周曉龍,林洪俊,孫來(lái)寶,王輝

(中石油華東設(shè)計(jì)院有限公司,山東 青島 266071)

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(shì)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(gòu)周期長(zhǎng)、采購(gòu)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)[2-3]。高壓控制閥包括高壓調(diào)節(jié)閥和高壓開(kāi)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(kāi)關(guān)閥應(yīng)用于聯(lián)鎖保護(hù)安全功能、動(dòng)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 高壓調(diào)節(jié)閥選型分析

1.1 類(lèi)型及結(jié)構(gòu)

高壓調(diào)節(jié)閥選用氣動(dòng)閥。閥體選用高壓直通調(diào)節(jié)閥或高壓多級(jí)降壓角閥。

1)高壓直通調(diào)節(jié)閥適用于高靜壓、低壓差場(chǎng)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(duì)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(jí)降壓角閥主要適用于高靜壓、高壓差液相場(chǎng)合。高壓多級(jí)降壓角閥采用角形流道，選用多級(jí)降壓閥內(nèi)件結(jié)構(gòu)。管道內(nèi)的介質(zhì)在通過(guò)多級(jí)降壓閥內(nèi)件時(shí)產(chǎn)生多次壓降，控制每級(jí)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(zhǎng)周期使用。

1.2 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(jí)規(guī)定。由于渣油加氫工藝過(guò)程中，對(duì)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(wú)特殊要求時(shí)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(guò)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L(zhǎng)CC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(guó)廣泛用于閥門(mén)制造。

渣油加氫介質(zhì)溫度高于280 ℃且氫氣濃度較高的場(chǎng)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(chǎng)合，主要分布在渣油加氫反應(yīng)器、熱高分進(jìn)出料部位，對(duì)高壓調(diào)節(jié)閥閥體提出了更高的要求，需要同時(shí)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(lái)合金或噴涂碳化鎢等。H2S含量較高場(chǎng)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(jí)別不銹鋼。

1.3 調(diào)節(jié)閥尺寸及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(gòu)價(jià)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(jí)降壓角閥流量特性一般為線性。

對(duì)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(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)開(kāi)度在20%～90%。對(duì)于新氫壓縮機(jī)逐級(jí)返回壓力調(diào)節(jié)閥等特殊工況閥門(mén)，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(shí)，調(diào)節(jié)閥長(zhǎng)期處于小開(kāi)度調(diào)節(jié)狀態(tài)，閥門(mén)產(chǎn)生噪音及振動(dòng)強(qiáng)烈，對(duì)調(diào)節(jié)閥及連接管線損傷很大。對(duì)于該類(lèi)工況建議選用特殊CV值修正流量特性的調(diào)節(jié)閥。

對(duì)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(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)開(kāi)度在20%～80%。對(duì)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(shí)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(duì)應(yīng)開(kāi)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 高壓開(kāi)關(guān)閥選型分析

2.1 類(lèi)型及結(jié)構(gòu)

高壓開(kāi)關(guān)閥通常分為高壓開(kāi)關(guān)球閥或高壓開(kāi)關(guān)閘閥。開(kāi)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(kāi)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(guò)程中對(duì)流體做的是剪切運(yùn)動(dòng)，可有效關(guān)斷含固體顆粒、纖維等雜質(zhì)的介質(zhì)。而開(kāi)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(shí)間短；閘閥為直行程，行程長(zhǎng)，關(guān)閉所需時(shí)間長(zhǎng)。球閥體積小，所需安裝空間??；閘閥體積大，所需安裝空間大。針對(duì)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(kāi)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(kāi)關(guān)閥應(yīng)選用氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)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(mén)開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)間要求。高壓開(kāi)關(guān)閥參與工藝聯(lián)鎖動(dòng)作時(shí)，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(jiǎn)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(zhǎng)時(shí)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(kāi)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(dòng)力故障時(shí)高壓開(kāi)關(guān)閥能自動(dòng)行至工藝要求的故障位置，必須配備備用氣源罐，但會(huì)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(duì)氣源敏感性高，可用性相對(duì)低。在工程設(shè)計(jì)中，針對(duì)高壓開(kāi)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(kāi)關(guān)閥不用于聯(lián)鎖保護(hù)安全功能，僅用于動(dòng)設(shè)備停機(jī)隔離、火災(zāi)隔離功能時(shí)，建議選用電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)可靠性較高，不宜發(fā)生誤動(dòng)作影響工藝生產(chǎn)。如有火災(zāi)隔離功能需要時(shí)，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(chǎng)上主流高壓開(kāi)關(guān)球閥閥體均采用鍛件，比如HARTMANN,AST等廠家產(chǎn)品，閥體無(wú)特殊要求時(shí)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(kāi)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(kāi)關(guān)球閥執(zhí)行快速關(guān)斷工作且為旋轉(zhuǎn)型閥門(mén)，對(duì)閥桿硬度要求較高，無(wú)特殊要求時(shí)通常采用17-4PH材質(zhì)閥桿。

