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      CO2 汽提法尿素裝置池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥故障判斷及處理

      2022-02-17 09:39:50侯立業(yè)
      中氮肥 2022年1期
      關(guān)鍵詞:閥位汽提塔調(diào)節(jié)閥

      侯立業(yè)

      (中海石油華鶴煤化有限公司,黑龍江 鶴崗 154110)

      1 概 述

      中海石油華鶴煤化有限公司(簡稱華鶴煤化)520kt/a尿素裝置采用荷蘭斯塔米卡邦2000+TM工藝,高壓系統(tǒng)用1臺池式反應(yīng)器替代池式反應(yīng)冷凝器和尿素合成塔2臺設(shè)備,即高壓系統(tǒng)由池式反應(yīng)器、CO2汽提塔、高壓洗滌器3臺設(shè)備組成,其工藝流程簡圖見圖1(注:閥A—高壓洗滌器氣相放空調(diào)節(jié)閥,閥B—池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥,閥C—汽提塔液位調(diào)節(jié)閥)。其中,池式反應(yīng)器是池式冷凝器和尿素合成塔的組合,含有U形管束的容器區(qū)間相當(dāng)于一個池式冷凝器,管束中產(chǎn)生低壓蒸汽,圍繞管束外的氣體部分冷凝,并有一定量的甲銨脫水生成尿素;池式反應(yīng)器由10塊導(dǎo)流板構(gòu)成,分割成10個小室,在最后一個小室用液位調(diào)節(jié)閥來控制池式反應(yīng)器的液位。CO2汽提塔利用底部進入的CO2氣對頂部來自于池式反應(yīng)器的混合液中的NH3進行汽提,CO2汽提塔的液位由其液位調(diào)節(jié)閥控制。高壓洗滌器采用直通液氨冷凝的方式取代高溫調(diào)節(jié)水換熱冷凝,即利用高壓甲銨泵提供的甲銨液實現(xiàn)NH3和CO2的冷凝,部分冷凝熱被高壓洗滌器底部的液氨吸收,通過高壓洗滌器頂部氣相放空調(diào)節(jié)閥保證高壓系統(tǒng)壓力的穩(wěn)定。

      圖1 尿素裝置高壓系統(tǒng)工藝流程簡圖

      華鶴煤化尿素裝置高壓系統(tǒng)與常規(guī)汽提法尿素裝置高壓系統(tǒng)相比,具有如下明顯的優(yōu)勢:①工藝流程簡潔,所用設(shè)備少,工藝步驟少,連續(xù)開工率高;②尿素合成反應(yīng)多余的NH3在高壓圈大部分得到回收;③高壓氨泵及高壓甲銨泵流量小、耗能低;④尿素合成系統(tǒng)的設(shè)備布局合理,整個系統(tǒng)主要靠重力為推動力,無需能量驅(qū)動,未轉(zhuǎn)化的NH3和CO2在合成系統(tǒng)內(nèi)部循環(huán);⑤設(shè)備采用耐腐蝕性能更好的雙相不銹鋼,高壓系統(tǒng)可實現(xiàn)無氧操作。不過,任何工藝系統(tǒng)不可能盡善盡美,諸如高壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥出現(xiàn)故障處理不及時時,同樣會造成嚴(yán)重的后果。

      池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥、CO2汽提塔液位調(diào)節(jié)閥、高壓洗滌器氣相放空調(diào)節(jié)閥等調(diào)節(jié)閥均為事故關(guān)型,調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機構(gòu)的動力源均為壓力約0.70MPa的儀表空氣,儀表空氣在經(jīng)過減壓機構(gòu)、過濾機構(gòu)后最終作用于調(diào)節(jié)閥的執(zhí)行機構(gòu),助力閥桿的位移實現(xiàn)調(diào)節(jié)閥開度的調(diào)節(jié),并同步設(shè)有開度反饋機構(gòu),用來指示實際開度與設(shè)定開度的偏差。生產(chǎn)中,一旦上述調(diào)節(jié)閥出現(xiàn)故障而全開或全關(guān)時,系統(tǒng)中相關(guān)工藝參數(shù)就會出現(xiàn)不同程度的波動——溫度、壓力等參數(shù)異常升高或降低,因此要求操作人員密切關(guān)注相關(guān)工藝參數(shù)的變化且作出準(zhǔn)確判斷,并據(jù)相應(yīng)的故障原因及時對系統(tǒng)進行調(diào)整,力求保證尿素高壓系統(tǒng)的穩(wěn)定、安全運行。

      2 池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥簡介

      華鶴煤化520kt/a尿素裝置自2015年投產(chǎn)以來,高壓系統(tǒng)總體運行穩(wěn)定,其采用池式反應(yīng)器替代池式冷凝器和尿素合成塔的工藝設(shè)計,無論是在系統(tǒng)能耗方面還是在操作彈性方面總體上均優(yōu)于其他工藝。但華鶴煤化池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥生產(chǎn)中多次出現(xiàn)故障,導(dǎo)致高壓系統(tǒng)出現(xiàn)大幅波動,甚至導(dǎo)致尿素裝置封塔停車。

