分子篩順控故障原因分析與對(duì)策

鄒殿超

(中海石油華鶴煤化有限公司，黑龍江 鶴崗 154100)

某公司煤制化肥項(xiàng)目位于中國(guó)東北極寒地區(qū)，空分裝置采用深冷精餾技術(shù)[1-2]，標(biāo)況下氧氣的設(shè)計(jì)產(chǎn)能為4.5×104m3/h。該裝置包括： 空氣過(guò)濾系統(tǒng)、空氣壓縮系統(tǒng)、空氣預(yù)冷系統(tǒng)、分子篩純化系統(tǒng)、分餾塔系統(tǒng)、液體儲(chǔ)存系統(tǒng)等。分子篩純化系統(tǒng)由2臺(tái)分子篩吸附器和1臺(tái)雙管板蒸汽加熱器組成，分子篩吸附器吸附空氣中的水分、二氧化碳和一些碳?xì)浠衔?，為后續(xù)工段提供合格凈化空氣。

1 分子篩純化順控系統(tǒng)

1.1 分子篩純化吸附器工作原理

分子篩純化吸附器是2臺(tái)圓柱形臥式容器，每臺(tái)容器中均填有分子篩吸附劑。2臺(tái)分子篩吸附器是交替工作的，即當(dāng)1臺(tái)容器內(nèi)的吸附劑處于吸附工作狀態(tài)時(shí)，另1臺(tái)則處于再生狀態(tài)。處在吸附狀態(tài)的吸附器，流通經(jīng)壓縮和低溫冷卻后的空氣，當(dāng)空氣通過(guò)分子篩吸附器時(shí)，空氣中的 H2O，CO2和碳?xì)浠衔锉环肿雍Y吸附劑吸附，使空氣得到凈化。其中 H2O，CO2體積分?jǐn)?shù)可降至10-6以下，從而有效地防止在分離O2和 N2時(shí)低溫設(shè)備出現(xiàn)凍堵現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間吸附，分子篩吸附劑須進(jìn)行再生，使分子篩中的吸附劑析出H2O及CO2和碳?xì)浠衔锏?，?jīng)過(guò)再生后的分子篩吸附劑又可以投入吸附工作。

1.2 分子篩順控系統(tǒng)控制流程

該裝置分子篩運(yùn)行過(guò)程控制選用霍尼韋爾C300系統(tǒng)順控程序?qū)崿F(xiàn)，分子篩控制流程如圖1所示。

分子篩純化順控系統(tǒng)的控制是由DCS輸出開(kāi)關(guān)量信號(hào)(0或1)和模擬量信號(hào)(4～20 mA)，分別控制13臺(tái)順控閥和3臺(tái)控制閥來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)電磁閥的得電和失電來(lái)接通和切斷進(jìn)入雙氣缸的控制信號(hào)，從而達(dá)到控制切換閥的開(kāi)和關(guān)，并在充壓和泄壓過(guò)程中按程序使充壓、泄壓控制閥的開(kāi)度分步完成從全關(guān)到全開(kāi)的過(guò)渡。分子篩純化系統(tǒng)運(yùn)行如下： 經(jīng)空冷塔冷卻后的空氣通過(guò)KV02閥進(jìn)入S01B罐進(jìn)行吸附，空氣中的 H2O，CO2和碳?xì)浠衔锉环肿雍Y吸附劑吸附，凈化后的空氣通過(guò)KV04閥進(jìn)入下游工段。而同時(shí)S01A罐在進(jìn)行再生狀態(tài)，泄壓階段泄壓控制閥KV10緩慢打開(kāi)，放空閥KV14閥打開(kāi)，再生閥KV05/KV07處于關(guān)閉狀態(tài)。之后進(jìn)入加熱階段，排放閥KV15打開(kāi)，KV05/KV07閥打開(kāi)、加熱閥KV12打開(kāi)，KV14閥關(guān)閉。再進(jìn)入冷吹階段， KV14閥保持關(guān)閉，KV12閥關(guān)閉，冷吹閥KV13打開(kāi)。之后進(jìn)入充壓階段，緩慢打開(kāi)充壓閥KV09，打開(kāi)KV14閥，當(dāng)S01A罐壓力與S01B罐壓差小于15 kPa時(shí)，進(jìn)行切換。

