CO2 汽提法尿素裝置池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥故障判斷及處理

侯立業(yè)

（中海石油華鶴煤化有限公司，黑龍江 鶴崗 154110）

1 概 述

中海石油華鶴煤化有限公司（簡稱華鶴煤化）520kt/a尿素裝置采用荷蘭斯塔米卡邦2000+TM工藝，高壓系統(tǒng)用1臺池式反應(yīng)器替代池式反應(yīng)冷凝器和尿素合成塔2臺設(shè)備，即高壓系統(tǒng)由池式反應(yīng)器、CO2汽提塔、高壓洗滌器3臺設(shè)備組成，其工藝流程簡圖見圖1（注：閥A—高壓洗滌器氣相放空調(diào)節(jié)閥，閥B—池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥，閥C—汽提塔液位調(diào)節(jié)閥）。其中，池式反應(yīng)器是池式冷凝器和尿素合成塔的組合，含有U形管束的容器區(qū)間相當(dāng)于一個池式冷凝器，管束中產(chǎn)生低壓蒸汽，圍繞管束外的氣體部分冷凝，并有一定量的甲銨脫水生成尿素；池式反應(yīng)器由10塊導(dǎo)流板構(gòu)成，分割成10個小室，在最后一個小室用液位調(diào)節(jié)閥來控制池式反應(yīng)器的液位。CO2汽提塔利用底部進入的CO2氣對頂部來自于池式反應(yīng)器的混合液中的NH3進行汽提，CO2汽提塔的液位由其液位調(diào)節(jié)閥控制。高壓洗滌器采用直通液氨冷凝的方式取代高溫調(diào)節(jié)水換熱冷凝，即利用高壓甲銨泵提供的甲銨液實現(xiàn)NH3和CO2的冷凝，部分冷凝熱被高壓洗滌器底部的液氨吸收，通過高壓洗滌器頂部氣相放空調(diào)節(jié)閥保證高壓系統(tǒng)壓力的穩(wěn)定。

圖1 尿素裝置高壓系統(tǒng)工藝流程簡圖

華鶴煤化尿素裝置高壓系統(tǒng)與常規(guī)汽提法尿素裝置高壓系統(tǒng)相比，具有如下明顯的優(yōu)勢：①工藝流程簡潔，所用設(shè)備少，工藝步驟少，連續(xù)開工率高；②尿素合成反應(yīng)多余的NH3在高壓圈大部分得到回收；③高壓氨泵及高壓甲銨泵流量小、耗能低；④尿素合成系統(tǒng)的設(shè)備布局合理，整個系統(tǒng)主要靠重力為推動力，無需能量驅(qū)動，未轉(zhuǎn)化的NH3和CO2在合成系統(tǒng)內(nèi)部循環(huán)；⑤設(shè)備采用耐腐蝕性能更好的雙相不銹鋼，高壓系統(tǒng)可實現(xiàn)無氧操作。不過，任何工藝系統(tǒng)不可能盡善盡美，諸如高壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥出現(xiàn)故障處理不及時時，同樣會造成嚴(yán)重的后果。

池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥、CO2汽提塔液位調(diào)節(jié)閥、高壓洗滌器氣相放空調(diào)節(jié)閥等調(diào)節(jié)閥均為事故關(guān)型，調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機構(gòu)的動力源均為壓力約0.70MPa的儀表空氣，儀表空氣在經(jīng)過減壓機構(gòu)、過濾機構(gòu)后最終作用于調(diào)節(jié)閥的執(zhí)行機構(gòu)，助力閥桿的位移實現(xiàn)調(diào)節(jié)閥開度的調(diào)節(jié)，并同步設(shè)有開度反饋機構(gòu)，用來指示實際開度與設(shè)定開度的偏差。生產(chǎn)中，一旦上述調(diào)節(jié)閥出現(xiàn)故障而全開或全關(guān)時，系統(tǒng)中相關(guān)工藝參數(shù)就會出現(xiàn)不同程度的波動——溫度、壓力等參數(shù)異常升高或降低，因此要求操作人員密切關(guān)注相關(guān)工藝參數(shù)的變化且作出準(zhǔn)確判斷，并據(jù)相應(yīng)的故障原因及時對系統(tǒng)進行調(diào)整，力求保證尿素高壓系統(tǒng)的穩(wěn)定、安全運行。

