對(duì)二甲苯裝置吸附塔程控閥選型及使用原則探討

秦文戈

（中國(guó)石化 海南煉油化工有限公司，海南 洋浦 578101）

0 引言

對(duì)二甲苯聯(lián)合裝置中的吸附分離單元是從混合二甲苯原料中回收高純度PX的一種經(jīng)濟(jì)、連續(xù)的吸附分離方法，吸附分離裝置是芳烴成套技術(shù)大型工業(yè)化的核心裝置。目前PX工藝包主要有美國(guó)UOP技術(shù)的旋轉(zhuǎn)閥工藝、法國(guó)IFP技術(shù)的多程控閥工藝和中石化自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的多程控閥工藝。中石化自主工藝包是利用順控程序控制多臺(tái)程控閥按照既定邏輯程序開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)的模擬移動(dòng)床吸附分離工藝。在與吸附塔相關(guān)的工藝控制參數(shù)中，吸附塔壓力和進(jìn)出吸附塔各股物料的流量是最為關(guān)鍵的控制參數(shù)，而程控閥的開(kāi)關(guān)時(shí)間及穩(wěn)定性和上述兩個(gè)參數(shù)緊密相關(guān)。因此，程控閥的選型、調(diào)試、投用及運(yùn)行維護(hù)對(duì)吸附分離裝置的長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行尤為重要。本文以中石化多程控閥工藝的海南煉化600000t/年對(duì)二甲苯裝置為基礎(chǔ)，探討程控閥的選型及使用原則。

1 程控閥的選型原則

程控閥為模擬移動(dòng)床吸附分離工藝中的關(guān)鍵核心設(shè)備，每年需開(kāi)關(guān)16000次左右，必須具備高等級(jí)的密封性、快速恒定的響應(yīng)時(shí)間、長(zhǎng)周期的穩(wěn)定性和可靠性。目前IFP工藝的吸附分離裝置主要采用Segault、Flowserve Argus、Hartmann品牌的氣動(dòng)球閥，中石化自主工藝包技術(shù)的海南煉化首套大型化工業(yè)裝置采用的是Hartmann品牌的氣動(dòng)程控球閥。根據(jù)裝置平穩(wěn)運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)程控閥的設(shè)計(jì)選型上應(yīng)遵循以下基本原則。

1）泄漏等級(jí)

吸附分離裝置對(duì)產(chǎn)品純度要求很高，要求程控閥結(jié)構(gòu)形式為球閥，閥芯和閥座采用金屬硬密封的密封形式，泄漏等級(jí)為Class Ⅵ級(jí)（雙向硬密封）。所有程控閥均應(yīng)在制造廠按API598及ANSI/FCI 70-2規(guī)定進(jìn)行密封性測(cè)試[4]。

2）執(zhí)行機(jī)構(gòu)

程控閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)一般采用氣缸式雙作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)，應(yīng)盡可能選用雙作用齒輪齒條式氣缸，其在0～90°行程均為線性輸出扭矩，能較好地保證閥門(mén)之間的平穩(wěn)切換[3]。程控閥的扭矩必須按程控閥規(guī)格書(shū)所提供的最大關(guān)閉壓差計(jì)算，沒(méi)有提供最大關(guān)閉壓差值的以程控閥入口壓力值作為程控閥最大關(guān)閉壓差值進(jìn)行計(jì)算，正常情況下工廠的儀表風(fēng)壓為0.7～0.8MPa，為安全考慮，執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)滿(mǎn)足在0.35MPa風(fēng)壓條件下，氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出最小扭矩必須大于閥門(mén)所需最大扭矩的1.25倍。閥位回訊器防護(hù)等級(jí)應(yīng)不低于IP66，且閥位回訊器應(yīng)具備耐踩踏和輕微碰撞的機(jī)械防護(hù)能力。

3）全行程時(shí)間要求

定義從控制系統(tǒng)發(fā)出開(kāi)閥（關(guān)閥）命令開(kāi)始計(jì)時(shí)，直到控制系統(tǒng)接收到現(xiàn)場(chǎng)閥位回訊器傳回的閥開(kāi)（閥關(guān)）信號(hào)為止，這期間控制系統(tǒng)所記錄下的時(shí)間為程控閥開(kāi)閥（關(guān)閥）全行程時(shí)間，要求閥門(mén)的關(guān)斷時(shí)間小于2s，且1.5～3s可調(diào)，重復(fù)精度為正負(fù)0.1s[5]。

4）氣路系統(tǒng)

閥門(mén)的氣路管線和吸附塔上儀表風(fēng)管線應(yīng)采用不銹鋼材質(zhì)，且吸附塔應(yīng)設(shè)置獨(dú)立的儲(chǔ)氣罐，儲(chǔ)氣罐的容量應(yīng)保證系統(tǒng)儀表氣源中斷期間，滿(mǎn)足3個(gè)床層程控閥至少完成兩個(gè)往復(fù)全行程動(dòng)作所需的儲(chǔ)氣容量。