2 分子篩順控程序故障原因及分析

2.1 分子篩順控程序故障

當(dāng)分子篩順控運(yùn)行到加熱步驟時(shí)，KV12閥和KV15閥打開(kāi)，KV14閥在KV12閥動(dòng)作20 s后關(guān)閉，KV14閥與KV12閥的間隔時(shí)間數(shù)據(jù)為原始試車(chē)階段設(shè)計(jì)。而分子篩順控運(yùn)行中，在KV12閥未完全打開(kāi)的情況下，20 s后KV14閥仍要接收順控指令關(guān)閉，導(dǎo)致分子篩順控程序暫停，分子篩再生氣體積流量為5.5×104m3/h的污氮?dú)鉄o(wú)法進(jìn)入分子篩對(duì)再生罐內(nèi)的吸附劑進(jìn)行再生，需從后工段全部退出，導(dǎo)致精餾塔塔頂壓力快速上升超過(guò)了設(shè)計(jì)壓力值45 kPa，如不能及時(shí)處理，塔頂壓力將迅速上升到80 kPa引起安全閥起跳。更為嚴(yán)重的是空壓機(jī)排氣壓力將持續(xù)上漲，如得不到及時(shí)有效的調(diào)整將可能造成空壓機(jī)喘振，造成全廠停車(chē)。

圖1 分子篩控制流程示意

2.2 順控閥故障分析

該順控系統(tǒng)中，順控閥為關(guān)鍵設(shè)備之一，出現(xiàn)故障如下：

1)閥門(mén)附件限位開(kāi)關(guān)卡澀。閥門(mén)附件限位開(kāi)關(guān)屬于機(jī)械式開(kāi)關(guān)，在長(zhǎng)期的運(yùn)行中，偶爾出現(xiàn)限位開(kāi)關(guān)滑輪不到位的狀態(tài)，特別是冬季低溫可能造成閥門(mén)限位開(kāi)關(guān)凍住或卡澀，致使開(kāi)關(guān)不能恢復(fù)原位，造成反饋信號(hào)故障，分子篩順控程序中斷停止運(yùn)行。

2)執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣缸故障。在現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期使用過(guò)程中，順控閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣缸內(nèi)的潤(rùn)滑油脂會(huì)不斷蒸發(fā)，造成氣缸運(yùn)行卡澀，且出現(xiàn)過(guò)氣缸端蓋上的防塵密封圈被氣缸桿在開(kāi)閥向外運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中帶出。究其原因，是因?yàn)闅飧自谑褂眠^(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中的灰塵，會(huì)粘連在氣缸桿上，如不及時(shí)清理，會(huì)被氣缸桿帶入到氣缸內(nèi)部，且粘連在氣缸桿上的灰塵， 會(huì)使氣缸桿的摩擦力顯著加大，在氣缸桿開(kāi)閥向外運(yùn)動(dòng)時(shí)， 就容易將端蓋上的防塵圈帶出凹槽。當(dāng)氣缸的密封圈被氣缸桿帶出后，會(huì)造成氣缸密封性能差，且灰塵會(huì)很容易進(jìn)入氣缸內(nèi)部，進(jìn)而損傷氣缸活塞密封圈及氣缸內(nèi)壁。同時(shí)氣缸內(nèi)密封圈陸續(xù)會(huì)出現(xiàn)老化、變硬，進(jìn)而造成氣缸出現(xiàn)卡澀、串氣現(xiàn)象，造成氣缸不動(dòng)作或動(dòng)作不到位現(xiàn)象，影響閥門(mén)的正常開(kāi)關(guān)，導(dǎo)致分子篩順控程序的中斷，給生產(chǎn)裝置帶來(lái)較大的風(fēng)險(xiǎn)隱患。

