PSA提氫裝置程控閥運(yùn)行故障分析及處理措施

秦 杰

(潞安化工集團(tuán)太原化工新材料有限公司，山西 清徐 030400)

1 PSA工藝流程

1)吸附過(guò)程：原料氣自吸附塔下部進(jìn)入正處于吸附狀態(tài)的吸附塔內(nèi)，在多種吸附劑的吸附作用下，N2、Ar、CH4、CO及CO2等組分被吸附。純度大于99.9%的產(chǎn)品氫氣自吸附塔上部流出，作為半產(chǎn)品氣送往下道工序。

2)第1次壓力均降過(guò)程：吸附結(jié)束后，吸附塔停止進(jìn)入原料氣，順著吸附的方向?qū)⑺?nèi)的較高壓力的氣體放入其他已完成沖洗再生并已進(jìn)行多次均壓升步驟的較低壓力的吸附塔中，進(jìn)行第1次均壓降。該過(guò)程不僅是降壓過(guò)程，也是回收床層死角空間氫氣的過(guò)程。

3)第2次壓力均降過(guò)程：第1次壓力均降過(guò)程后，繼續(xù)順著吸附的方向?qū)⑺?nèi)較高壓力的氣體均入其他已完成多次壓力均升的較低壓力的吸附塔中，進(jìn)行第2次均壓降。

4)第3次至第5次壓力均降過(guò)程：以此類(lèi)推進(jìn)行第3次至第5次壓力均降過(guò)程。

5)順?lè)胚^(guò)程：在壓力均降過(guò)程結(jié)束后，繼續(xù)順著吸附的方向進(jìn)行降壓，使吸附劑的吸附前沿進(jìn)一步向出口端擴(kuò)散，同時(shí)為其他塔提供沖洗用氣。

6)逆放過(guò)程：在順向放壓過(guò)程結(jié)束后，逆著吸附的方向進(jìn)行降壓，使被吸附的N2、CO等雜質(zhì)減壓解吸出來(lái)。逆放氣作為解吸氣經(jīng)過(guò)混合罐緩沖后送出界區(qū)。

7)沖洗過(guò)程：在逆放過(guò)程結(jié)束后，利用順?lè)艢鈱?duì)吸附塔進(jìn)行逆向沖洗，使吸附的N2、CO等雜質(zhì)進(jìn)一步解吸出來(lái)，沖洗進(jìn)入混合罐緩沖后送出界區(qū)。

8)第5次壓力均升過(guò)程：在沖洗過(guò)程完成后，用來(lái)自其他吸附塔剛結(jié)束第4次均壓降的較高壓力氣體對(duì)該吸附塔進(jìn)行第5次均升。這一過(guò)程與均壓降過(guò)程相對(duì)應(yīng)，不僅是升壓過(guò)程，更是回收其他吸附塔層死角空間有效氣體組分的過(guò)程。

9)第1次至第4次壓力均升過(guò)程：以此類(lèi)推進(jìn)行第1次至第4次壓力均升過(guò)程。

10)產(chǎn)品氣升壓過(guò)程：在第1次均升過(guò)程完成后，為了使吸附塔可以平穩(wěn)地切換至下一次吸附，并保證產(chǎn)品氣質(zhì)量及輸出壓力在切換的過(guò)程中不發(fā)生波動(dòng)，需要通過(guò)升壓調(diào)節(jié)閥緩慢而平穩(wěn)地用產(chǎn)品氣將吸附塔壓力升至吸附壓力。

2 PSA程控閥結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

PSA裝置采用的程控閥由四川同盛提供，其結(jié)構(gòu)由氣缸、閥桿、閥芯、密封圈、圓柱銷(xiāo)、壓板、閥體等組成。閥桿與閥芯連接為圓柱銷(xiāo)連接，閥芯本體下端通過(guò)壓板固定有密封圈，壓板通過(guò)連接螺栓與閥芯本體固定連接，通過(guò)螺栓的下端面高于壓板的下端面，采用這種結(jié)構(gòu)形式，高速的氣流會(huì)均勻通過(guò)連接螺栓，不會(huì)在連接螺栓的后面形成渦流，使氣流對(duì)密封圈的沖刷強(qiáng)度降低，有效延長(zhǎng)了密封圈的使用壽命，避免變壓吸附裝置出現(xiàn)內(nèi)漏和竄氣[1-2]。

