調(diào)節(jié)閥特性的優(yōu)化和閥內(nèi)件改造的探析

祁維軍,胡彥文,楊一仁,蔣 瑞

(青海云天化國際化肥有限公司,西寧 811600)

青海云天化國際化肥有限公司一期尿素裝置于2010年投產(chǎn),采用二氧化碳汽提法工藝,汽提塔液位調(diào)節(jié)閥為Fisher高壓角閥。整套尿素生產(chǎn)工藝對該調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)性能要求很高,汽提塔液位是否能順利投入自控模式也是重要的工藝指標(biāo)。

該汽提塔液位調(diào)節(jié)閥(LV-2202)原設(shè)計為線性流量特性,且流通能力過大,造成實際使用開度較小(18%～22.4%)。自尿素裝置投產(chǎn)以來,該閥長期處于手動控制狀態(tài),操作頻繁、難以控制,影響尿素裝置穩(wěn)定運行。為此,在2018年大修期間對該閥流通能力進(jìn)行計算,并對閥芯進(jìn)行重新設(shè)計和加工。優(yōu)化后,該閥的調(diào)節(jié)性能有了明顯的改善,在裝置高負(fù)荷生產(chǎn)時,汽提塔液位調(diào)節(jié)可以投入自控模式。

1 工藝流程

合成塔的液相從出液閥(HV-2201)進(jìn)入汽提塔頂部,經(jīng)汽提塔內(nèi)的液體分配器將尿液均勻地分配到每根列管中,并以液膜狀態(tài)沿壁往下降,防止CO2氣體竄流到循環(huán)系統(tǒng)中。如果液位波動劇烈,超過低限,會出現(xiàn)竄氣現(xiàn)象,導(dǎo)致循環(huán)系統(tǒng)超壓;如果液位過高,易造成出液溫度高,使產(chǎn)品縮二脲含量升高。因此,汽提塔液位一般控制在30%～60%,由汽提塔液位調(diào)節(jié)閥(LV-2202)自動控制完成。汽提塔液位調(diào)節(jié)工藝流程圖見圖1。

HIC2201—合成塔出液閥開度;TT2211—汽提塔氣相管溫度;LIC2202—汽提塔液位顯示調(diào)節(jié);TT2210—汽提塔液相溫度。

2 控制原理

使用同位素銫137配上海伯托LB 4700T探測器來測量汽提塔液位1(LT-2201),汽提塔有效液位高度為62 cm,液位有效直徑為60 cm。在高壓差下,有效液位變化很快,對調(diào)節(jié)閥的控制要求很高。在正常生產(chǎn)過程中,汽提塔的液位要求在自動控制模式運行[1]。在生產(chǎn)工藝穩(wěn)定的情況下,汽提塔的進(jìn)出近似平衡狀態(tài),當(dāng)汽提塔液位2(LT-2202)測量值低于設(shè)定值時,經(jīng)集散控制系統(tǒng)(DCS)判斷、比較,輸出信號減小LV-2202開度;當(dāng)LT-2202測量值與設(shè)定值相符時,LV-2202開度保持不變;當(dāng)LT-2202測量值大于設(shè)定值時,輸出信號增大LV-2202開度,直至液位測量值與設(shè)定值相等。這個過程是連續(xù)的,在這個過程中液位測量會有波動,測量值與設(shè)定值出現(xiàn)偏差。為消除偏差,DCS會控制LV-2202進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于汽提塔有效控制液位很少,因此要求調(diào)節(jié)閥的開關(guān)幅度很小,以及流量變化量、閥門流通面積變化量很小,才有益于液位的穩(wěn)定控制[2]。汽提塔液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制原理見圖2。

e—液位的變化量;u—DCS計算判斷后輸出的調(diào)節(jié)量。

3 調(diào)節(jié)閥運行數(shù)據(jù)分析

3.1 調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)計算

根據(jù)工藝參數(shù),計算調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)及流通能力,進(jìn)一步確定閥門的閥座通徑,以及相對流量和相對流通面積。LV-2202的工藝參數(shù)見表1,其液體通流介質(zhì)為尿素、氨基甲酸銨、水、NH3和CO2。

表1 LV-2202工藝參數(shù)表

根據(jù)表1參數(shù),使用閥門計算軟件計算得到調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)Cv為17;根據(jù)Cv,選擇閥座通徑為30 mm[3]。2018年前閥座通徑為40 mm,Cv為 41.7,明顯選擇太大,這是閥門長期在小開度下運行,無法投自動控制的原因。

3.2 調(diào)節(jié)閥運行開度分析

2019年全年調(diào)節(jié)閥運行開度在50%～60%;2020年全年調(diào)節(jié)閥運行開度在40%～50%;2021年全年調(diào)節(jié)閥運行開度在30%～40%。其間,閥芯加工尺寸相同,在2021年大修時發(fā)現(xiàn),閥座通徑由于腐蝕,從30 mm變?yōu)?1 mm,分析原因為腐蝕沖刷。流通面積稍微發(fā)生變化,閥門的開度就會發(fā)生變化,調(diào)節(jié)閥實際有效可調(diào)范圍很小。LV-2202歷年運行數(shù)據(jù)見表2。

表2 LV-2202歷年運行數(shù)據(jù)