2 程控閥調(diào)試

程控閥采用金屬硬質(zhì)密封，工藝管道中微小的機(jī)械雜質(zhì)易造成密封面損壞和閥桿劃傷，進(jìn)而造成閥門(mén)密封性能下降，工藝物料泄漏，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量不合格。程控閥密封面損壞或閥桿劃傷易造成閥門(mén)轉(zhuǎn)動(dòng)部件摩擦力增大，嚴(yán)重者造成閥門(mén)無(wú)法開(kāi)關(guān)到位甚至抱死，使控制系統(tǒng)進(jìn)入容錯(cuò)程序，造成進(jìn)出吸附塔工藝物料流量波動(dòng)和吸附塔壓力波動(dòng)，影響裝置穩(wěn)定運(yùn)行。所以在裝置開(kāi)工前的程控閥調(diào)試階段，吸附塔床層管線必須進(jìn)行酸洗處理，嚴(yán)格控制酸洗質(zhì)量，確保管線中沒(méi)有機(jī)械雜質(zhì)，進(jìn)油前保持氮封。

1）準(zhǔn)備工作

程控閥安裝時(shí)要保證氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)與儀表連接管線之間無(wú)應(yīng)力，防止由于應(yīng)力的原因造成閥門(mén)回訊器故障或工作不正常；須將氣路管線充分吹掃干凈后，再進(jìn)行儀表風(fēng)管線與執(zhí)行機(jī)構(gòu)連接。

2）程控閥冷態(tài)調(diào)試

在吸附分離控制系統(tǒng)上對(duì)每個(gè)程控閥進(jìn)行手動(dòng)開(kāi)關(guān)操作，以測(cè)試每個(gè)程控閥的位置是否安裝正確，閥位回訊狀態(tài)是否正確；通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整過(guò)濾減壓閥出風(fēng)壓力或彈簧預(yù)緊螺釘，將程控閥的開(kāi)關(guān)時(shí)間調(diào)整在1.5～2s；在控制系統(tǒng)上將每個(gè)程控閥置自動(dòng)，使所有程控閥在程序控制下空負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，以初步考驗(yàn)程控閥的穩(wěn)定性和閥門(mén)開(kāi)關(guān)時(shí)間的重復(fù)性。

表1 閥位回訊狀態(tài)表Table 1 Valve position status table

3）熱態(tài)調(diào)試

在程控閥保持全開(kāi)的狀態(tài)下，對(duì)吸附塔充液、排氣、升溫后，在吸附塔公共吸入口閥門(mén)保持全開(kāi)狀態(tài)下對(duì)程控閥進(jìn)行熱態(tài)調(diào)試。熱態(tài)工況下程控閥所處工藝物流的溫度、壓力與實(shí)際生產(chǎn)接近，所以需要在此工況下對(duì)每個(gè)閥門(mén)的動(dòng)作時(shí)間進(jìn)行最終調(diào)試。程控閥的口徑須與工藝物料的流量匹配，對(duì)一套600000t/年的芳烴裝置來(lái)說(shuō)，最大程控閥的口徑為DN250，最小沖洗程控閥的口徑為DN80。正常情況下程控閥的口徑越小開(kāi)關(guān)時(shí)間越短，為了實(shí)現(xiàn)同一物流閥門(mén)的同步開(kāi)關(guān)，需要將同一物流的閥門(mén)開(kāi)關(guān)時(shí)間調(diào)整到同一時(shí)間上，正常情況下通過(guò)調(diào)整過(guò)濾減壓閥出風(fēng)壓力、彈簧預(yù)緊螺釘或調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)排氣量來(lái)調(diào)整閥門(mén)開(kāi)關(guān)時(shí)間。理想情況下將所有程控閥門(mén)的開(kāi)關(guān)時(shí)間調(diào)整在2～2.5s之間，閥門(mén)開(kāi)關(guān)時(shí)間太短，在閥門(mén)的開(kāi)關(guān)過(guò)程中對(duì)程控閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣缸和閥體的沖擊太大，容易降低閥門(mén)的使用壽命。