2 池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥簡介

華鶴煤化520kt/a尿素裝置自2015年投產(chǎn)以來，高壓系統(tǒng)總體運行穩(wěn)定，其采用池式反應(yīng)器替代池式冷凝器和尿素合成塔的工藝設(shè)計，無論是在系統(tǒng)能耗方面還是在操作彈性方面總體上均優(yōu)于其他工藝。但華鶴煤化池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥生產(chǎn)中多次出現(xiàn)故障，導(dǎo)致高壓系統(tǒng)出現(xiàn)大幅波動，甚至導(dǎo)致尿素裝置封塔停車。

池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥為奧地利（斯塔米卡邦）進口氣動調(diào)節(jié)閥，屬于高壓角閥，以壓縮空氣為動力源，以氣缸為執(zhí)行器，并借助于閥門定位器、轉(zhuǎn)化器、保位閥、電磁閥附件來驅(qū)動閥門的開關(guān)，閥體材質(zhì)采用防腐蝕性能較好的316L尿素級不銹鋼及Safurex（雙相不銹鋼）。正常生產(chǎn)時，池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥投自控，調(diào)節(jié)閥閥位與生產(chǎn)負荷在一定程度上呈正比例關(guān)系，在生產(chǎn)負荷保持不變的穩(wěn)定運行過程中，閥門開度調(diào)整幅度較小。實際生產(chǎn)表明，池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥具有操作靈敏度高、控制簡單等優(yōu)點，但同時也存在缺點，那就是沒有設(shè)計帶現(xiàn)場手輪，當(dāng)閥門出現(xiàn)故障時，不能通過手輪進行限位操作，且儀表氣源（儀表空氣）在進入執(zhí)行機構(gòu)時沒有加裝過濾裝置，使得閥門發(fā)生故障的風(fēng)險加大。

正常情況下，池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥通常設(shè)計帶有手輪，因為有了手輪可以不考慮為其設(shè)計副線，但實際生產(chǎn)中有兩點必須考慮：第一，池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥流通的介質(zhì)為尿液和甲銨液的混合液，出于生產(chǎn)安全方面的考慮，當(dāng)高壓系統(tǒng)聯(lián)鎖封塔停車時，池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥需快速關(guān)閉，及時切斷工藝物料，避免相關(guān)系統(tǒng)（特別是管道、閥門）發(fā)生結(jié)晶堵塞，若其帶有手輪，可能因發(fā)生“空檔”而影響調(diào)節(jié)閥的開關(guān)，進而影響到整個系統(tǒng)的安全；第二，出于成本考慮，若調(diào)節(jié)閥不帶手輪，則可設(shè)計副線，但設(shè)計副線無疑也會增加成本?；谝陨蟽煞矫娴脑?，最有效的方式是盡可能保證池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥的工作狀態(tài)穩(wěn)定、可靠。

3 池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥故障判斷

池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥發(fā)生故障最直接的表現(xiàn)是池式反應(yīng)器出現(xiàn)滿液和空液兩種現(xiàn)象。需要說明的是，池式反應(yīng)器滿液或空液并不能說都是液位調(diào)節(jié)閥故障所致，是否為調(diào)節(jié)閥故障所致，需通過相關(guān)工藝參數(shù)的變化以及調(diào)節(jié)閥實際開度與儀表閥位反饋值的偏差規(guī)律綜合進行判斷。