2.3 DCS順控程序故障

在該順控系統(tǒng)中閥門(mén)已設(shè)定手動(dòng)/自動(dòng)控制切換按鈕，當(dāng)自動(dòng)控制時(shí)，由DCS根據(jù)切換程序控制電磁閥的得電、失電來(lái)操作順控閥門(mén)的開(kāi)和關(guān)。手動(dòng)控制需二次確認(rèn)，以防止誤操作。因?yàn)镵V12閥未打開(kāi)，分子篩再生氣污氮?dú)鉄o(wú)法進(jìn)入分子篩系統(tǒng)，所以應(yīng)將KV14閥打開(kāi)。操作人員手動(dòng)控制時(shí)，KV14閥開(kāi)信號(hào)已送至電磁閥，但該順控閥無(wú)法滿足閥門(mén)自身開(kāi)啟條件。其原因?yàn)轫樋亻y為三桿蝶閥，其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)為單向密封，高壓側(cè)在執(zhí)行桿一側(cè)，閥座密封采用軟密封結(jié)構(gòu)，開(kāi)閥時(shí)閥門(mén)前后壓差已高于15 kPa，閥門(mén)不受切換程序的控制無(wú)法打開(kāi)，導(dǎo)致順控中斷，造成嚴(yán)重的生產(chǎn)安全隱患。

3 解決方案與措施

3.1 順控閥故障解決方案

針對(duì)順控閥故障采取方案如下：

1)加強(qiáng)對(duì)順控閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣缸、儀表氣源壓力、過(guò)濾減壓閥、限位開(kāi)關(guān)、電磁閥的巡檢力度，盡量避免因執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣缸壓力不足導(dǎo)致順控閥開(kāi)關(guān)不到位的現(xiàn)象，同時(shí)確保供給氣缸的儀表氣源壓力不能過(guò)高，控制在氣缸設(shè)計(jì)的承壓范圍之內(nèi)。如氣源壓力供給過(guò)高將會(huì)對(duì)氣缸內(nèi)密封組件造成較大損傷，降低氣缸使用壽命。防止因?yàn)闅庠磯毫皻庠吹臐崈舳扔绊戦y門(mén)動(dòng)作，導(dǎo)致順控中斷的故障。

2)氣缸檢修優(yōu)化與氣缸適度保養(yǎng)。預(yù)防性檢修需拆解氣缸，清潔氣缸內(nèi)部，更換氣缸部件，如防塵密封圈、推桿密封圈、活塞密封圈、端蓋密封圈，加注涂抹原廠氣缸專用低溫潤(rùn)滑脂。同時(shí)為了有效地解決氣缸密封被灰塵損壞的故障，在氣缸端蓋處加裝防塵刮刀如圖2所示。刮刀可有效地刮除附著于氣缸桿的灰塵及雜質(zhì)，保持氣缸桿的潔凈，保證灰塵不會(huì)通過(guò)氣缸桿進(jìn)入氣缸內(nèi)部。刮刀與氣缸桿接觸的內(nèi)環(huán)為PTFE材質(zhì)，自帶潤(rùn)滑性能，不會(huì)額外增加氣缸的負(fù)擔(dān)。且刮刀安裝在氣缸端蓋防塵密封圈的凹槽上方，可有效地防止密封圈被氣缸桿帶出。氣缸刮刀能有效地保護(hù)氣缸，延長(zhǎng)氣缸密封及氣缸的整體使用壽命，進(jìn)而保證順控閥的安全、可靠運(yùn)行。

圖2 氣缸端蓋處加裝防塵刮刀示意

3)順控閥閥內(nèi)件檢查與預(yù)防檢修。檢查閥門(mén)軸承是否有銹蝕、劃傷等情況，閥門(mén)閥座密封圈老化情況，并判斷是否需要更換閥座密封圈。在日常運(yùn)行過(guò)程中，順控閥出現(xiàn)充壓時(shí)分子篩壓力無(wú)明顯變化、進(jìn)出分子篩空氣量明顯不一致，分子篩空氣流路出口CO2超量等現(xiàn)象是由順控閥內(nèi)漏引起的，則需要更換閥座密封圈。該項(xiàng)工作在空分裝置大修停車(chē)時(shí)進(jìn)行，以免在后續(xù)運(yùn)行中因閥門(mén)內(nèi)漏給空分裝置的正常平穩(wěn)運(yùn)行造成影響。預(yù)防檢修打開(kāi)順控閥，保持常開(kāi)狀態(tài)，取出舊閥座密封，將溝槽清理干凈放入新閥座密封，并固定支撐好，確保都已置于溝槽內(nèi)。操作順控閥開(kāi)關(guān)多次，使新閥座密封均勻壓緊到位，確保順控閥正常開(kāi)關(guān)順暢。

