氧氣放空閥閥內(nèi)件改造及控制方式優(yōu)化小結(jié)

高志森

（呼倫貝爾金新化工有限公司，內(nèi)蒙古呼倫貝爾 021506）

1 概 述

呼倫貝爾金新化工有限公司（簡(jiǎn)稱金新化工）“50·80”項(xiàng)目（500kt／a合成氨、800kt／a尿素）以褐煤為原料，配置3臺(tái)BGL氣化爐；2014年實(shí)施原料及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整技改，增設(shè)了1臺(tái)Shell氣化爐（下行水激冷氣化爐）。

金新化工36000m3／h空分裝置（產(chǎn)品氧氣設(shè)計(jì)產(chǎn)能36000m3／h）氧氣系統(tǒng)工藝流程如圖1，BGL氣化系統(tǒng)和Shell氣化系統(tǒng)所需氧氣流量主要由調(diào)節(jié)閥（FV01339A）控制，其余氧氣通過調(diào)節(jié)閥（PV01340）減壓后送至甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化工序作為原料，多余的氧氣由氧氣放空閥（FV01339B）調(diào)節(jié)放空。

圖1 空分裝置氧氣系統(tǒng)工藝流程簡(jiǎn)圖

氧氣放空閥（FV01339B）設(shè)計(jì)（工作）溫度36 ℃、設(shè)計(jì)壓力4.85 MPa，閥門口徑DN100，閥體、閥芯、閥座均采用Monel400鎳基合金。FV01339B采用SAMSON公司生產(chǎn)的3251型調(diào)節(jié)閥，閥芯采用V形窗口設(shè)計(jì)，閥芯由流量窗口、導(dǎo)向柱、密封面組成。FV01339B閥芯上有3個(gè)流量窗口，窗口的深度和大小尺寸均不同，最大的窗口正對(duì)流體的下游，保證小開度時(shí)流量的精準(zhǔn)控制，流量窗口決定了閥門的流量特性。FV01339B閥座與閥體之間采用螺紋錐體連接，螺紋旋入后錐面與閥體密封，閥座密封面寬度1.5mm，閥座內(nèi)徑為82.7mm，閥芯導(dǎo)向柱尺寸為82.4mm；當(dāng)閥芯落入閥座后，閥芯與閥座的單邊間隙只有0.15mm。

2 氧氣放空閥存在的問題

在前期生產(chǎn)運(yùn)行過程中，氧氣放空閥（FV01339B）存在的問題一直困擾著氣化裝置的生產(chǎn)：2012年，由于FV01339B閥芯與閥座磨損以及閥桿彎曲，導(dǎo)致閥門內(nèi)漏；2013年，同樣的問題再次出現(xiàn)，改進(jìn)FV01339B閥內(nèi)件材質(zhì)后內(nèi)漏問題依然存在；2014年增加FV01339B閥芯導(dǎo)向面積，2015年4月增加FV01339B閥芯導(dǎo)向柱，內(nèi)漏問題仍未有效解決。氧氣放空閥（FV01339B）出現(xiàn)內(nèi)漏后，會(huì)使氧氣放空量增大，去煤氣化系統(tǒng)的氧氣量減少，生產(chǎn)系統(tǒng)負(fù)荷降低，影響生產(chǎn)任務(wù)的完成；此外，2016年Shell氣化爐投運(yùn)以后，生產(chǎn)系統(tǒng)對(duì)氧氣的需求量增加（意味著對(duì)閥門泄漏的要求更為嚴(yán)格），通過對(duì)空分裝置進(jìn)行優(yōu)化，氧負(fù)荷由36000m3／h提升至38000m3／h，而FV01339B設(shè)計(jì)流通量偏小，且Shell氣化爐在4個(gè)煤燒嘴前只設(shè)有1臺(tái)氧氣緊急放空開關(guān)閥（13XV0006），當(dāng)Shell氣化爐1個(gè)或者2個(gè)煤燒嘴跳車后，為保證Shell氣化爐能低負(fù)荷運(yùn)行，不能直接打開13XV0006放空，系統(tǒng)多余氧氣只能通過FV01339B放空，如此一來，氧氣放空會(huì)不足及滯后，導(dǎo)致氧氣管網(wǎng)及設(shè)備超壓，給氧氣管網(wǎng)帶來很大的安全隱患，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致BGL氣化爐及空分裝置負(fù)荷波動(dòng)，影響空分裝置和氣化裝置的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

