貴，考慮空冷塔容積較大，液位變化較緩并且滯后，對調(diào)節(jié)性能要求較低，改用400 mm口徑,額定Cv為549 L/s的高性能蝶閥替代套筒單座閥，蝶閥的近似等百分比調(diào)節(jié)性能完全能滿足液位調(diào)節(jié)的要求。

分子篩系統(tǒng)8只切換閥選用進(jìn)口ORBINOX三桿閥，閥門直徑1 600 mm和1 400 mm兩種，閥門阻力小于1 kPa，利于空分設(shè)備節(jié)能。設(shè)置閥門最大開啟壓差15 kPa，如果閥門前后壓差超過設(shè)定值，閥門關(guān)閉，這樣能夠有效防止沖床事故的發(fā)生。分子篩吸附器處理空氣量大約610 000 N·m3/h，發(fā)生沖床事故，處理分子篩填料會非常麻煩，對生產(chǎn)帶來嚴(yán)重后果，因此有必要選用有壓差保護(hù)的三桿閥[3]。

分子篩均壓閥HV500607用一個(gè)直通全腔型球閥，閥芯為固定球型，計(jì)算閥門需要選用300 mm口徑的球閥，由于大口徑球閥在小開度時(shí)介質(zhì)流量較大流速過快，對床層沖擊力較大，而且成本太高，現(xiàn)改用兩個(gè)口徑分別為200 mm和150 mm口徑球閥，這樣配置降低了氣體對分子篩床層的沖擊力，并且均壓時(shí)間可以控制在合理范圍內(nèi)。分子篩加熱器用蒸氣加熱器，污氮?dú)饨?jīng)過加熱器加熱后溫度最高達(dá)到250 ℃，故而閥芯球體雙向軟密封環(huán)材質(zhì)選用耐250℃的高溫碳纖維強(qiáng)化聚四氟乙烯。

分子篩冷吹閥HV500617，污氮?dú)饬鬟^此閥門作為分子篩再生氣，計(jì)算流通最大Cv值約為1 640 L/s，設(shè)計(jì)選用1 000 mm口徑蝶閥，帶智能定位器。常規(guī)空分設(shè)備這只閥門設(shè)計(jì)為開關(guān)特性蝶閥，帶機(jī)械調(diào)節(jié)螺釘，閥門可在40°～90°范圍最大開度可調(diào)，不帶智能定位器。因?yàn)榉肿雍Y加熱階段，污氮?dú)饨?jīng)過加熱器加熱，加熱管路較長，并且分子篩吸附器的大部分水析出，因此加熱管路阻力較大，致使精餾塔上壓力較高；加熱階段結(jié)束，進(jìn)入冷吹階段，污氮?dú)獠唤?jīng)過加熱器，管路直接進(jìn)分子篩吸附器，因此管路阻力顯著減小，由于阻力變小，導(dǎo)致精餾塔上壓力又會顯著變小，精餾塔工況發(fā)生劇烈波動(dòng)，因此冷吹閥門設(shè)計(jì)需要加上機(jī)械調(diào)節(jié)螺釘，限制開度，把加熱和冷吹階段管路阻力調(diào)節(jié)到盡量平衡，保證空分工況穩(wěn)定。對于本套空分設(shè)備，由于加熱器為四臺蒸氣加熱器，設(shè)備較多，所以該冷吹閥不再應(yīng)用開關(guān)閥，取消機(jī)械定位銷，而使用智能定位器替代定位銷，保證加熱階段轉(zhuǎn)換到冷吹階段時(shí)，閥門根據(jù)空分工況變化自動(dòng)調(diào)節(jié)閥門開度，使上塔阻力能夠保持穩(wěn)定，從而精餾塔工況不會發(fā)生較大波動(dòng)。

空分系統(tǒng)精餾下塔液氮回流閥HV501511A/B，空分設(shè)備通常由一個(gè)或兩個(gè)蝶閥控制下塔的回流比，回流比決定下塔氮?dú)饧兌鹊母叩?。由于蝶閥為近似等百分比調(diào)節(jié)特性，調(diào)節(jié)線性度差，120 000空分下塔容器較大，回流量特別大的情況下，下塔精餾工況依靠蝶閥較難穩(wěn)定，所以選用一個(gè)蝶閥277DB200和一個(gè)低溫角閥363CJ200，低溫角式單座調(diào)節(jié)閥比蝶閥調(diào)節(jié)性能好，利用調(diào)節(jié)閥優(yōu)良的線性調(diào)節(jié)性能，使下塔較快達(dá)到工況所需的回流比，建立精餾工況。

出冷箱閥門HV501201和HV501202分兩路將氧氣送往氧氣管網(wǎng)，PV501203為氧氣放空閥。氧氣閥門的選取關(guān)鍵在于流速的限制和閥門材質(zhì)的選取，《GB16912-2008深度冷凍法生產(chǎn)氧氣及相關(guān)氣體安全技術(shù)規(guī)程》8.2中氧氣流速規(guī)定：管道中氧氣的最高允許流速，根據(jù)管道材質(zhì)、工作壓力，應(yīng)不超過3.0 MPa

