硫磺回收再熱器蒸汽疏水閥選型優(yōu)化探討

林萬洲 侯開紅 蘇曉杰

（中國石油西南油氣田 川東北作業(yè)分公司羅家寨生產(chǎn)作業(yè)區(qū)設(shè)施工程中心）

0 引言

某高含硫天然氣凈化廠硫磺回收裝置由荷蘭Jacobs公司承擔(dān)基礎(chǔ)設(shè)計，共有3套相同規(guī)模的硫磺回收裝置，分別與3套脫硫裝置匹配。該裝置采用二級轉(zhuǎn)化常規(guī)克勞斯（Claus）工藝，設(shè)計硫回收率為93.4%，單套裝置硫磺產(chǎn)量約為402.8 t/d（最大約為460 t/d）。硫磺回收裝置中一級再熱器通過中壓蒸汽（4.0 MPa，252 ℃）對來自一級硫磺冷卻器的過程氣加熱，升溫后的過程氣進(jìn)入一級反應(yīng)器，換熱后的蒸汽進(jìn)入一級再熱器出口設(shè)置的兩組并聯(lián)的雙金屬片式疏水閥，實現(xiàn)蒸汽的自動阻汽排水。

1 基本情況

硫磺回收裝置中，該疏水閥用于一級再熱器設(shè)備疏水，工藝所需排量為2 450 kg/h（工況為4.0 MPa、252 ℃）。一級再熱器的過程氣進(jìn)、出口設(shè)計溫度分別為193、246 ℃，蒸汽進(jìn)、出口溫度設(shè)計為252 ℃。疏水閥選用熱靜力雙金屬片式疏水閥，一級再熱器出口設(shè)置了兩組并聯(lián)雙金屬片式疏水閥。

雙金屬片式疏水閥的基本原理是通過溫度來決定疏水閥的開閉，使用雙金屬作為感溫元件，根據(jù)蒸汽和凝結(jié)水的溫差來達(dá)到開閉疏水閥的目的[1]，該閥門主要由閥體、閥蓋、閥座、閥瓣、閥桿和雙金屬片等組成。疏水閥開始工作時，凝結(jié)水在低溫狀態(tài)下進(jìn)入疏水閥，閥孔開啟，所有低溫凝結(jié)水及大量進(jìn)入疏水閥的空氣排出。當(dāng)凝結(jié)水溫度升高到一定程度后，雙金屬片就會受熱變形產(chǎn)生作用力，當(dāng)作用力大于疏水閥內(nèi)壓力時，閥瓣就會關(guān)閉，閥門終止排水。當(dāng)凝結(jié)水在管道內(nèi)散熱且溫度下降后，雙金屬片的變形程度也減小，當(dāng)作用力小于疏水閥內(nèi)的壓力時，閥瓣重新打開，凝結(jié)水被排出。

2 閥門故障

經(jīng)查，出現(xiàn)故障的雙金屬片式疏水閥共6只，型號為SH900FG(L)，疏水閥具有內(nèi)置過濾器，最高工作壓力為4.48 MPa，最高允許壓力為6.20 MPa。當(dāng)疏水閥發(fā)生故障時，需將3臺一級再熱器的疏水閥閥前甩頭開啟用于排水，方能維持過程氣溫度≥201 ℃，未開閥前甩頭排水時過程氣溫度僅約190 ℃。而一級反應(yīng)器設(shè)計進(jìn)口溫度為246 ℃，一級再熱器出口溫度過低時，硫磺回收轉(zhuǎn)化率偏低，硫磺產(chǎn)量降低，使尾氣處理裝置的酸性氣增加，SCOT負(fù)荷增大，排放的尾氣中SO2含量增加，嚴(yán)重時可能會造成尾氣排放超標(biāo)。同時，凝結(jié)水經(jīng)閥前甩頭排出，現(xiàn)場采用臨時接水槽將水引入排污系統(tǒng)，這增加污水處理負(fù)荷，造成水資源、能量浪費。這也不符合GB/T 12712—1991《蒸供熱系統(tǒng)凝結(jié)水回收及蒸汽疏水閥技術(shù)管理要求》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的用汽設(shè)備產(chǎn)生的凝結(jié)水必須回收，且回收率不得小于60%的規(guī)定[2]。

