低溫環(huán)境下提高變壓吸附液壓程控閥的運(yùn)行可靠度

馬曉偉 杜勝利 賈亮 楊繼廣（中石油克拉瑪依石化有限責(zé)任公司）

變壓吸附（PSA)，是吸附分離技術(shù)中的一項(xiàng)用于分離氣體混合物的新技術(shù)[1]。程控閥是變壓吸附裝置的關(guān)鍵設(shè)備，在正常運(yùn)行過程中，每一個(gè)吸附塔都必須經(jīng)過各個(gè)不同的步序，在既定的程序中完成氣體混合物的分離，而這些步序就是通過程控閥每年幾萬到幾十萬次頻繁開關(guān)、切換來實(shí)現(xiàn)。但是在實(shí)際運(yùn)行過程中，尤其是在環(huán)境溫度低于-20℃時(shí)，程控閥頻繁出現(xiàn)開關(guān)不到位，發(fā)出延遲報(bào)警現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)閥卡情況，返爐馳放氣大幅波動(dòng)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)化爐負(fù)壓聯(lián)鎖啟動(dòng)，發(fā)生較大生產(chǎn)波動(dòng)，影響經(jīng)濟(jì)效益[2-3]。通過對(duì)相關(guān)單位及程控閥生產(chǎn)廠家調(diào)研，冬季氣溫低時(shí)北方煉廠普遍存在程控閥出現(xiàn)開關(guān)延遲頻繁報(bào)警現(xiàn)象，一直都困擾著操作與技術(shù)人員。通過創(chuàng)新的方法、技術(shù)，盡可能消除程控閥故障報(bào)警及因程控閥故障導(dǎo)致的切塔次數(shù)，從根本上解決低溫環(huán)境下變壓吸附液壓程控閥運(yùn)行可靠性不佳的問題。

1 流程簡述

某石化公司12 000 Nm3/h制氫裝置，PSA單元的任務(wù)是對(duì)制氫裝置所生產(chǎn)的中變氣進(jìn)行凈化提純，所產(chǎn)的工業(yè)氫氣作為產(chǎn)品送出裝置。其解吸氣經(jīng)過穩(wěn)定壓力和組成后連續(xù)供作轉(zhuǎn)化爐的燃料。

來自造氣單元的原料氣壓力2.2 MPa、溫度40℃，進(jìn)入界區(qū)后，自塔底進(jìn)入吸附塔A～H中正處于吸附工況的塔（始終同時(shí)有兩臺(tái)），在其中多種吸附劑的依次選擇吸附下，一次性除去氫以外的幾乎所有雜質(zhì)，獲得純度大于99.9%的產(chǎn)品氫氣，經(jīng)壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)壓后送出界區(qū)。當(dāng)吸附劑吸附飽和后，通過程控閥門切換至其它塔吸附，吸附飽和的塔則轉(zhuǎn)入再生過程。在再生過程中，吸附塔首先經(jīng)過連續(xù)4次均壓降壓過程盡量回收塔內(nèi)死空間氫氣，然后通過順放步序?qū)⑹Ｓ嗟拇蟛糠謿錃夥湃腠樂艢夤?，再通過逆放和沖洗兩個(gè)步序使被吸附雜質(zhì)解吸出來。逆放解吸氣進(jìn)入解吸氣緩沖罐，沖洗解吸氣直接進(jìn)入解吸氣混合罐，混合穩(wěn)壓后送往造氣工段，用作燃?xì)狻Ｗ儔何窖b置流程見圖1。

圖1 變壓吸附裝置流程Fig.1 Flow of pressure swing adsorption device

2 工作原理

液動(dòng)程控蝶閥的控制系統(tǒng)由液壓油源，電磁閥液壓執(zhí)行器，電氣控制系統(tǒng)、位置傳感器等控制組件構(gòu)成[4]。輸入的開閥、關(guān)閥等閥門動(dòng)作信號(hào)通過電氣控制轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換成電磁閥的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，用電磁閥的通斷來控制液壓執(zhí)行器的輸出，從而達(dá)到控制蝶閥動(dòng)作的目的，并通過位置傳感器所檢測(cè)到的信號(hào)來判斷閥門是否動(dòng)作到位[5]。液壓程控閥的工作原理見圖2。

圖2 液壓程控閥的工作原理Fig.2 Working principle of hydraulic program-controlled valve

3 存在問題及分析

3.1 存在問題

液壓程控閥是變壓吸附裝置中關(guān)鍵設(shè)備，它穩(wěn)定運(yùn)行，才能確保工藝流程的順利進(jìn)行及產(chǎn)品連續(xù)穩(wěn)定輸出[6-8]。但是在實(shí)際運(yùn)行過程中，尤其是在環(huán)境溫度低于-20℃時(shí)，就會(huì)頻繁出現(xiàn)程控閥在開關(guān)動(dòng)作時(shí)不暢，發(fā)出延遲報(bào)警的現(xiàn)象，給裝置安全運(yùn)行帶來以下影響：