3 渣油加氫裝置的高壓控制閥設(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(jí)為Class900～Class2500，其中新氫壓縮機(jī)逐級(jí)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(jí)降壓角閥，壓力等級(jí)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(dòng)開(kāi)關(guān)球閥，壓力等級(jí)為Class900～Class2500；8套高壓電動(dòng)開(kāi)關(guān)球閥，壓力等級(jí)為Class900～Class2500。

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(chǎng)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(jí)返回壓力調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)壓縮機(jī)級(jí)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(kāi)孔設(shè)置，開(kāi)孔大小沿調(diào)節(jié)閥全開(kāi)方向逐漸變大，通過(guò)修正開(kāi)孔的變化梯度，滿足調(diào)節(jié)流量變化較大時(shí)均在合理調(diào)節(jié)開(kāi)度范圍內(nèi)。

新氫壓縮機(jī)逐級(jí)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。正常操作流量為5×103m3/h(標(biāo)況)左右，經(jīng)計(jì)算CV值為1左右；最大操作流量為5×104m3/h(標(biāo)況)，經(jīng)計(jì)算CV值為9左右，采用Whisper系列修正流量特性套筒閥后，CV值與開(kāi)度對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表1所列，正常流量對(duì)應(yīng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度40%左右，最大流量對(duì)應(yīng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度60%左右，達(dá)到了很好的開(kāi)度調(diào)節(jié)范圍及降噪效果。

表1 修正套筒閥CV值與開(kāi)度對(duì)應(yīng)關(guān)系

3.2 高壓多級(jí)降壓角閥設(shè)計(jì)應(yīng)用

高壓多級(jí)降壓角閥適用于調(diào)節(jié)閥前后液相高壓差場(chǎng)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(kāi)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(jí)降壓閥芯及閥內(nèi)流道采用“圣誕樹(shù)結(jié)構(gòu)”。

3.3 高壓氣動(dòng)開(kāi)關(guān)球閥設(shè)計(jì)應(yīng)用

高壓氣動(dòng)開(kāi)關(guān)球閥用于工藝安全聯(lián)鎖保護(hù)，動(dòng)作響應(yīng)時(shí)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(shí)，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(xiǎn)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(dòng)作概率，渣油加氫氣動(dòng)開(kāi)關(guān)閥均采用雙電磁閥并聯(lián)驅(qū)動(dòng)，雙電磁均失電時(shí)，開(kāi)關(guān)閥執(zhí)行聯(lián)鎖動(dòng)作，渣油加氫高壓氣動(dòng)開(kāi)關(guān)球閥氣路聯(lián)動(dòng)邏輯如圖1所示。

3.4 高壓電動(dòng)開(kāi)關(guān)球閥設(shè)計(jì)應(yīng)用

高壓電動(dòng)開(kāi)關(guān)球閥用于動(dòng)設(shè)備停機(jī)隔離，性能穩(wěn)定，誤動(dòng)作概率低。當(dāng)渣油加氫中高壓電動(dòng)開(kāi)關(guān)球閥用于動(dòng)設(shè)備停機(jī)隔離時(shí)，其控制邏輯如圖2所示。

圖1 渣油加氫高壓氣動(dòng)開(kāi)關(guān)球閥氣路聯(lián)動(dòng)邏輯示意

圖2 渣油加氫高壓電動(dòng)開(kāi)關(guān)球閥控制邏輯示意

從控制系統(tǒng)至電動(dòng)閥電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制信號(hào)均采用硬接線干觸點(diǎn)信號(hào)，當(dāng)動(dòng)設(shè)備停機(jī)后，停機(jī)信號(hào)觸發(fā)對(duì)應(yīng)的電動(dòng)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(dòng)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(shí)，根據(jù)相關(guān)要求執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)配帶防火罩。

4 結(jié)束語(yǔ)

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(shí)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(guò)了生產(chǎn)運(yùn)行驗(yàn)證，在此供借鑒參考。