3.2 順控程序邏輯優(yōu)化完善

優(yōu)化分子篩順控程序邏輯方案如下：

1)為了及時(shí)提醒工藝操作人員順控運(yùn)行狀態(tài)，DCS內(nèi)設(shè)置順控閥動(dòng)作不到位報(bào)警，從DCS控制器內(nèi)將DO控制信號(hào)輸送給現(xiàn)場(chǎng)閥門(mén)，閥位開(kāi)關(guān)反饋DI信號(hào)的時(shí)間設(shè)定由原試車(chē)階段的15 s調(diào)整到25 s，增加了閥門(mén)動(dòng)作的緩沖時(shí)間。如果大于25 s則DCS發(fā)出報(bào)警信號(hào)，但這時(shí)程序仍繼續(xù)執(zhí)行，原設(shè)計(jì)中運(yùn)行階段延時(shí)為2 s，故障后運(yùn)行程序直接停止?，F(xiàn)增加延時(shí)到5 s而DCS仍未收到反饋信號(hào)，則視為故障，程序停止執(zhí)行。工藝操作人員可根據(jù)故障的原因采取相應(yīng)的處理手段。如果是閥位開(kāi)關(guān)引起的，可讓程序忽略不計(jì)，人為地參與讓程序再次自動(dòng)進(jìn)行。

2)對(duì)分子篩順控程序優(yōu)化。將分子篩KV12閥的開(kāi)反饋信號(hào)引入DCS分子篩順控程序中，作為程序運(yùn)行的步序判斷條件，順控程序在確認(rèn)順控閥動(dòng)作到位后執(zhí)行下一步程序。分子篩預(yù)熱程序運(yùn)行至加熱階段順控邏輯判斷，如圖3所示，在程序運(yùn)行到預(yù)加熱步驟時(shí)，進(jìn)入倒計(jì)時(shí)1 min，計(jì)時(shí)時(shí)間到后，指令為KV12閥和KV15閥打開(kāi)。即DCS順控內(nèi)組態(tài)KV12閥輸出開(kāi)信號(hào)，KV15閥輸出開(kāi)信號(hào)，20 s后執(zhí)行順控程序?yàn)镵V14閥輸出關(guān)信號(hào)。為了預(yù)防KV12閥未打開(kāi)，20 s后就要按照程序KV14閥關(guān)閉故障再次出現(xiàn)，順控邏輯優(yōu)化增加了下一步判斷條件為KV12閥開(kāi)反饋信號(hào)到位，即確認(rèn)KV12閥的開(kāi)反饋DI信號(hào)后，才能執(zhí)行KV14閥輸出關(guān)信號(hào)。如果KV12閥沒(méi)有全部打開(kāi)，反饋DI信號(hào)未能反饋到主控室，應(yīng)中斷程序,停止在預(yù)加熱階段，所有閥門(mén)狀態(tài)保持在原位，檢查原因。通過(guò)該優(yōu)化改造避免了污氮?dú)馔顺龇肿雍Y系統(tǒng)，防止精餾塔塔頂壓力超壓事故的發(fā)生，給安全穩(wěn)定生產(chǎn)提供可靠保障。

圖3 分子篩預(yù)熱程序運(yùn)行至加熱階段順控邏輯判斷示意

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)分子篩順控系統(tǒng)出現(xiàn)的故障現(xiàn)象，進(jìn)行了原因分析。通過(guò)對(duì)順控閥進(jìn)行加強(qiáng)巡檢力度、清潔氣缸、檢查內(nèi)件及預(yù)防檢修等措施，以及順控程序的優(yōu)化改造與完善，在后期的順控程序運(yùn)行中安全可靠，為空分裝置分子篩的安全運(yùn)行提供了可靠保障，從而保證了該裝置安全、平穩(wěn)、長(zhǎng)周期的滿負(fù)荷運(yùn)行。本文通過(guò)對(duì)分子篩順控閥及順控程序提出合理優(yōu)化改造對(duì)策，解決了分子篩運(yùn)行中存在的高危隱患，愿能對(duì)相關(guān)的生產(chǎn)企業(yè)提供參考性價(jià)值。