高壓變壓吸附制氫裝置程控閥內(nèi)漏的分析和判斷

馬金林，何曉方，任國君

(萬華化學(xué)〔寧波〕有限公司 浙江寧波 315812)

高壓變壓吸附制氫裝置程控閥內(nèi)漏的分析和判斷

馬金林，何曉方，任國君

(萬華化學(xué)〔寧波〕有限公司 浙江寧波 315812)

介紹了高壓變壓吸附制氫裝置的工藝流程及特點。針對該裝置在運行過程中出現(xiàn)的程控閥門內(nèi)漏問題進行原因分析，并給出了在線判斷確定內(nèi)漏閥門的方法及在日常運行中預(yù)防閥門出現(xiàn)內(nèi)漏的措施。

變壓吸附；程控閥門；內(nèi)漏；分析判斷

變壓吸附(PSA)制氫是利用吸附劑在高壓下對雜質(zhì)的吸附容量大、低壓下吸附容量小的原理，在高壓吸附雜質(zhì)，在低壓解析雜質(zhì)，以實現(xiàn)對氫氣提純的過程。

由于PSA制氫技術(shù)具有自動化程度高、一次性投資和運行費用低、產(chǎn)品質(zhì)量好等優(yōu)點，因此得到了廣泛應(yīng)用，目前國內(nèi)有200多套裝置在運行。雖然投運的PSA制氫裝置數(shù)量較多，但由于氫氣分子量小，容易泄漏，國內(nèi)PSA制氫裝置普遍存在系統(tǒng)壓力過低、處理氣量過小等缺點。通過近年來PSA工藝的不斷優(yōu)化完善，特別是隨著我國對煉油油品品質(zhì)要求的提高和氫能源的廣泛應(yīng)用，需要大量使用高壓氫氣，促使PSA制氫裝置向高壓、大型化方向發(fā)展。

1 裝置基本情況

萬華化學(xué)(寧波)有限公司(以下簡稱萬華寧波公司)的PSA制氫工藝采用14- 2- 8的運行模式，即有14座塔運行、2座塔同時吸附、8次均壓的運行方式。該裝置設(shè)計壓力5.3 MPa(絕壓)，是目前國內(nèi)運行壓力最高的PSA制氫裝置，處理氣量為60 000 m3/h(標(biāo)態(tài))，要求產(chǎn)品H2的體積分?jǐn)?shù)>99.99%、(CO+CO2)體積分?jǐn)?shù)<3×10-6，H2收率>93%。該裝置于2010年10月一次開車成功，經(jīng)過5年多的運行，整體運行比較穩(wěn)定。

程控閥是變壓吸附裝置最為核心的部件之一，其可靠運行直接關(guān)系到裝置的安全穩(wěn)定。由于國內(nèi)高壓變壓吸附制氫裝置運行經(jīng)驗少，且程控閥容易泄漏，導(dǎo)致裝置降負(fù)荷甚至停車的案例較多，造成了較大的經(jīng)濟損失。而且由于程控閥內(nèi)漏量增大后，出現(xiàn)高壓竄低壓的情況，給裝置運行帶來了嚴(yán)重的安全風(fēng)險。現(xiàn)結(jié)合萬華寧波公司的實際情況，重點介紹在不停車的情況下，在線查找PSA制氫裝置內(nèi)漏程控閥的方法及日常運行中預(yù)防程控閥內(nèi)漏的措施。

2 程控閥內(nèi)漏的判斷

包括公用閥門在內(nèi)，萬華寧波公司的PSA制氫裝置共有145只程控閥。在運行過程中，程控閥每隔20 min左右就需開關(guān)1次，前后壓差最大為1.4 MPa。長時間的頻繁開關(guān)、氣體和吸附劑粉塵的沖刷，加上閥門開關(guān)壓差大，容易引起閥門密封件的損壞，造成閥門內(nèi)漏。在這145只閥門中，任何1只閥門內(nèi)漏量增大后，輕者需降負(fù)荷運行，重者需裝置停車處理。由于閥門較多，如何在運行過程中準(zhǔn)確判斷是哪只或哪幾只閥門出現(xiàn)泄漏，是PSA制氫裝置運行維護的難點。

以萬華寧波公司為例，共有14座吸附塔，每座塔對應(yīng)10只閥門。若是在正常情況下，原料氣組分、系統(tǒng)壓力沒有大幅變動，而出口產(chǎn)品氣中雜質(zhì)氣體含量持續(xù)上升，很有可能就是有閥門出現(xiàn)了內(nèi)漏，可通過以下步驟迅速鎖定內(nèi)漏的閥門。

(1)通過DCS系統(tǒng)把所有塔的壓力變化趨勢組合在一起，形成一個比較有規(guī)律的曲線圖，從中找出曲線最亂的塔。然后把該塔的壓力趨勢和產(chǎn)品氣出口雜質(zhì)氣體含量進行對應(yīng)，若雜質(zhì)氣體含量在該塔處于高壓時也上升，就基本可確認(rèn)該塔有閥門出現(xiàn)了泄漏。