首先，池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥是否發(fā)生了故障可以從相關(guān)工藝參數(shù)的變化來判斷。池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥突然關(guān)小或逐漸全關(guān)會造成CO2汽提塔以及后續(xù)工段斷料，CO2汽提塔因為突然的受料量減少，其液位會迅速下降，用于CO2汽提塔加熱的高壓蒸汽耗量也會迅速下降，由約62t/h降至5t/h，由于高壓蒸汽量的退出需要一定的時間，此時汽提塔底部就會發(fā)生嚴(yán)重超溫，溫度高達180℃甚至更高，蒸汽自控調(diào)節(jié)閥會因蒸汽用量突然降低、高壓蒸汽來不及退回管網(wǎng)中而發(fā)生蒸汽安全閥超壓啟跳。同時，CO2汽提塔底部進入的CO2會因為汽提塔液位的降低而發(fā)生“短路”，即大量的CO2氣沒有通過汽提塔列管而直接進入低壓精餾后系統(tǒng)，造成低壓系統(tǒng)超壓。與此同時，池式反應(yīng)器的氣相溫度會由178℃逐漸升高，若池式反應(yīng)器已經(jīng)完全滿液，其氣相溫度會超過185℃，同時高壓洗滌器氣相出口溫度也會由約105℃升高至150℃甚至更高，池式反應(yīng)器下液溫度會較快上漲，低壓吸收塔因負荷增大而滿液超壓。在池式反應(yīng)器液位逐漸上漲的過程中，高壓系統(tǒng)壓力會逐漸上漲，但壓力上漲比較緩慢，一旦池式反應(yīng)器滿液到高壓洗滌器中，高壓系統(tǒng)壓力會快速上漲，甚至達到封塔停車聯(lián)鎖值15.5MPa，若壓力仍繼續(xù)上漲，高壓系統(tǒng)的3個安全閥會啟跳泄壓（高壓洗滌器氣相放空調(diào)節(jié)閥、池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥、汽提塔液位調(diào)節(jié)閥的啟跳壓力分別為15.9MPa、16.1MPa、16.4MPa）。而池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥開大或全開會造成池式反應(yīng)器空液，此時系統(tǒng)主要表現(xiàn)為高壓系統(tǒng)壓力出現(xiàn)突降，CO2汽提塔殼側(cè)蒸汽壓力上升而流量下降，蒸汽系統(tǒng)發(fā)生大幅波動。2019年8月12日04：08華鶴煤化尿素裝置滿負荷運行時池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥發(fā)生故障（閥位逐漸關(guān)小至全關(guān)）時高壓系統(tǒng)的主要工藝數(shù)據(jù)見表1。

表1 池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥故障時高壓系統(tǒng)的主要工藝數(shù)據(jù)

其次，池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥是否發(fā)生了故障可以從閥門實際開度與儀表閥位反饋值的偏差來判斷。池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥帶有閥位變送器，閥位變送器的作用是將氣動執(zhí)行機構(gòu)輸出軸的轉(zhuǎn)角（0～90°）線性地轉(zhuǎn)換成4～20mADC信號，用以指示閥位，并實現(xiàn)閥門開度的反饋；同時，閥位變送器具有足夠的線性度和線性范圍，使執(zhí)行機構(gòu)輸出軸緊跟調(diào)節(jié)器的輸出信號運轉(zhuǎn)，閥位信號會單獨從定位器引出至DCS，反饋閥位值與實際OP值偏差設(shè)定在1.2%左右，當(dāng)DCS中實際閥位與反饋閥位值出現(xiàn)較大偏差時，意味著調(diào)節(jié)閥實際閥位可能出現(xiàn)了問題，具體表現(xiàn)為其自控狀態(tài)下閥位逐漸開大（或關(guān)?。厥椒磻?yīng)器液位卻逐漸升高（或降低），最終調(diào)節(jié)閥閥位開到100% （或關(guān)到0%），池式反應(yīng)器液位沒有降低（或升高）反而繼續(xù)升高（或降低）。此外，反饋閥位值偏差由于控制器需要模擬計算，因計算時間滯后的原因，反饋閥位值與實際OP值偏差還會由1.2%逐漸變大。

總之，通過將高壓系統(tǒng)相關(guān)工藝參數(shù)的變化以及池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥實際開度與儀表閥位反饋值偏差較大的特征相結(jié)合，綜合分析可判斷出池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥是否出現(xiàn)了故障。