1）裝置報(bào)警次數(shù)大幅增加。低溫天氣條件下，日均產(chǎn)生程控閥開關(guān)延遲報(bào)警上百次，操作人員需要投入大量時(shí)間進(jìn)行處理，不但增加現(xiàn)場(chǎng)人員工作量，更可能造成監(jiān)盤人員對(duì)其它報(bào)警參數(shù)的疏漏，為裝置運(yùn)行埋下隱患。

2）程控閥頻繁出現(xiàn)開關(guān)不到位易造成閥門卡死情況。使返爐馳放氣壓力大幅波動(dòng)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)化爐負(fù)壓聯(lián)鎖啟動(dòng)，造成較大的生產(chǎn)波動(dòng)。另外，程控閥故障極易影響裝置產(chǎn)品質(zhì)量，威脅下游用氫單位的正常生產(chǎn)。

3）程控閥出現(xiàn)故障后如需徹底檢查、維修，必須進(jìn)行切塔操作，造成裝置收率降低，不僅投入維修費(fèi)用高，影響經(jīng)濟(jì)效益，還可能造成裝置嚴(yán)重的操作波動(dòng)。

3.2 問題分析

因果鏈分析見圖3，確定了低溫環(huán)境下，液壓程控閥開關(guān)延遲的關(guān)鍵問題，造成程控閥頻繁出現(xiàn)開關(guān)不到位的主要原因。

圖3 因果鏈分析Fig.3 Causal chain analysis

1）驅(qū)動(dòng)程控閥所需液壓油流程長，分支多，液壓油在低溫環(huán)境下運(yùn)行，加速熱量散失，導(dǎo)致油品流動(dòng)性變差，液壓力大幅降低，無法完成程控閥正常開關(guān)所需的驅(qū)動(dòng)力，造成程控閥在開關(guān)動(dòng)作時(shí)不暢。

2）液壓油系統(tǒng)在低溫下運(yùn)行保障性不佳，使得液壓油在流程末端無法達(dá)到正常操作溫度，油質(zhì)變黏稠，造成開關(guān)程控閥動(dòng)作時(shí)不暢，發(fā)出延遲報(bào)警。為排除故障，消除報(bào)警，進(jìn)行切塔操作，引起操作波動(dòng)。

3）閥速調(diào)節(jié)不精準(zhǔn)，由于PSA液壓油系統(tǒng)在低溫情況下導(dǎo)致油品流動(dòng)性變差，造成程控閥開關(guān)動(dòng)作延遲，通過調(diào)整程控閥閥速，一定程度上減少了程控閥開關(guān)延遲報(bào)警，由于閥速調(diào)整工具不匹配，導(dǎo)致閥速調(diào)節(jié)困難，仍然不能完全消除報(bào)警，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

4 技術(shù)改造方案

4.1 液壓油與采暖水換熱流程改造

通過自主設(shè)計(jì)，對(duì)液壓油換熱器流程進(jìn)行改造，利用泵房現(xiàn)有的采暖水流程為液壓油換熱器增加熱介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)一臺(tái)換熱器的兩種用途，冬季運(yùn)行期間將換熱器循環(huán)水切換至采暖水，對(duì)液壓油進(jìn)行升溫，投入小，效果好。液壓油換熱器流程改造見圖4。

圖4 液壓油換熱器流程改造Fig.4 Process transformation of hydraulic oil heat exchanger

4.2 研發(fā)閥速調(diào)節(jié)精準(zhǔn)工具

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)閥速出現(xiàn)的困難，研制了油路開關(guān)調(diào)節(jié)及閥速調(diào)節(jié)專用工具，與閥速調(diào)節(jié)操作指南配合使用，達(dá)到了程控閥開關(guān)速度精準(zhǔn)調(diào)節(jié)的目的，此工具使用方法簡單，提高了工作效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。閥速調(diào)節(jié)精準(zhǔn)工具見圖5。

圖5 閥速調(diào)節(jié)精準(zhǔn)工具Fig.5 Precise tool for valve speed adjustment

4.3 液壓油升級(jí)

根據(jù)液壓油的分類及技術(shù)要求，對(duì)比結(jié)合液壓設(shè)備工作環(huán)境和工況來看，應(yīng)該選擇L-HV或L-HS系列的液壓油。L-HV和L-HS均為黏度指數(shù)大于130的低傾點(diǎn)抗磨液壓油。但HV油主要以礦物油作為基礎(chǔ)油，HS以低溫性能更優(yōu)良的合成烴作基礎(chǔ)油。決定將PSA液壓油更換為L-HS22。低溫液壓油技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 低溫液壓油技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameters of low temperature hydraulic oil