3.3 調(diào)節(jié)閥運行流通面積

根據(jù)歷年的運行參數(shù),可計算出調(diào)節(jié)閥在工藝中常用的流通面積,進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)性能。LV-2202歷年運行流通面積數(shù)據(jù)見表3,其中閥芯的截面間隔為2 mm。由表3可以看出:調(diào)節(jié)閥的在運行中由于加工誤差、閥座的腐蝕等因素,通徑變大,閥門開度逐年減小。閥門的常用流通面積為210～270 mm2;閥門開度在30%～55%。理論計算閥門的開度在35%～50%(見表4),雖然有偏差,但開度還是吻合的。

表3 LV-2202歷年運行流通面積數(shù)據(jù)(實際)

表4 LV-2202閥芯加工尺寸表(理論)

4 閥門的選型和加工

4.1 閥門流量特性的選擇

根據(jù)對閥門流量系數(shù)的計算,以及對閥門運行參數(shù)、加工數(shù)據(jù)的分析,閥門總行程L=32 mm,為了方便計算和測量,取10%L=3.2 mm;常用開度35%～50%,對應(yīng)行程變化量為4.8 mm;流通面積200～260 mm2,閥門流通面積變化量約60 mm2。汽提塔的可控液位的總體積為0.175 m3,液位控制范圍為30%～60%,介質(zhì)體積變化范圍0.052～0.105 m3;閥門特性為直線型,特點為閥門開度小、流量變化量大、調(diào)節(jié)作用太快太強,易出現(xiàn)超調(diào),引起系統(tǒng)不穩(wěn)。線性流量特性在液位變化快、可調(diào)范圍小的工況下,調(diào)節(jié)性能差。而等百分比流量特性可以解決這個問題,在行程開度相同、相對流量變化量相等,以及流通面積變化量相同時,開度小、流量變化量也小,調(diào)節(jié)平穩(wěn),可調(diào)比寬[4]。

線性流量特性和等百分比流量特性,閥門開度和相對流量的關(guān)系[2]見圖3。由圖3可以看出:閥門相同開度,線性引起相對流量的變化量比等百分比大,等百分比變化比較柔和,所以對于汽提塔的液位調(diào)節(jié)閥,流量特性應(yīng)該選擇等百分比。

圖3 流量特性相對行程與相對流量

4.2 等百分比流量特性時閥芯尺寸和流通面積的計算

4.2.1 數(shù)據(jù)計算

根據(jù)對LV-2202運行數(shù)據(jù)的分析,選擇等百分比流量特性的閥芯更加適合現(xiàn)在的生產(chǎn)工藝,對此特性的閥芯限流段設(shè)計數(shù)據(jù)(見表5),使用閥芯和閥座計算軟件計算[3],結(jié)果見表6(總計算有14組,現(xiàn)取10組數(shù)據(jù)做說明)。

表5 一期尿素LV-2202閥芯設(shè)計數(shù)據(jù)(行程32 mm)

表6 2022年一期LV2202閥芯新加工的實測數(shù)據(jù)

優(yōu)化過程中,發(fā)現(xiàn)閥座通徑由于腐蝕變大為31 mm,則閥芯根據(jù)閥座通徑為31 mm計算。閥芯根據(jù)等百分比流量特性計算并加工,總行程為32 mm,總共計算14個截面,截面間隔2 mm。在車床分14刀做出閥芯實物胚,再打磨圓整成為成品;全過程手工加工,因此存在誤差,加上管道流通阻力,閥門特性為近似等百分比流量特性,加工最大允許誤差≤0.3 mm。與線性流量特性閥芯相比,在閥門開度變化量相同時,等百分比流量特性閥芯的相對流通面積變化量小,相對流量的變化也會柔和,液位的變化也會平穩(wěn),更加適應(yīng)于汽提塔液位自動調(diào)節(jié)。

4.2.2 等百分比流量特性閥芯加工設(shè)計數(shù)據(jù)和加工復(fù)核數(shù)據(jù)

根據(jù)設(shè)計數(shù)據(jù)(見表6)畫出加工圖(見圖4)后,在機床加工出新閥芯,再進(jìn)行一次數(shù)據(jù)復(fù)核,確保每個測量點加工誤差≤0.3 mm。

圖4 LV-2202加工圖紙

從表6可以看出:最大誤差在0.23 mm,在允許誤差之內(nèi),對總體調(diào)節(jié)性能影響不大。

5 百分比流量特性閥芯的使用及運行數(shù)據(jù)跟蹤

新設(shè)計的閥芯投入生產(chǎn)后,在自動控制的模式下,在不同的生產(chǎn)負(fù)荷中,運行平穩(wěn),達(dá)到了工藝的生產(chǎn)需求,收集運行數(shù)據(jù)見表7。從表7可以看出:2022年2月9—10日,液位基本穩(wěn)定時,隨生產(chǎn)負(fù)荷的提高閥門開度也隨之增大。2022年2月15日后,LT-2201零點校驗,在負(fù)荷穩(wěn)定的狀態(tài)下,液位降低時,閥位也隨之增加,性能明顯提高。

表7 2022年部分LV-2202運行數(shù)據(jù)

6 結(jié)語

經(jīng)過對汽提塔工藝流程、汽提塔液位變化規(guī)律的分析,結(jié)合調(diào)節(jié)閥運行參數(shù),以及流通量面積的對比、計算,對閥門的流量特性進(jìn)行優(yōu)化,將線性流量特性優(yōu)化改造為近似等百分比流量特性。實際運行數(shù)據(jù)表明,優(yōu)化效果良好,對汽提塔液位調(diào)節(jié)性能有很大改善。對于液位變化快、可控范圍小的液位控制,調(diào)節(jié)閥的閥芯可以進(jìn)行這種優(yōu)化改造。