雙作用氣缸執(zhí)行機構在合成氨減壓閥上的應用

李杰春

（中國石油大慶石化公司設備維修中心）

中國石油大慶石化公司化肥廠的合成氨裝置是20世紀70年代引進美國凱洛格公司的生產工藝，日產1 000 t液氨。 2005年8月10日，對合成氨裝置進行了擴能改造，改造后，日產1 500 t液氨。 合成氣壓縮機103-J是該裝置的重要設備之一，是合成氨裝置10.5 MPa高壓蒸汽的唯一用戶。正常生產時，合成氨裝置自產的高壓蒸汽經合成氣壓縮機103-J高壓蒸汽透平做功后進入3.8 MPa中壓蒸汽管網，是合成氨裝置3.8 MPa中壓蒸汽的主要來源。當合成氣壓縮機103-J跳車或停止運轉時， 高壓蒸汽即可通過旁路MIC-22液壓閥減壓，約50%產量的高壓蒸汽通過該閥進入中壓蒸汽系統，確保高壓系統設備不被損壞的同時彌補因合成氣壓縮機103-J跳車而引起的中壓蒸汽供應不足。 但我國大慶地區(qū)冬季環(huán)境溫度低，驅動油流動性變弱，導致錯油閥不動作。

1 合成氨裝置高壓蒸汽減壓工藝簡介

高壓蒸汽減壓系統即減壓站，是全廠的要害部分。 高壓蒸汽減壓時流速很快，振動較劇烈，因此全部管線均煨成曲率半徑很大的流線型，同時也解決了管線熱膨脹的問題。 如圖1所示，3個減壓閥MIC-22、PRC-13A/B后的管線上各裝設3塊限流孔板，使通過減壓閥的壓差僅約3.5 MPa，再通過孔板逐步降壓，改善了閥的運行條件。

圖1 高壓蒸汽減壓原理

合成氨裝置自產高壓蒸汽離開汽包時的溫度約315.7 ℃，進入轉化爐101-B對流段內兩排串聯的蒸汽過熱器， 出過熱器時蒸汽溫度上升至460 ℃左右，然后送往合成氣壓縮機103-J的高壓蒸汽透平。 正常操作時，全部高壓蒸汽都要經過這個透平， 做功后以321 ℃左右的溫度排入3.8 MPa中壓蒸汽系統， 在合成氣壓縮機103-J透平脫扣跳車時， 設計流量50%左右的蒸汽經減壓閥MIC-22排入3.8 MPa中壓蒸汽系統，其余則由分程控制調節(jié)閥PRC-13A/B減壓至3.8 MPa進入中壓蒸汽系統，高壓蒸汽的減壓構成了3.8 MPa蒸汽的來源。 如果合成氣壓縮機103-J不運轉，高壓蒸汽則經PIC-13的兩個調節(jié)閥A/B（分程調節(jié)）減壓以滿足中壓蒸汽的供應。 假如在高負荷下中壓蒸汽還不夠用， 一部分高壓蒸汽可經合成氣壓縮機103-J旁手動調節(jié)旁路液壓閥MIC-22減壓，與經過PIC-13減壓閥（A/B）的蒸汽合并使用。

設計MIC-22減壓閥是避免在合成氣壓縮機103-J由于事故而突然停車時，在這段時間里高壓蒸汽沒有去路，會導致蒸汽系統超壓，安全閥起跳甚至高壓蒸汽系統設備損壞等嚴重后果。 為此，設計一個油壓閥MIC-22，這個閥是油壓驅動動作的，力量較大，且信號傳遞快，因此開關及時。

正常情況下10.5 MPa高壓蒸汽通過合成氣壓縮機103-J前置高壓透平減壓，減壓閥MIC-22是全關的。在合成氣壓縮機103-J停車時通過聯鎖使它在約1 s的時間完全打開（因此又稱秒閥），從而保證高壓系統不超壓。 在這個閥已經全開后，為保證中壓蒸汽管網壓力穩(wěn)定， 可以利用PRC-13A/B自動調節(jié)蒸汽壓力， 但在條件動蕩比較大時，可以手動控制MIC-22閥門的開度。

2 MIC-22減壓閥控制策略

當裝置開車或合成氣壓縮機103-J低負荷運轉時，高壓蒸汽需通過PRC-13 A/B控制回路進行調節(jié)減壓后進入中壓蒸汽系統。 當MIC-22聯鎖投用時，MIC-22減壓閥不可手動調節(jié)， 處于全關閉狀態(tài)，在合成氣壓縮機103-J因故跳車時觸發(fā)MIC-22聯鎖動作，使MIC-22減壓閥瞬間全開，當聯鎖動作后MIC-22打到手動狀態(tài)，可以手動調節(jié)MIC-22減壓閥進行蒸汽控制。