4 池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥故障原因分析

（1）儀表空氣壓力異常。池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥為氣動調(diào)節(jié)閥，儀表空氣壓力要保持在0.65～0.75MPa且穩(wěn)定，才能保證調(diào)節(jié)閥工作正常。在原因查找過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥出現(xiàn)故障時，若空氣壓縮機工況異常，儀表空氣壓力頻繁波動，會造成調(diào)節(jié)閥動作遲鈍、緩慢或動作幅度較大；同時，檢查現(xiàn)場儀表空氣管線還發(fā)現(xiàn)儀表空氣的活接頭、閥門等部件密封性能較差，有漏氣泄壓現(xiàn)象，現(xiàn)場儀表空氣壓力表示數(shù)為0.32～0.40MPa。

（2）閥門定位器工作不正常。池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥帶有閥門定位器，定位器前儀表空氣管線上安裝有空氣過濾減壓閥，其作為一種氣動薄膜調(diào)節(jié)壓力的輔助裝置，內(nèi)部主要由主閥和導(dǎo)閥組成，通過這兩部分的相互作用來調(diào)節(jié)彈簧壓力，從而實現(xiàn)氣體減壓和穩(wěn)壓的功能。但由于工藝管線中流動的介質(zhì)為尿液、甲銨液等，這些介質(zhì)具有強腐蝕性和易結(jié)晶的特點，長時間運行會因閥門密封不良而導(dǎo)致少量工藝介質(zhì)外漏，在空氣濾網(wǎng)上形成結(jié)晶，長時間的積累導(dǎo)致大部分濾網(wǎng)被完全堵死，儀表空氣無法過濾減壓，繼而影響閥門定位器的正常工作，最終因儀表空氣中斷而致調(diào)節(jié)閥發(fā)生故障（全關(guān)）。

（3）調(diào)節(jié)閥部分附件腐蝕老化。池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥自投用以來沒有進行過拆卸檢查，長時間的工作加上調(diào)節(jié)閥所控制的介質(zhì)具有強腐蝕性和沖刷性，必然對調(diào)節(jié)閥附件和部分結(jié)構(gòu)造成影響。直至2019年尿素裝置大修期間，拆檢池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥發(fā)現(xiàn)，閥芯、閥座、膜片及O型圈均發(fā)生了不同程度的損壞，閥芯因沖刷腐蝕而產(chǎn)生嚴(yán)重磨損，閥座因尿液、甲銨液滲入固定閥座用的螺紋內(nèi)表面造成腐蝕而松弛；期間對池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥的閥座端面進行了打磨處理，閥芯由于腐蝕較嚴(yán)重，更換了新的閥芯，同時還更換了密封潤滑脂。

5 池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥故障處理及維護保養(yǎng)

5.1 故障處理

池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥出現(xiàn)故障后，必然出現(xiàn)閥門異常關(guān)小甚至全關(guān)或者開大甚至全開的情況，不同的情況處理方式有所不同：若池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥出現(xiàn)全開，封塔停車的風(fēng)險很大，往往只有封塔才能處理好；若池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥出現(xiàn)全關(guān)，可通過系統(tǒng)大幅減負荷等手段進行調(diào)整，有一定的調(diào)整余地；若池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥只是關(guān)小或開大，并沒有全關(guān)或全開，可根據(jù)相關(guān)調(diào)節(jié)閥閥位與生產(chǎn)負荷一定程度上的線性對應(yīng)關(guān)系（見表2）進行手動操作。