3 程控閥故障原因分析

該閥門(mén)閥桿與閥芯為圓柱銷(xiāo)連接，由于其特殊的連接方式閥桿與閥芯之間有一定的活動(dòng)量，在程序正常運(yùn)行中閥門(mén)動(dòng)作頻繁，閥門(mén)在開(kāi)關(guān)過(guò)程中管道壓力的變化極易導(dǎo)致閥桿與閥芯位置磨損，長(zhǎng)時(shí)間便導(dǎo)致圓柱銷(xiāo)發(fā)生疲勞斷裂，閥門(mén)開(kāi)關(guān)故障及密封面磨損，嚴(yán)重則導(dǎo)致閥桿彎曲變形，使閥芯與閥座不同心，密封失效，閥門(mén)內(nèi)漏，系統(tǒng)發(fā)生高竄低事故。從歷次閥門(mén)故障來(lái)看，大部分出現(xiàn)問(wèn)題的程控閥集中在04/05閥，因在一個(gè)吸附周期內(nèi)，升壓與降壓時(shí)該閥門(mén)開(kāi)關(guān)最為頻繁，故其故障率也是最高。

由于設(shè)計(jì)上管道僅有一道程控閥密封，當(dāng)閥門(mén)發(fā)生故障時(shí)，無(wú)法切出系統(tǒng)檢修，只能系統(tǒng)停車(chē)泄壓置換合格后方可檢修，給檢修造成被動(dòng)，給裝置的聯(lián)運(yùn)帶來(lái)隱患。

4 程控閥處理措施

裝置自2016年9月投料運(yùn)行以來(lái)，已經(jīng)多次發(fā)生由于圓柱銷(xiāo)斷裂而導(dǎo)致的系統(tǒng)停車(chē)事故。為了徹底解決此項(xiàng)隱患，方便閥門(mén)切出系統(tǒng)檢修，在原有04/05程控閥管道上增加了手動(dòng)球閥，當(dāng)閥門(mén)出現(xiàn)故障后，中控操作工可第一時(shí)間切塔運(yùn)行，并通知現(xiàn)場(chǎng)關(guān)閉手動(dòng)球閥泄壓置換，以便更換圓柱銷(xiāo)等檢修。該處理從塔切出系統(tǒng)至閥門(mén)檢修完畢塔并入系統(tǒng)，間隔僅1 h，為裝置的穩(wěn)運(yùn)提供了保障。

5 DCS監(jiān)控及操作要點(diǎn)

PSA裝置采用10-2-5/P時(shí)序工藝，即10個(gè)吸附塔，兩塔在線吸附，5次均壓。當(dāng)某個(gè)程控閥故障時(shí)，可采用切塔方式將故障閥門(mén)對(duì)應(yīng)塔切出變更為9-2-5/P或8-1-5/P方式運(yùn)行。程控閥出現(xiàn)問(wèn)題的關(guān)鍵是必須馬上判斷出故障的閥門(mén)，并迅速切出系統(tǒng)，否則將會(huì)出現(xiàn)高竄低現(xiàn)象，導(dǎo)致系統(tǒng)停車(chē)?，F(xiàn)將可能遇到的情況總結(jié)如下：

5.1 01閥故障

未開(kāi)：會(huì)導(dǎo)致吸附塔變?yōu)橐凰?，中間產(chǎn)品氣壓力、流量驟降。解決辦法：切塔，待PSA裝置停車(chē)后置換合格進(jìn)行檢修。

未關(guān)死(內(nèi)漏、閥頭掉落等原因)：影響原料氣總管壓力，與之相對(duì)應(yīng)的均升時(shí)吸附塔壓力會(huì)偏高，會(huì)使沖洗氣、解析氣等管線與罐體的壓力偏高。解決辦法：切塔，觀察閥門(mén)是否能關(guān)死，必要時(shí)手動(dòng)關(guān)閥，待PSA裝置停車(chē)后處理。

5.2 02閥故障

未開(kāi)：會(huì)導(dǎo)致吸附塔變?yōu)橐凰?，中間產(chǎn)品氣壓力、流量驟降。解決辦法：切塔，待PSA裝置停車(chē)后置換合格進(jìn)行檢修。如無(wú)必要盡量不讓儀表手動(dòng)開(kāi)閥，否則會(huì)導(dǎo)致中間產(chǎn)品氣量驟降引起產(chǎn)品氫氣壓力波動(dòng)。

未關(guān)死(內(nèi)漏、閥頭掉落等原因)：會(huì)導(dǎo)致中間產(chǎn)品氣壓力、流量驟降，與之相對(duì)應(yīng)的均升吸附塔壓力會(huì)偏高，會(huì)使沖洗氣、解析氣等管線與罐體的壓力升高。解決辦法：切塔，觀察閥門(mén)是否能關(guān)死，必要時(shí)手動(dòng)關(guān)閥待PSA停車(chē)后處理。