歸結(jié)起來，F(xiàn)V01339B存在的問題主要有：①FV01339B設(shè)計(jì)流通量偏小，氧氣負(fù)荷提高后，事故狀態(tài)下FV01339B放空量不足；②FV01339B閥內(nèi)件磨損、卡澀，導(dǎo)致FV01339B內(nèi)漏；③Shell氣化爐煤燒嘴跳車后FV01339B放空不及時(shí)引起氧氣管網(wǎng)及設(shè)備超壓。

3 氧氣放空閥的優(yōu)化改進(jìn)方案

氧氣放空閥（FV01339B）為SAMSON3251型調(diào)節(jié)閥，其投運(yùn)以來多次出現(xiàn)故障，主要為閥內(nèi)件磨損、閥門卡澀、閥桿彎曲及斷裂，給系統(tǒng)的運(yùn)行帶來巨大的安全隱患。為使系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，需對(duì)FV01339B閥內(nèi)件進(jìn)行改造，以延長(zhǎng)其使用壽命，并進(jìn)一步優(yōu)化其控制方式，確保系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)周期運(yùn)行。

3.1 改進(jìn)閥門內(nèi)件以提高其流通量

氧氣放空閥（FV01339B）原閥內(nèi)件設(shè)計(jì)最大流通量為36000m3／h，但在實(shí)際生產(chǎn)中，最高氧氣負(fù)荷已達(dá)38000m3／h，因此需通過閥內(nèi)件改造提高其流通量。據(jù)原閥內(nèi)件圖紙數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出閥座流通面積為5335mm2，閥芯在全開時(shí)的最大流通面積為3360mm2（采用扇形平面估算法計(jì)算）；在阻力系數(shù)衡定且介質(zhì)不可壓縮的情況下，依據(jù)相對(duì)流通面積的變化與相對(duì)流通量的變化成正比的關(guān)系［見式（1）］，可求出閥芯的最大開啟面積與閥座的最大流通直徑。

式中 Q——原閥芯的流通量，m3／h；

Qmax——設(shè)計(jì)閥芯的最大流通量，m3／h；

A——原閥芯計(jì)算流通面積，mm2；

Amax——設(shè)計(jì)閥芯最大流通面積，mm2。

將Q=36000m3／h、Qmax=38000m3／h、A=3360mm2代入式（1），計(jì)算可得設(shè)計(jì)閥芯最大流通面積Amax≈3547mm2；將Q=36000m3／h、Qmax=38000m3／h、A′=5335mm2代入式（1），計(jì)算可得設(shè)計(jì)閥座最大流通面積A′max≈5631 mm2。則設(shè)計(jì)閥座流通直徑≈2×（5631／3.14）0.5=84.7mm，即在原閥座82.7mm的內(nèi)徑基礎(chǔ)上增加2mm。

3.2 閥內(nèi)件磨損／卡澀問題的分析及改進(jìn)

3.2.1 磨損／卡澀原因

當(dāng)閥門在小開度投自控時(shí)，閥門頻繁動(dòng)作，閥芯上只有最大流量窗口通過介質(zhì)，介質(zhì)的推力促使閥芯產(chǎn)生反向作用力，使閥桿與閥芯形成懸臂梁，導(dǎo)致閥桿彎曲，進(jìn)而閥芯導(dǎo)向柱與閥座產(chǎn)生摩擦。

當(dāng)閥門全關(guān)時(shí)，因閥芯導(dǎo)向柱與閥座密封面已經(jīng)磨損，閥門出現(xiàn)泄漏，導(dǎo)致后續(xù)系統(tǒng)氧氣量減少、負(fù)荷降低。

當(dāng)閥門開度達(dá)80%以上時(shí)，閥芯上3個(gè)流量窗口均有介質(zhì)流過，介質(zhì)的推力得到抵消，但當(dāng)閥芯與閥座磨損到一定程度后，閥門在關(guān)閉過程中，因之前閥桿已彎曲、閥座磨損嚴(yán)重，使得閥芯與閥座不同軸，導(dǎo)致閥芯的導(dǎo)向面卡在閥座邊緣，閥芯不能落入閥座內(nèi)，在執(zhí)行機(jī)構(gòu)的推力下閥桿受力過大而彎曲或斷裂。

3.2.2 閥內(nèi)件的改進(jìn)

3.2.2.1 閥內(nèi)件材質(zhì)改進(jìn)