表2 生產(chǎn)負荷與相關(guān)調(diào)節(jié)閥閥位線性對應(yīng)關(guān)系

表2給出的經(jīng)驗操作閥位具有一定的參考意義，但并不絕對準(zhǔn)確，僅供參考，具體操作中要結(jié)合工藝參數(shù)的變化作出及時的調(diào)整。正常生產(chǎn)中，如果判斷出池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥出現(xiàn)故障，應(yīng)立即將池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥打到手控模式，并調(diào)節(jié)到對應(yīng)負荷閥位后進行微調(diào)，將池式反應(yīng)器氣相溫度控制在177～179℃、下液溫度控制在185～187℃，調(diào)整時避免大幅操作，每次微調(diào)閥位0.5%并觀察，觀察到上述2個溫度點溫度在上升表明液位在上漲，此時應(yīng)將池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥閥位開大控制液位的上漲，反之則關(guān)小閥門。同時，結(jié)合CO2汽提塔相關(guān)工藝參數(shù)進行調(diào)整，如果CO2汽提塔下液溫度高于173℃，表明CO2汽提塔液位較高，也就間接反映出池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥開度過大；若CO2汽提塔出液溫度低于165℃且低壓循環(huán)系統(tǒng)壓力突升，表明CO2汽提塔空液且CO2竄入了低壓循環(huán)系統(tǒng)，也就間接反映出池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥開度過小，此時要立即全開池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥建立液封，但全開時間不能過長——一般池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥全開10～20s，然后就需要調(diào)整其閥位與生產(chǎn)負荷相匹配，以防CO2汽提塔滿液。此外，要密切關(guān)注高壓系統(tǒng)的氨碳比和水碳比，指標(biāo)出現(xiàn)偏差要及時調(diào)整，避免系統(tǒng)組分失調(diào)。在維持系統(tǒng)穩(wěn)定運行的同時，利用高壓沖洗水泵出口壓力高于高壓系統(tǒng)壓力3.0MPa的工況條件，將高壓沖洗水打到池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥閥前，利用高壓沖洗水泵的高壓頭，在短時間稀釋尿液的同時對調(diào)節(jié)閥進行沖洗，將調(diào)節(jié)閥閥芯和閥體內(nèi)的結(jié)晶沖洗掉，消除調(diào)節(jié)閥卡澀帶來的影響。

當(dāng)判斷出池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥故障是因儀表空氣異常所致，要檢查確認儀表空氣壓力異常的原因并進行相應(yīng)的處理：若是空氣管線漏氣，要在最短的時間內(nèi)處理好；若是接頭有漏點，一定要選擇如聚四氟乙烯的膠帶進行接口螺紋的密封，其他儀表元件一并檢查確認；若是空氣減壓閥濾網(wǎng)堵塞，重新更換通透性優(yōu)良的濾網(wǎng)。需注意的是，儀表人員檢查處理調(diào)節(jié)閥故障時，一定要快速、有效，否則會給整個系統(tǒng)帶來不可挽回的損失。

5.2 維護保養(yǎng)

要保障池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥的良好運行，其維護保養(yǎng)也很關(guān)鍵。維護保養(yǎng)一定要精心、嚴(yán)謹，以使其使用壽命和啟閉可靠性得到保證。具體做法為：①閥桿螺紋經(jīng)常與閥桿螺母摩擦，要涂一點黃甘油、二硫化鉬或石墨粉，起潤滑作用；②注意保持調(diào)節(jié)閥的清潔，對閥桿加保護套，以防雨、雪、塵土、銹污；③經(jīng)常檢查并保證調(diào)節(jié)閥及相關(guān)部件的完好性；④保證調(diào)節(jié)閥固定螺母不會脫落，否則會因閥桿等部件發(fā)生過多磨損而影響調(diào)節(jié)閥的可靠性和可開啟性；⑤閥桿，特別是螺紋部分，要經(jīng)常擦拭，已經(jīng)被塵土污染的潤滑脂要及時更換，因為塵土中含有硬雜物，容易磨損螺紋和閥桿表面，影響調(diào)節(jié)閥的使用壽命。

6 結(jié)束語

池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥作為斯塔米卡邦2000+TM工藝尿素裝置中的重要調(diào)節(jié)閥之一，其重要性不言而喻，但其在生產(chǎn)過程中難免會發(fā)生各種故障，因此，生產(chǎn)操作中及時準(zhǔn)確地判斷出池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥故障原因并采取相應(yīng)的處理措施及維護保養(yǎng)良好非常重要，以最大程度地降低事故發(fā)生的可能性，確保尿素裝置的安全、穩(wěn)定、長周期運行。