氧氣輸送閥HV501201和HV501202 閥前壓力4.69 MPa(A)，考慮到氧氣輸送到管網(wǎng)的安全性，選用300 mm口徑氣動(dòng)薄膜套筒調(diào)節(jié)閥ANSI600，閥門前后壓差0.02 MPa，計(jì)算流速v約為6.2 m/s，閥體選用不銹鋼材質(zhì)，閥芯、閥座和套筒材質(zhì)選用蒙乃爾材質(zhì)。該閥門使用流體壓力平衡閥芯結(jié)構(gòu)，閥芯有兩個(gè)小孔，使閥芯上下腔流體壓力平衡，閥桿受力均勻，這樣的閥芯調(diào)節(jié)時(shí)能快速穩(wěn)定調(diào)節(jié)，防止閥桿在高壓下被頂開或受損以及調(diào)節(jié)時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)現(xiàn)象。

放空閥PV501203閥門前后壓差3.59 MPa，最大氧氣放空量120 000 m3/h，計(jì)算氧氣流速v約為17 m/s，流速較快，選用250 mm口徑氣動(dòng)薄膜套筒調(diào)節(jié)閥，閥體以及閥內(nèi)件選用蒙乃爾材質(zhì)，并且閥后需帶銅合金阻火器。

三只循環(huán)液氧泵回流閥PV501603A/B/C，液氧泵閥門前壓力為0.74 MPa(A)，閥門前后壓差為0.55 MPa，選用杭氧工裝367CJ100低溫角式調(diào)節(jié)閥，閥內(nèi)件是V型單座形式，液體回流閥由于通常前后壓差大，易產(chǎn)生閃蒸和氣蝕，因而閥芯材質(zhì)為司太萊合金，閥座材質(zhì)為不銹鋼整體堆焊鈷基硬質(zhì)合金，V-PORT閥芯能夠?qū)⒘魅胍后w分為三股流，因此耐高壓差，降低氣蝕對閥芯的損壞。

高壓液氧泵回流閥PV501403A/B/C，給液氧加壓到管網(wǎng)壓力要求值，閥門前壓力為4.77 MPa(A)，閥門前后壓差為4.29 MPa，選用多級降壓式套筒導(dǎo)向型調(diào)節(jié)閥，流體壓力平衡型閥芯，考慮液氧介質(zhì)安全流速因素，閥芯、閥座和多級套筒均選用蒙乃爾材質(zhì)，通過多級降壓降低流經(jīng)閥內(nèi)件的流體速度，大幅降低噪音，有效防止液體產(chǎn)生的氣蝕現(xiàn)象。

循環(huán)液氧泵入口閥UV501601A/B/C，選用開關(guān)特性的低溫三偏心351D蝶閥，閥門前后壓差為0.002 MPa，工作溫度-180 ℃，泵安裝在隔離小冷箱內(nèi)，管道為不銹鋼管道，小冷箱外為鋁管道，因此閥門進(jìn)口為鋁法蘭，出口為不銹鋼法蘭，實(shí)現(xiàn)快速關(guān)斷功能，保證緊急狀況下液氧泵和空分設(shè)備的安全。同理，高壓液氧泵進(jìn)口閥UV501401A/B/C，也選用杭氧低溫三偏心351D蝶閥。

高壓空氣節(jié)流閥HV501015A，通過增壓機(jī)后空氣經(jīng)低壓板式換熱器后節(jié)流為主塔的下塔提供提供冷量，閥前壓力7.15 MPa(A)，前后壓差6.55 MPa，原來選用杭氧工裝767CJ150/80低溫角式調(diào)節(jié)閥，閥內(nèi)件V型，由于V型閥芯在高壓節(jié)流閥使用中易損壞閥芯，所以改用776CJ150Ma型低溫角式多級降壓調(diào)節(jié)閥，閥芯采用多級帶孔套筒形式，迷宮結(jié)構(gòu)，流體介質(zhì)通過迷宮套筒，降低流速，有效降低流體產(chǎn)生閃蒸和氣蝕現(xiàn)象的發(fā)生，閥芯不銹鋼部分堆焊硬質(zhì)合金，閥座整體堆焊硬質(zhì)合金，閥芯外環(huán)繞一圈防塵不銹鋼罩，可以有效防止雜質(zhì)堵塞閥芯。

3 結(jié)束語

伊朗120 000 m3/h空分配套閥門的設(shè)計(jì)選型在保證安全的前提下，考慮到工藝流程調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性，降低整套項(xiàng)目的配套成本，降低空分設(shè)備的能耗等要素。閥門計(jì)算選型在理論上要兼顧這些選型要素，在應(yīng)用實(shí)踐中再進(jìn)一步去檢驗(yàn)閥門的使用效能，為低溫制冷及石油化工行業(yè)大型設(shè)備的閥門選型提供可參考的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。

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