3 原因分析

3.1 操作排查

為了確認(rèn)故障疏水閥的實際工作狀態(tài)，將6只疏水閥均通過開啟疏水閥前切斷閥和閥后甩頭，關(guān)閉后切斷閥和閥前甩頭，來觀察疏水閥閥后甩頭的排水情況，結(jié)果排出的是均蒸汽，未見間歇性排出凝結(jié)水。但由于實際運行時凝結(jié)水處于約252 ℃的飽和狀態(tài)，排出時瞬間系統(tǒng)壓力降低變?yōu)槌?，凝結(jié)水便開始?xì)饣纬砷W蒸汽[3]。因此難以單從以上操作來判斷疏水閥是否處于正常狀態(tài)。

3.2 過濾器檢查

打開一級再熱器的6只疏水閥的閥前Y型過濾器進(jìn)行檢查，除了1臺過濾器濾網(wǎng)堵塞外，其余濾網(wǎng)未發(fā)現(xiàn)被臟污堵塞的情況。復(fù)位后，關(guān)閉一級再熱器的所有疏水閥的前甩頭，恢復(fù)正常流程，一級再熱器過程氣出口溫度可在短期內(nèi)升至220 ℃左右，但無法長時間維持，溫度將逐漸下降，操作甩頭進(jìn)行現(xiàn)場排水后，過程氣溫度仍僅約為200 ℃。因此，基本可排除管線被堵塞造成換熱效果不佳的可能。

3.3 解體檢查

2017年-2019年期間，該裝置陸續(xù)更換了6只型號相同的新疏水閥，但新閥門投用后，一級再熱器出口過程氣溫度仍無明顯上升。對拆卸下來的舊閥進(jìn)行解體檢查，閥內(nèi)部件未見明顯損壞，雙金屬片存在一定銹蝕，內(nèi)置濾網(wǎng)較為干凈，如圖1所示。而換上新的疏水閥后，系統(tǒng)仍然達(dá)不到設(shè)計要求，需打開其中一只疏水閥的前甩頭，才能勉強(qiáng)維持過程氣溫度。

圖1 解體后的雙金屬片式疏水閥

3.4 廠家咨詢

咨詢廠家后可知，SH-900FG系列雙金屬片式疏水閥屬于過熱蒸汽疏水閥，無法排出飽和凝結(jié)水，只能排出過冷水（飽和水冷卻至飽和溫度以下10～40℃），因此開機(jī)的時候閥前端會積水，待水冷卻后再打開閥，這類閥門只能用于管線的過熱蒸汽疏水不能用于設(shè)備疏水。

4 改進(jìn)措施

據(jù)了解，并沒有適用于所有場合的通用型疏水閥，各種疏水閥的工作原理不同，應(yīng)用的場合也不相同[4]。一般認(rèn)為，最適合換熱器類設(shè)備疏水的閥門為機(jī)械型疏水閥，其能做到有水即排，保證設(shè)備或蒸汽輸送管道內(nèi)沒有積液，可使換熱設(shè)備的換熱效果達(dá)到最佳，并防止蒸汽管道內(nèi)存有積液，甚至造成水擊現(xiàn)象[5]。機(jī)械型疏水閥包括自由浮球式、倒吊桶式和杠桿浮球式等。