3 MIC-22減壓閥液動執(zhí)行機構原理

MIC-22是Masoneilan公司生產的X7-20571AB型液動調節(jié)閥， 閥門裝配ANNIN1000 系列氣動-液壓缸執(zhí)行機構，DCS來的4～20 mA電流信號經電/氣轉換器轉換成0.02～0.10 MPa的氣動信號。 如圖2所示，氣動信號在放大器內與閥位反饋進行比較， 二者不平衡時輸出一個位移量來驅動錯油閥， 錯油閥調節(jié)液動執(zhí)行機構上下缸的進、出油量，使液動執(zhí)行機構活塞（閥位）產生移動， 當閥位反饋與氣動輸入信號平衡時執(zhí)行機構不動，此時閥位與輸入信號對應，達到定位目的。

圖2 MIC-22液動執(zhí)行機構工作原理

油壓控制快開閥如果長期不動作也會失靈，即不能及時打開。 同類化肥廠就發(fā)生過合成氣壓縮機103-J跳車，MIC-22減壓閥延誤達30 s才打開，致使高壓蒸汽總管超壓，安全閥起跳，而中壓蒸汽總管壓力又猛降，整個蒸汽動力系統大幅波動，本來是僅限于氨合成系統的局部停車，卻擴大到了全廠A級停車。

4 MIC-22減壓閥的液壓油系統

MIC-22減壓閥能否正確動作，對于全廠安全生產是最為重要的一環(huán)。 MIC-22閥的液壓油來自合成氣壓縮機103-J的油路系統，MIC-22減壓閥專有一套小的油壓裝置， 作為潤滑-密封油系統正常油源的備用， 萬一因任何原因導致潤滑-密封油系統停止工作而使油不能供應時，這套液壓油裝置就會啟動操作MIC-22減壓閥把10.5 MPa蒸汽降壓后送至3.8 MPa蒸汽系統。這套系統主要包括一個液壓油冷卻器、一臺備用油泵和一個附屬的用活塞操作的蓄壓器。蓄壓器大約可儲備約38 L備用液壓油，足夠把減壓閥MIC-22的油缸頂開，讓蒸汽通過降壓。

合成氣壓縮機103-J油箱的油泵出口是液壓油的正常來源。 由電動備用泵從潤滑油油箱直接抽出的油作為輔助油源。當合成氣壓縮機103-J正在運轉，而供MIC-22減壓閥用的液壓油供應不上時，液壓油回路的壓力（正常7.7 MPa）就要下降。這時，低油壓開關就自動啟動備用泵供油，直到油箱油泵恢復正常供應為止。 如備用油泵也跳車或由于其他原因而不能運轉，蓄壓器中的液壓油就作為第2套備用系統自動壓入油路推動油缸的活塞一直到壓縮機停下。

當液壓油壓降至6.9 MPa時，MIC-22備用油泵自啟動，當油壓升到8.4 MPa時，MIC-22備用油泵自停。

5 替換液動執(zhí)行機構的原因分析

原液動執(zhí)行機構是Masoneilan公司20世紀70年代的產品， 液動執(zhí)行機構和定位器結構特殊，與其他儀表不能通用，Masoneilan公司目前也已經不生產該產品，配件難以采購也不好加工。 為了能自由推動錯油閥，氣動定位器和氣缸需要整體移動。 因此，連接氣動放大器的風線管只能采用軟管，不能使用鋼管。 1999年的大火就將放大器的軟管和橡膠件燒壞，氣缸活塞也被損壞。 此閥是全廠唯一的液動閥，沒有備件。 當時，用換下的舊件加上燒損的零件，克服大量困難修復了此閥，一直使用至今。

為了保證MIC-22減壓閥可靠運行，還單獨為其配備了一套油泵系統和油壓聯鎖系統，保證液壓油能滿足減壓閥驅動的要求，油路復雜且隱患多。

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MIC-22減壓閥的開關是靠8 MPa潤滑油驅動的，從潤滑油泵到MIC-22減壓閥的錯油閥是由直徑25 mm的鋼管連接。1999年，MIC-22減壓閥的錯油閥到液動執(zhí)行機構入口的一個金屬波紋管裂開，8 MPa的潤滑油噴到高壓蒸汽管線上引發(fā)大火，將MIC-22閥上部管廊的電纜全部燒斷，造成全廠停工搶修，經濟損失巨大。

由于該減壓閥平時是靜止狀態(tài)，冬季潤滑油流動性差， 在試驗聯鎖時錯油閥有時不動作，MIC-22減壓閥經常打不開或延時才打開，需要對潤滑油路進行加熱才能保證MIC-22減壓閥正常動作，成為安全隱患。