3 程控閥相關(guān)控制參數(shù)設(shè)定

正常生產(chǎn)過(guò)程中，程控閥的運(yùn)行維護(hù)涉及控制系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)閥門(mén)兩部分。對(duì)于控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，主要就是投用維護(hù)設(shè)定和開(kāi)關(guān)時(shí)間報(bào)警設(shè)置。正常情況下所有程控閥門(mén)都處于投用狀態(tài)，閥門(mén)的開(kāi)關(guān)由控制系統(tǒng)控制，只有在閥門(mén)出現(xiàn)故障的時(shí)候，在控制系統(tǒng)上將閥門(mén)置維護(hù)并進(jìn)行手動(dòng)開(kāi)關(guān)調(diào)試。在開(kāi)關(guān)調(diào)試過(guò)程中，應(yīng)關(guān)閉與其相連的一道工藝手閥，防止在開(kāi)關(guān)調(diào)試過(guò)程中造成工藝物流波動(dòng)。在投用之前，一定要確認(rèn)程控閥已處于關(guān)閉狀態(tài)，并將其上下游流程打通以后，在控制系統(tǒng)近兩步序內(nèi)沒(méi)有對(duì)此閥門(mén)有開(kāi)關(guān)操作的情況下投用。

程控閥的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，開(kāi)關(guān)時(shí)間報(bào)警設(shè)置

程控閥帶有兩個(gè)閥位回訊開(kāi)關(guān)，位號(hào)分別為XZSO（閥開(kāi)）和XZSC（閥關(guān)），閥位回訊狀態(tài)見(jiàn)表1。

每臺(tái)程控閥都有閥門(mén)開(kāi)閥和關(guān)閥設(shè)定時(shí)間（TME），該時(shí)間定義為正常閥位信號(hào)返回的允許時(shí)間。“正?！睂儆陂y門(mén)命令發(fā)出后，閥位回訊器應(yīng)有的狀態(tài)；“故障”屬于異常狀態(tài)；“動(dòng)作”屬于臨時(shí)狀態(tài)[2]，閥門(mén)動(dòng)作開(kāi)始時(shí)會(huì)處于此狀態(tài)。

程控閥屬于可動(dòng)設(shè)備，受其結(jié)構(gòu)形式、機(jī)械性能、動(dòng)作方式等內(nèi)在因素的限制，在閥門(mén)運(yùn)行時(shí)有可能產(chǎn)生故障。關(guān)閥時(shí)，如果程控閥運(yùn)行時(shí)間超過(guò)了閥門(mén)設(shè)定的關(guān)閥時(shí)間，而閥門(mén)仍處于“動(dòng)作”狀態(tài)，該情況屬于“關(guān)故障”。開(kāi)閥時(shí)，如果閥門(mén)運(yùn)行時(shí)間超過(guò)了閥門(mén)設(shè)定的開(kāi)閥時(shí)間，而閥門(mén)仍處于“動(dòng)作”狀態(tài)，該情況屬于“開(kāi)故障”。一旦控制系統(tǒng)接收到閥門(mén)的故障信息，將進(jìn)入既定的容錯(cuò)程序，容錯(cuò)程序的執(zhí)行必將引起進(jìn)出物料流量和吸附塔壓力的波動(dòng)，所以在參數(shù)設(shè)定時(shí)，既要考慮由于儀表風(fēng)壓或其他條件的變化造成開(kāi)關(guān)閥時(shí)間的增加，但最終還是能完成開(kāi)關(guān)操作情況，也要考慮真正故障原因使閥門(mén)無(wú)法完成開(kāi)關(guān)操作，需要盡快通知控制系統(tǒng)進(jìn)入容錯(cuò)程序，避免吸附塔壓力的劇烈波動(dòng)情況。由于吸附塔壓力波動(dòng)最大的時(shí)刻為泵送壓送調(diào)節(jié)閥在進(jìn)行區(qū)域轉(zhuǎn)換時(shí)，也就是物料從一個(gè)吸附塔的塔底床層向另一個(gè)塔頂床層切換時(shí)，如果程控閥出現(xiàn)打不開(kāi)或關(guān)不上情況，而泵送和壓送環(huán)路繼續(xù)按照既定程序進(jìn)行區(qū)域轉(zhuǎn)換時(shí)，將引起單個(gè)吸附塔進(jìn)出物料流量偏離正常值，物料平衡嚴(yán)重失衡，將引起吸附塔壓力的劇烈波動(dòng)，可能對(duì)吸附塔內(nèi)構(gòu)件造成嚴(yán)重的損傷和損壞。通過(guò)實(shí)踐摸索，需要將吸附塔頂床層和底床層程控閥的故障判斷設(shè)置時(shí)間（TME）適當(dāng)減小。根據(jù)海南煉化實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)情況，總結(jié)并設(shè)置TME時(shí)間為4～5s。如果考慮控制系統(tǒng)二級(jí)容錯(cuò)情況，建議將頂部?jī)蓚€(gè)床層和底部?jī)蓚€(gè)床層閥門(mén)故障時(shí)間減??；對(duì)于中間床層的閥門(mén)，由于在進(jìn)行床層切換時(shí)不存在區(qū)域轉(zhuǎn)換和流量控制設(shè)定值的變化，且上下兩個(gè)床層的差壓相對(duì)較低，進(jìn)出物料的流量調(diào)節(jié)閥在自動(dòng)情況下可以跟蹤調(diào)整，所以對(duì)中間床層的閥門(mén)故障時(shí)間可以根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)增大，降低故障頻率。