5.3 03閥故障

未開(kāi)：導(dǎo)致沖洗氣緩沖罐壓力不降，解析氣緩沖罐及混合罐壓力升高，最終導(dǎo)致本吸附塔再生不徹底，影響產(chǎn)品氫氣純度。解決辦法：切塔，手動(dòng)將吸附塔內(nèi)壓力卸至微正壓，待PSA停車(chē)后處理。

未關(guān)死(內(nèi)漏、閥頭掉落等原因)：導(dǎo)致沖洗氣緩沖罐內(nèi)壓力偏低，解析氣緩沖罐及混合罐壓力下降，最終導(dǎo)致其余吸附塔再生不徹底，影響產(chǎn)品氫氣純度。解決辦法：切塔，必要時(shí)手動(dòng)關(guān)閥待PSA停車(chē)后處理。期間必須嚴(yán)密監(jiān)控產(chǎn)品氫氣純度，必要時(shí)PSA減負(fù)荷運(yùn)行。

5.4 04閥故障

未開(kāi)：均升階段時(shí)會(huì)導(dǎo)致本吸附塔不能正常進(jìn)行四均升、三均升、二均升最終導(dǎo)致本吸附塔壓差過(guò)大不能正常進(jìn)入吸附階段；均降階段會(huì)導(dǎo)致與其相對(duì)應(yīng)的吸附塔不能正常進(jìn)行二均降、三均降、四均降，最終導(dǎo)致與其相對(duì)應(yīng)的吸附塔壓差過(guò)大不能正常進(jìn)入吸附階段。解決辦法：切塔，現(xiàn)場(chǎng)關(guān)閉手閥，泄壓后處理。

未關(guān)死(內(nèi)漏、閥頭掉落等原因)：均升階段時(shí)會(huì)導(dǎo)致本吸附塔在一均升、終升階段時(shí)壓力下降，最終可能導(dǎo)致本吸附塔壓差過(guò)大不能正常進(jìn)入吸附階段；均降階段會(huì)導(dǎo)致其余吸附塔在進(jìn)行二均升/均降、三均升/均降、四均升/均降時(shí)壓力異常，均升吸附塔壓力偏低，均降吸附塔壓力偏高。解決辦法：切塔，現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)關(guān)閉手閥，泄壓后處理。

5.5 05閥故障

未開(kāi)：均升階段時(shí)會(huì)導(dǎo)致本吸附塔不能正常進(jìn)行一均升、終充，最終導(dǎo)致本吸附塔壓差過(guò)大不能正常進(jìn)入吸附階段；均降階段會(huì)導(dǎo)致本吸附塔不能正常進(jìn)行均降且與其相對(duì)應(yīng)吸附塔不能正常進(jìn)行均升，最終導(dǎo)致多個(gè)吸附塔壓力異常，吸附塔不能正常進(jìn)入吸附階段。解決辦法：切塔，現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)關(guān)閉手閥，泄壓后處理。

未關(guān)死(內(nèi)漏、閥頭掉落等原因)：均升階段時(shí)會(huì)導(dǎo)致中間產(chǎn)品氣壓力下降，其余吸附塔壓力異常。

PSA吸附塔2個(gè)以上程控閥同時(shí)出現(xiàn)問(wèn)題的幾率較小，大概率是由于壓差大導(dǎo)致。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，均是由05閥引起，如再發(fā)現(xiàn)2個(gè)以上程控閥(01閥和02閥)出現(xiàn)故障首先考慮是由05閥引起，具體位置則由時(shí)序表上對(duì)應(yīng)查詢(xún)。緊急處理需立即到現(xiàn)場(chǎng)關(guān)小原料氣進(jìn)氣閥并開(kāi)原料氣放空閥減小壓差后01閥與02閥可恢復(fù)正常工作。

均降階段會(huì)導(dǎo)致與其相對(duì)應(yīng)吸附塔在進(jìn)行終充工作時(shí)不斷泄壓，最終導(dǎo)致正在進(jìn)行吸附工作的塔壓差過(guò)大，01閥與02閥徹底關(guān)死，中間產(chǎn)品氣壓力流量驟降，沖洗氣、解析氣壓力飆升。解決辦法：切塔，現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)關(guān)閉手閥，泄壓后處理。

6 結(jié)語(yǔ)

PSA裝置04/05程控閥增加手動(dòng)球閥后，極大減少了整個(gè)裝置的停車(chē)次數(shù)，為系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障，下一步將通過(guò)改造將程控閥閥芯與閥桿改為固定式連接方式來(lái)徹底改變程控閥運(yùn)行短板。