（1）原閥芯和閥座均采用Monel400鎳基合金，其布氏硬度（HB）在110～149之間，相對(duì)較軟，為提高FV01339B閥內(nèi)件的抗磨能力，閥內(nèi)件改為采用Inconel625鎳基合金，其布氏硬度（HB）≤220。

（2）對(duì)容易磨損的閥芯導(dǎo)向柱部分進(jìn)行堆焊硬化處理，使其硬度進(jìn)一步提高，以延長(zhǎng)閥內(nèi)件的使用壽命。

3.2.2.2 閥芯形面的改進(jìn)

結(jié)合閥內(nèi)件的磨損情況，重新設(shè)計(jì)了閥芯形面：將閥芯形面設(shè)計(jì)為3個(gè)相同的流量窗口，在小開度時(shí)每個(gè)流量窗口都有介質(zhì)流過，使3個(gè)流量窗口產(chǎn)生的徑向力相互抵消；取消閥芯上的3個(gè)導(dǎo)向柱，由1個(gè)中心導(dǎo)向柱替代；上止口與閥座分別固定閥芯的上、下兩端，保證閥芯與閥座同軸；因閥芯與閥座之間的間隙只有0.15mm，使用過程中一旦產(chǎn)生摩擦閥門將出現(xiàn)內(nèi)漏，故在設(shè)計(jì)閥芯形面時(shí)充分考慮了閥芯與閥座間的間隙，將閥芯設(shè)計(jì)為錐形，錐度為4°，閥門開啟后，因閥芯與閥座間有一定的間隙，從而可防止閥芯與閥座的摩擦，保證閥門在全關(guān)時(shí)密封面完好。

3.2.2.3 閥芯形面的設(shè)計(jì)與計(jì)算

據(jù)FV01339B原始設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)可知，閥門可調(diào)比為50∶1，閥門行程為30mm，直線流量特性。由直線流量特性公式（2）可計(jì)算理想流量特性曲線：

式中 Q——原閥芯流通量，m3／h；

Qmax——設(shè)計(jì)閥芯的最大流通量，m3／h；

R——調(diào)節(jié)閥可調(diào)比；

L——閥門行程，mm；

h——閥門開啟距離，mm。

將閥門不同開度值帶入直線流量特性公式（2），可求出理想流量特性曲線數(shù)據(jù)，見表1；由直線流量特性計(jì)算數(shù)據(jù)，可以繪制出直線流量特性曲線，如圖2。

圖2 新閥門直線流量特性曲線圖

表1 新閥門直線流量特性計(jì)算數(shù)據(jù)表

據(jù)閥門直線流量特性曲線，計(jì)算閥門開啟面積AK。在閥芯形面計(jì)算過程中，利用三角函數(shù)的關(guān)系，計(jì)算出4°錐形閥芯在每個(gè)開度下閥芯斜率對(duì)流通面積的影響，求出AK。采用矩形計(jì)算公式與近似異形閥瓣計(jì)算公式，計(jì)算出閥芯截面窗口寬度。初始形面矩形計(jì)算如式（3）、異形閥瓣計(jì)算如式（4），閥芯形面計(jì)算數(shù)據(jù)見表2。

表2 閥芯形面計(jì)算數(shù)據(jù)表

式中 ιk——閥芯截面窗口寬度，mm；

ιk-1——前一個(gè)截面窗口寬度，mm；

AK——計(jì)算截面內(nèi)閥瓣窗口開啟的截面積，mm2；

AK-1——前一個(gè)截面內(nèi)閥瓣窗口開啟的截面積，mm2；

h——閥門開啟距離，mm；

Z——閥芯窗口數(shù)量。

據(jù)閥芯截面窗口寬度（ιk），可以繪制出閥芯的形面。實(shí)際加工中，要將棱角倒圓，保證氧氣在流通過程中無局部阻力，以免產(chǎn)生流速過大的現(xiàn)象；為保證閥芯與閥座不發(fā)生摩擦，閥芯能更好地消除徑向不平衡力，在閥芯底部中心增加1個(gè)φ18mm、L=90mm的導(dǎo)向柱。

3.2.2.4 閥座改進(jìn)

閥芯增設(shè)導(dǎo)向柱，閥座也相應(yīng)地增設(shè)導(dǎo)向支架。閥座上的窗口面積之和大于閥座內(nèi)截面積，從而滿足介質(zhì)的流通性能。改進(jìn)后閥座設(shè)計(jì)示意如圖3。