6 雙作用氣缸執(zhí)行機構在MIC-22上的應用

打破原MIC-22液動執(zhí)行機構的布局，原液動執(zhí)行機構還有一套液壓油系統和相應的油壓聯鎖，導致故障點多，改為氣動執(zhí)行機構后可省去繁瑣的液壓油系統，使其更合理、更優(yōu)化的同時減少了故障點。 將MIC-22液動執(zhí)行機構改為氣動執(zhí)行機構，閥體不變，聯鎖動作形式不變，使其運行更加安全可靠。

根據MIC-22減壓閥原設計工藝要求、執(zhí)行機構的改造需求， 攻關組同Masoneilan公司深入交流， 最終選定Masoneilan 86系列雙作用氣缸執(zhí)行機構，帶儲氣罐，并配有智能定位器SVI2AP。該執(zhí)行機構的技術特點如下：

a. 閥門在0%～100%行程范圍內可以任意開關， 聯鎖動作時能夠在1.2 s內由全關到全開位置；

b. 氣源故障時閥位開，保證閥門達到Ⅴ級泄漏量；

c. 聯鎖采用事故安全型；

d. 智能閥門定位器防爆等級EXiaIICT5，防護等級IP65，耐溫范圍-40～60 ℃；

e. 執(zhí)行機構帶手動機構，能夠使閥門在全行程范圍內任意開關；

f. 執(zhí)行機構風線管采用不銹鋼管， 主風線采用3/4″（1″=2.54 cm）白鋼管，螺紋連接，控制風線采用?12.7 mm×1 mm白鋼管，卡套式連接。

將原液動執(zhí)行機構改造為Masoneilan 86系列雙作用氣缸執(zhí)行機構并配置儲氣罐，配智能定位器SVI 2 AP-22123121、大流量過濾減壓閥、放大器、換向閥、止回閥及放空閥等，通過氣路配置實 現聯鎖動作要求，如圖3所示。

圖3 改造后的MIC-22減壓閥氣路

化肥廠2014年冬季立項攻關解決MIC-22液動執(zhí)行機構不動作問題，2015年儀表和工藝組成的攻關組一同考察調研同類型化肥企業(yè)，考察后攻關組制定詳細的技術方案，經多次論證確定最終方案。 2016年初，氣動執(zhí)行機構到貨后，攻關組在大慶石化公司機械廠控制閥維修車間進行調試，初次試驗調節(jié)閥全行程時間為2 s，達不到秒閥的技術要求。 攻關組對部分氣路進行優(yōu)化，由于事故狀態(tài)下該閥具有調節(jié)功能，把聯鎖動作放在DCS中實現，當聯鎖邏輯動作時，給智能定位器一個強制20 mA信號，將閥門快速打開，同時減掉部分氣動元件、縮短閥門動作的時間。 改造后，測試減壓閥全行程時間在1.2 s內，滿足裝置生產要求。 2017年3月30日擇機更換，2017年4月1日開始運行，運行至今沒發(fā)現任何問題。

合成氣壓縮機103-J出現問題跳車，MIC-22調節(jié)閥在1.5 s時間內不打開，將造成中壓蒸汽壓力不夠，空氣壓縮機101-J、原料氣壓縮機102-J和冰機105-J停機；鍋爐給水泵104-J/JA停泵，造成水碳比聯鎖動作，裝置停工。 合成裝置停工最快恢復生產需要11 h， 按100%負荷每小時生產60 t合成氨，每噸氨3 000元計算，損失207.9萬元。尿素停工6 h， 每小時生產尿素51 t， 每噸1 750元計， 損失53.5萬元。期間合成氨裝置生產用的原料氣需要排放掉，約63 000 m3/h，原料氣價格為1.98 元/m3，原料氣排放損失137萬元。 化肥廠MIC-22液動執(zhí)行機構改氣動執(zhí)行機構項目的總投資為23萬元。 因此， 該項目的直接效益為207.9+53.5+137-23=325.4萬元。

7 結束語

采用雙作用氣缸執(zhí)行機構實現液動執(zhí)行機構的動作時間要求，優(yōu)化了調節(jié)閥結構配置，在103-J聯鎖動作時，MIC-22在1.2 s內快速打開， 達到秒閥要求。 通過技改解決了冬季氣溫低，驅動油流動性差，導致錯油閥不動作的問題，保障了安全生產。一旦MIC-22故障，處理不及時，極易導致高壓設備和高壓管線的損壞，不但會造成大量的經濟損失，還存在傷人事故發(fā)生的風險。 而且，裝置停車現場會存在大量的放空、噪聲，會對周邊的居民和環(huán)境造成嚴重危害， 本次改造消除了漏油引起的火災隱患和環(huán)保隱患，在全國同類型大化肥裝置中，是首次應用，具有一定的借鑒意義。