4 程控閥典型故障原因分析

1）由于機(jī)械雜質(zhì)原因造成閥門(mén)內(nèi)漏和開(kāi)關(guān)不到位。在閥門(mén)設(shè)計(jì)合理、閥體和閥座材質(zhì)使用正確的情況下，部分裝置開(kāi)工初期易出現(xiàn)閥門(mén)內(nèi)漏和開(kāi)關(guān)不到位現(xiàn)象，主要原因是在開(kāi)工前吸附塔相關(guān)管線酸洗效果和床層分配管線清潔度不好，或開(kāi)工初期吸附塔進(jìn)料、解吸劑過(guò)濾器沒(méi)有達(dá)到過(guò)濾要求，在吸附塔進(jìn)行冷態(tài)和熱態(tài)沖洗時(shí)，由于閥門(mén)的開(kāi)關(guān)動(dòng)作使雜質(zhì)進(jìn)入程控閥的閥座底部、閥桿及密封面導(dǎo)致閥門(mén)內(nèi)漏和開(kāi)關(guān)不到位。一旦出現(xiàn)此類(lèi)情況，需要整體切除本床層閥門(mén)，將閥門(mén)下線處理或更換閥門(mén)。此類(lèi)故障對(duì)工藝生產(chǎn)影響較大。

2）閥位回訊器故障。在程控閥實(shí)際已完全打開(kāi)或關(guān)閉的情況下，由于閥位回訊器故障，導(dǎo)致控制系統(tǒng)出現(xiàn)閥門(mén)故障報(bào)警。主要是由于回訊器破損或防護(hù)等級(jí)沒(méi)有達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)造成回訊器受潮或進(jìn)水，引起回訊器失靈。程控閥回訊器采用感應(yīng)式接近限位開(kāi)關(guān)，可以不與目標(biāo)物接觸的情況下，檢測(cè)到靠近傳感器的金屬目標(biāo)物，利用磁感應(yīng)原理，將閥門(mén)位置信號(hào)反饋到傳感器，再由傳感器傳送至控制系統(tǒng)[1]。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，閥位回訊器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)本體之間會(huì)由于設(shè)計(jì)、選型材質(zhì)及裝配原因造成回訊器固定不牢，在儀表保護(hù)套管應(yīng)力和閥門(mén)快速開(kāi)關(guān)引起的震動(dòng)下，易造成感應(yīng)目標(biāo)偏離感應(yīng)區(qū)，無(wú)法檢測(cè)到感應(yīng)目標(biāo)，在閥門(mén)正常開(kāi)關(guān)的情況下出現(xiàn)開(kāi)超時(shí)和關(guān)超時(shí)，進(jìn)而觸發(fā)控制系統(tǒng)的容錯(cuò)程序。控制系統(tǒng)的容錯(cuò)模式易造成吸附塔壓力的波動(dòng)及產(chǎn)品純度的下降。

5 結(jié)論

程控閥是多閥對(duì)二甲苯吸附分離工藝的關(guān)鍵核心設(shè)備，其閥門(mén)數(shù)量多、開(kāi)關(guān)頻次高，相對(duì)于旋轉(zhuǎn)閥工藝來(lái)說(shuō)同步性差、故障點(diǎn)多。因此，在工程設(shè)計(jì)及開(kāi)工調(diào)試階段，需要提高程控閥的設(shè)計(jì)選型標(biāo)準(zhǔn)、嚴(yán)格執(zhí)行出廠檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、提高安裝質(zhì)量。在裝置投用之前，要確保吸附分析系統(tǒng)的清潔度，并通過(guò)反復(fù)調(diào)試使閥門(mén)的開(kāi)關(guān)時(shí)間一致，提高程控閥的同步性，并結(jié)合閥門(mén)實(shí)際的開(kāi)關(guān)時(shí)間優(yōu)化吸附系統(tǒng)的各項(xiàng)控制參數(shù)，盡可能降低程控閥的故障頻次，實(shí)現(xiàn)裝置安穩(wěn)長(zhǎng)運(yùn)行。

[1]陸德民,張振基,黃步余.石油化工自動(dòng)控制設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2000.

[2]徐義亨.工業(yè)控制工程中的抗干擾技術(shù)[M].上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社,2010.

[3]陸培文.實(shí)用閥門(mén)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

[4]何衍慶,邱宣振,楊潔,等.控制閥工程設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005.

[5]何衍慶,黎冰,黃海燕.工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2010.