自由浮球式疏水閥是將空心浮球無約束地放置在疏水閥的閥體內(nèi)部，利用浮力原理，當(dāng)凝結(jié)水進(jìn)入疏水閥內(nèi)部時，空心浮球可以自由上升或下降，通過空心浮球和閥座孔的接觸來實現(xiàn)開、閉閥動作[6]。某品牌JH7.2R-B系列自由浮球式疏水閥的結(jié)構(gòu)如圖2所示，該閥門具備以下優(yōu)點：閥嘴始終低于凝結(jié)水液位，不會導(dǎo)致蒸汽泄漏；采用高精磨浮球，浮球全表面都與閥座的接觸，不會產(chǎn)生集中磨損，使用壽命較長；頂部設(shè)置雙金屬片式自動空氣排放閥，能排放低于100 ℃的空氣，可耐高溫，確保設(shè)備快速啟動；配備可拆卸閥蓋、閥嘴，無需將整閥從管線上拆下，可實現(xiàn)在線維護(hù)。

圖2 自由浮球式疏水閥JH-B結(jié)構(gòu)簡圖

查閱全廠蒸汽平衡圖得知，一級再熱器蒸汽出口凝結(jié)水排量需滿足2 450 kg/h（4.0 MPa，252 ℃），疏水閥背壓約為0.55 MPa，經(jīng)重新選型，確定選用JH7.2R-B型號（46閥嘴）的自由浮球式疏水閥，其排量-壓差曲線可見圖3。當(dāng)壓差為4.6 MPa時，疏水閥排量約為2 700 kg/h；當(dāng)壓差為3.45 MPa（實際最大壓差）時，排量接近2 500 kg/h。該疏水閥單只投用時，基本就能滿足裝置的設(shè)計要求。但常見疏水閥選用時，考慮正常的負(fù)荷情況下還必須考慮負(fù)荷安全系數(shù)（1.5），而換熱器的疏水閥安全系數(shù)推薦值為2[5]。2只自由浮球式疏水閥JH7.2R-B并聯(lián)投用，即可滿足管線的工藝要求。

圖3 JH7.2R-B疏水閥排量-壓差曲線

5 使用效果

據(jù)統(tǒng)計，JH7.2R-B疏水閥投用后，在其他工藝參數(shù)不變的情況下，過程氣經(jīng)一級再熱器后溫度差顯著增大，具體可見表1，過程氣溫度差為47～49 ℃，已接近設(shè)計值（53 ℃）。一級再熱器出口過程氣溫度較設(shè)計值仍偏低的主要原因為入口過程氣溫度較設(shè)計值偏低約12～14 ℃，一級再熱器換熱效率下降和飽和中壓蒸汽品質(zhì)差可能也對其產(chǎn)生了一定影響。這說明自由浮球式疏水閥在該工況下具有良好的阻汽排水性能，確保設(shè)備內(nèi)無冷凝水積存，從而維持穩(wěn)定的工藝溫度。

表1 自由浮球式疏水閥投用前后參數(shù)對比表

自由浮球式疏水閥投用后，無需開啟甩頭排水，就可實現(xiàn)凝結(jié)水密閉回收，據(jù)粗略估算，1～3列裝置可節(jié)約凝結(jié)水43.2×103kg/d，全年可節(jié)約12 960 t凝結(jié)水。由于凝結(jié)水現(xiàn)場排放后進(jìn)入污水處理單元，因此也降低了污水處理單元的負(fù)荷量。另外，硫磺回收裝置二級再熱器疏水閥也存在同樣問題，且設(shè)備工況相近，之后也將考慮采用同型號自由浮球式疏水閥替換原雙金屬片式疏水閥，實現(xiàn)節(jié)能降耗的目標(biāo)。

6 結(jié)論

JH-B系列自由浮球式疏水閥具備可連續(xù)、瞬時排放，排量大，工作穩(wěn)定等特點，特別適用于蒸汽換熱器等凝結(jié)水排量大的疏水工況。同時，閥門結(jié)構(gòu)簡單，易損件少，可實現(xiàn)在線維護(hù)。該類疏水閥應(yīng)用在硫磺回收裝置上后，有效改善了一級再熱器的換熱效果，使出口過程氣溫度得到了提升，實現(xiàn)了凝結(jié)水零排放，年節(jié)約凝結(jié)水量近1.3萬t，節(jié)能減排意義顯著。