(2)單獨對該塔的壓力趨勢進行分析，找出具體的泄漏閥門。一般情況下，壓力趨勢在塔均壓完成之后都會形成一條水平的直線，如果有閥門泄漏的話，壓力趨勢或向上或向下。若壓力趨勢向上，是高壓閥門出現(xiàn)了泄漏；若壓力趨勢向下，則是低壓閥門出現(xiàn)了泄漏；若壓力趨勢有上有下，一定是中間的某只程控閥門出現(xiàn)了泄漏。

(3)為了進一步確認(rèn)泄漏的閥門，可以把有“嫌疑”的塔切出，觀察其余塔的壓力變化趨勢。一般將有閥門泄漏的塔切出系統(tǒng)后，其余塔的壓力變化趨勢會好轉(zhuǎn)，出口的工藝氣中雜質(zhì)氣體含量也會降低。切出的吸附塔中氣體通過現(xiàn)場泄壓閥全部泄放至火炬并觀察該塔最終壓力，按照壓力與閥門的對應(yīng)表就能找到具體的泄漏閥門。

(4)若該塔不止1只閥門出現(xiàn)泄漏，該塔切出之后，系統(tǒng)壓力會上升至高壓閥門對應(yīng)的壓力，但系統(tǒng)壓力波動會較大。此時需觀察在該塔切出前后系統(tǒng)運行塔的壓力變化，若是在均壓過程中切出后的壓力比切出高，則對應(yīng)的閥門就有可能泄漏，需予以重點關(guān)注。

3 程控閥內(nèi)漏原因及處理措施

3.1 程控閥內(nèi)漏原因

高壓PSA制氫裝置的程控閥使用業(yè)績較少，相關(guān)經(jīng)驗缺乏。萬華寧波公司使用的程控閥主要有氣鎖液壓程控球閥和金屬硬密封液壓三偏心蝶閥，球閥使用在管徑≤DN 100 mm的管道上，蝶閥使用在管徑>DN 100 mm的管道上。

實際運行情況表明，三偏心蝶閥的使用效果較好，裝置運行3年之后，整體更換了金屬密封圈。氣鎖液壓程控球閥在使用中出現(xiàn)的問題較多，該閥采用液壓驅(qū)動，閥體采用中分結(jié)構(gòu)，閥球采用動態(tài)密封結(jié)構(gòu)，用1.4 MPa的氮氣進行隔離，目的是減少球閥在開關(guān)過程中密封閥座與球體間的摩擦。但在運行過程中，球閥中的高壓氮氣壓力不易調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)過大則閥門開關(guān)比較困難，易出現(xiàn)“抱死”等情況；調(diào)節(jié)過小則閥門出現(xiàn)比較嚴(yán)重的內(nèi)漏，影響裝置運行。

另外，以下幾種情況也可能會造成閥門密封面的損傷，從而引起閥門泄漏：①吸附劑質(zhì)量差，粉化后的粉塵對閥門的密封圈產(chǎn)生嚴(yán)重磨損，易引起閥門內(nèi)漏；②吸附劑裝填量不足，吸附劑頂部與出口絲網(wǎng)空隙較大，均壓過程吸附劑因壓力的頻繁升降而導(dǎo)致粉化加劇，從而引起閥門密封圈的磨損；③裝置建設(shè)階段管道吹掃不到位，管道內(nèi)殘留的鐵銹、渣引起閥門密封面磨損，導(dǎo)致閥門內(nèi)漏。

3.2 程控閥內(nèi)漏處理措施

(1)應(yīng)對吸附劑質(zhì)量進行充分評估，除了考察吸附容量外，還需對吸附劑的機械強度等指標(biāo)進行重點關(guān)注，務(wù)必選用質(zhì)量較好的吸附劑。

(2)吸附劑必須嚴(yán)格按照設(shè)計要求裝填充足，運行2年后須停車檢查吸附劑沉降情況，及時補充吸附劑，以減輕吸附劑沉降引起的粉化加劇問題。

(3)在原始開車初期，需對管道逐根進行吹掃，達到吹掃打靶標(biāo)準(zhǔn)。

(4)在完成檢修任務(wù)后，需對氣鎖液壓程控球閥逐只檢查確認(rèn)，調(diào)整密封氮氣用量，防止由于密封氮氣的問題而出現(xiàn)閥門內(nèi)漏或開關(guān)滯后等現(xiàn)象。

Analysis and Judgement of Inner Leakage of Program- Controlled Valve in High Pressure Swing Adsorption Hydrogen Production Unit

MA Jinlin, HE Xiaofang, REN Guojun

(Wanhua Chemical 〔Ningbo〕 Co., Ltd., Ningbo 315812, China)

The process flow and characteristics of high pressure swing adsorption hydrogen production unit are introduced. In connection with inner leakage problem of program- controlled valve of the unit in operation, causes are analyzed, on line checking method of inner leakage of program- controlled valve of the unit and measures for preventing valve from inner leaking in daily operation are given.

pressure swing adsorption; program- controlled valve; inner leakage; analytical judgment

TQ51

B

1006- 7779(2017)01- 0042- 02

2016- 07- 13)

本文作者的聯(lián)系方式：xfhe@whchem.com