4.4 變壓吸附系統(tǒng)程序升級(jí)

為優(yōu)化變壓吸附操作，消除PSA由于程序原因?qū)е卵b置停工的隱患，提高產(chǎn)品質(zhì)量，將PSA各塔步序進(jìn)行修改，由8-2-4升級(jí)為8-2-3。此次程序升級(jí)改善了PSA切塔時(shí)操作波動(dòng)，相較原來的程序在塔切入、切出操作時(shí)更為平緩，對(duì)操作影響減小，適當(dāng)延長了各程控閥開、關(guān)的動(dòng)作時(shí)間，并增加了修改報(bào)警值的快捷方式，在一定程度上減少程控閥開關(guān)動(dòng)作時(shí)的報(bào)警[9]。

4.5 液壓油遠(yuǎn)端流程增加熱水伴熱

針對(duì)液壓油系統(tǒng)低溫下運(yùn)行保障性不佳問題，導(dǎo)致液壓油在流程末端溫度損失嚴(yán)重，無法達(dá)到正常操作溫度，油質(zhì)變黏稠，液壓力大幅降低，造成程控閥在開關(guān)動(dòng)作時(shí)不暢[10]。有選擇性的在液壓油流程末端增加熱水伴熱，實(shí)施后有效提高了回油溫度，維護(hù)方便。

5 效果評(píng)價(jià)

5.1 實(shí)用性

1）液壓油回油溫度得到提高。液壓油回油溫度變化情況對(duì)比見圖6。液壓油回油溫度是反映流程末端液壓油運(yùn)行情況的重要指標(biāo)，從圖6可以明顯看出，方案實(shí)施后液壓油回油溫度較之前有近10℃的提升。

圖6 液壓油回油溫度對(duì)比Fig.6 Comparison of return oil temperature of hydraulic oil

2）程控閥報(bào)警次數(shù)大大減少。程控閥日均報(bào)警對(duì)比見圖7。報(bào)警次數(shù)增多使操作人員投入大量時(shí)間精力進(jìn)行處理，易造成監(jiān)盤人員對(duì)其余報(bào)警參數(shù)的疏漏，為裝置運(yùn)行埋下隱患。攻關(guān)前后分別對(duì)低溫環(huán)境下程控閥故障報(bào)警次數(shù)進(jìn)行采集，可以看出方案實(shí)施后報(bào)警數(shù)量較往年降低約90%，達(dá)到預(yù)期效果。

圖7 程控閥日均報(bào)警對(duì)比Fig.7 Comparison of daily average alarm of program-controlled valve

3）程控閥精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，提高效率。以往每次調(diào)節(jié)閥速前后需花費(fèi)時(shí)間近1 h，員工勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低，使用油路開關(guān)調(diào)節(jié)及閥速調(diào)節(jié)專用工具，每次調(diào)節(jié)僅需15 min左右即可達(dá)到效果，此工具使用方法簡單方便，實(shí)現(xiàn)了對(duì)程控閥開關(guān)速度精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，極大的提高了工作效率。

5.2 創(chuàng)新性

1）實(shí)現(xiàn)了一臺(tái)換熱器的兩種用途，依據(jù)溫度情況靈活使用，冬季運(yùn)行期間將換熱器循環(huán)水切換至采暖水，對(duì)液壓油進(jìn)行升溫，投入小，效果好。

2）首次將L-HS22液壓油應(yīng)用到程控閥上，并且獲得了成功。

3）由選擇性的對(duì)液壓油遠(yuǎn)端流程增加熱水伴熱，并沒有增加系統(tǒng)的復(fù)雜性，實(shí)施后有效提高了液壓油回油溫度。

6 結(jié)論

1）以2020年發(fā)生過至少2起PSA程控閥故障造成裝置緊急停工事件為依據(jù)，如果PSA程控閥故障不采取改造措施及時(shí)消除，效益核算按照此故障頻率分析，該裝置緊急停工后再開工直至產(chǎn)品合格的周期為半天左右，一年內(nèi)PSA程控閥故障導(dǎo)致裝置緊急停工的次數(shù)明顯減少[11-12]。

2）采用專用調(diào)節(jié)工具，閥速調(diào)節(jié)由原來的多次反復(fù)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了閥速的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，一次調(diào)節(jié)時(shí)間由原來的1 h降到15 min左右，提高了工作效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。

3）冬季程控閥延遲開關(guān)報(bào)警日均由原來的上百次降為幾次，沒有出現(xiàn)過程控閥卡死現(xiàn)象，馳放氣進(jìn)轉(zhuǎn)化爐燃燒穩(wěn)定，消除了裝置隱患，保證了裝置的長周期穩(wěn)定運(yùn)行。