圖3 改進(jìn)后閥座設(shè)計(jì)示意圖

3.3 閥門流量控制方式的優(yōu)化

3.3.1 優(yōu)化思路

為使氧氣放空閥（FV01339B）能快速響應(yīng)又不出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象，擬通過對(duì)原有閥門控制系統(tǒng)的改進(jìn)實(shí)現(xiàn)閥門流量控制方式的優(yōu)化。為此，基于Shell氣化爐開車時(shí)的氧氣使用量及FV01339B的開度情況，結(jié)合FV01339B的流量特性與測(cè)試數(shù)據(jù)，得出閥門開度（OP）與放空量（PV）的擬合曲線（如圖4），得到擬合曲線以后，可通過擬合公式計(jì)算出閥門在一定開度下的放空量；反之，知道氧氣放空量，可反算閥門的開度，得到反向放空量（PV）與閥門開度（OP）的擬合曲線（如圖5）。

圖4 閥門開度（OP）與放空量（PV）的擬合曲線

圖5 放空量（PV）與閥門開度（OP）的擬合曲線

3.3.2 擬合絕對(duì)偏差計(jì)算

由上述兩條擬合曲線，可利用多項(xiàng)式擬合出閥門開度OP值（x）與氧氣放空量PV值（y）的關(guān)系式——閥門開度OP值（x）與氧氣放空量PV值（y）的擬合曲線方程式如式（5）、氧氣放空量PV值（y）與閥門開度OP值（x）的擬合曲線方程式如式（6）。

運(yùn)用擬合公式（5）、 （6）計(jì)算出的閥門擬合數(shù)據(jù)及其絕對(duì)偏差見表3。可以看出，實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)與計(jì)算擬合數(shù)據(jù)基本吻合，滿足閥門控制需要。

表3 閥門測(cè)試數(shù)據(jù)及其與擬合數(shù)據(jù)的絕對(duì)偏差

3.3.3 實(shí)際應(yīng)用

實(shí)際應(yīng)用中，因空分裝置與Shell氣化爐服務(wù)器操作站不在一起，故Shell氣化爐、空分裝置都做聯(lián)鎖選擇開關(guān)、聯(lián)鎖切除選擇開關(guān)，空分裝置與Shell氣化爐都有權(quán)限選擇是否投用聯(lián)鎖，并可以查看另一方的投用狀態(tài)。Shell氣化爐煤燒嘴聯(lián)鎖跳車后，F(xiàn)IC01339B（氧氣放空閥FV01339B流量）控制模式變?yōu)槭謩?dòng)，2s（信號(hào)傳遞與計(jì)算所需時(shí)間）后FV01339B恢復(fù)自動(dòng)控制模式。Shell氣化爐與空分裝置聯(lián)鎖控制FIC01339B計(jì)算步驟見圖6。

圖6 聯(lián)鎖控制FIC01339B計(jì)算步驟示意圖

聯(lián)鎖投用以來，Shell氣化爐煤燒嘴聯(lián)鎖跳車后，F(xiàn)V01339B能夠準(zhǔn)確、及時(shí)開到所需閥位進(jìn)行放空，避免了氧氣管網(wǎng)超壓，保證了Shell氣化爐的低負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)束語

金新化工空分裝置氧氣放空閥（FV01339B）自2012年開始出現(xiàn)故障，經(jīng)多年來的優(yōu)化改進(jìn)，最終于2016年改造后取得了良好的成效，閥門內(nèi)漏問題得以解決；2017年對(duì)FV01339B進(jìn)行解體檢查，未發(fā)現(xiàn)閥內(nèi)件磨損，其后2a多的運(yùn)行觀察與現(xiàn)場(chǎng)檢查均未發(fā)現(xiàn)有閥門內(nèi)漏現(xiàn)象。可見，F(xiàn)V01339B閥內(nèi)件的改造解決了閥內(nèi)件磨損而致閥門內(nèi)漏的瓶頸問題，保證了FV01339B的長(zhǎng)周期、穩(wěn)定運(yùn)行。

在FV01339B的控制方式上，通過對(duì)原有控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了閥位的精準(zhǔn)控制，提高了FV01339B啟閉的響應(yīng)速度，避免了氧氣管網(wǎng)及設(shè)備超壓，保證了Shell氣化爐煤燒嘴跳車后空分裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行及Shell氣化爐的低負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行。

綜上所述，金新化工2016年對(duì)FV01339B閥內(nèi)件的改進(jìn)及控制方式的優(yōu)化是合理的、成功的，這對(duì)類似工況下閥門內(nèi)漏問題的解決及調(diào)控優(yōu)化有一定的參考與借鑒意義。