      池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥為奧地利(斯塔米卡邦)進口氣動調(diào)節(jié)閥,屬于高壓角閥,以壓縮空氣為動力源,以氣缸為執(zhí)行器,并借助于閥門定位器、轉(zhuǎn)化器、保位閥、電磁閥附件來驅(qū)動閥門的開關(guān),閥體材質(zhì)采用防腐蝕性能較好的316L尿素級不銹鋼及Safurex(雙相不銹鋼)。正常生產(chǎn)時,池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥投自控,調(diào)節(jié)閥閥位與生產(chǎn)負荷在一定程度上呈正比例關(guān)系,在生產(chǎn)負荷保持不變的穩(wěn)定運行過程中,閥門開度調(diào)整幅度較小。實際生產(chǎn)表明,池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥具有操作靈敏度高、控制簡單等優(yōu)點,但同時也存在缺點,那就是沒有設(shè)計帶現(xiàn)場手輪,當(dāng)閥門出現(xiàn)故障時,不能通過手輪進行限位操作,且儀表氣源(儀表空氣)在進入執(zhí)行機構(gòu)時沒有加裝過濾裝置,使得閥門發(fā)生故障的風(fēng)險加大。

      正常情況下,池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥通常設(shè)計帶有手輪,因為有了手輪可以不考慮為其設(shè)計副線,但實際生產(chǎn)中有兩點必須考慮:第一,池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥流通的介質(zhì)為尿液和甲銨液的混合液,出于生產(chǎn)安全方面的考慮,當(dāng)高壓系統(tǒng)聯(lián)鎖封塔停車時,池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥需快速關(guān)閉,及時切斷工藝物料,避免相關(guān)系統(tǒng)(特別是管道、閥門)發(fā)生結(jié)晶堵塞,若其帶有手輪,可能因發(fā)生“空檔”而影響調(diào)節(jié)閥的開關(guān),進而影響到整個系統(tǒng)的安全;第二,出于成本考慮,若調(diào)節(jié)閥不帶手輪,則可設(shè)計副線,但設(shè)計副線無疑也會增加成本?;谝陨蟽煞矫娴脑?,最有效的方式是盡可能保證池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥的工作狀態(tài)穩(wěn)定、可靠。

      3 池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥故障判斷

      池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥發(fā)生故障最直接的表現(xiàn)是池式反應(yīng)器出現(xiàn)滿液和空液兩種現(xiàn)象。需要說明的是,池式反應(yīng)器滿液或空液并不能說都是液位調(diào)節(jié)閥故障所致,是否為調(diào)節(jié)閥故障所致,需通過相關(guān)工藝參數(shù)的變化以及調(diào)節(jié)閥實際開度與儀表閥位反饋值的偏差規(guī)律綜合進行判斷。

      首先,池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥是否發(fā)生了故障可以從相關(guān)工藝參數(shù)的變化來判斷。池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥突然關(guān)小或逐漸全關(guān)會造成CO2汽提塔以及后續(xù)工段斷料,CO2汽提塔因為突然的受料量減少,其液位會迅速下降,用于CO2汽提塔加熱的高壓蒸汽耗量也會迅速下降,由約62t/h降至5t/h,由于高壓蒸汽量的退出需要一定的時間,此時汽提塔底部就會發(fā)生嚴(yán)重超溫,溫度高達180℃甚至更高,蒸汽自控調(diào)節(jié)閥會因蒸汽用量突然降低、高壓蒸汽來不及退回管網(wǎng)中而發(fā)生蒸汽安全閥超壓啟跳。同時,CO2汽提塔底部進入的CO2會因為汽提塔液位的降低而發(fā)生“短路”,即大量的CO2氣沒有通過汽提塔列管而直接進入低壓精餾后系統(tǒng),造成低壓系統(tǒng)超壓。與此同時,池式反應(yīng)器的氣相溫度會由178℃逐漸升高,若池式反應(yīng)器已經(jīng)完全滿液,其氣相溫度會超過185℃,同時高壓洗滌器氣相出口溫度也會由約105℃升高至150℃甚至更高,池式反應(yīng)器下液溫度會較快上漲,低壓吸收塔因負荷增大而滿液超壓。在池式反應(yīng)器液位逐漸上漲的過程中,高壓系統(tǒng)壓力會逐漸上漲,但壓力上漲比較緩慢,一旦池式反應(yīng)器滿液到高壓洗滌器中,高壓系統(tǒng)壓力會快速上漲,甚至達到封塔停車聯(lián)鎖值15.5MPa,若壓力仍繼續(xù)上漲,高壓系統(tǒng)的3個安全閥會啟跳泄壓(高壓洗滌器氣相放空調(diào)節(jié)閥、池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥、汽提塔液位調(diào)節(jié)閥的啟跳壓力分別為15.9MPa、16.1MPa、16.4MPa)。而池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥開大或全開會造成池式反應(yīng)器空液,此時系統(tǒng)主要表現(xiàn)為高壓系統(tǒng)壓力出現(xiàn)突降,CO2汽提塔殼側(cè)蒸汽壓力上升而流量下降,蒸汽系統(tǒng)發(fā)生大幅波動。2019年8月12日04:08華鶴煤化尿素裝置滿負荷運行時池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥發(fā)生故障(閥位逐漸關(guān)小至全關(guān))時高壓系統(tǒng)的主要工藝數(shù)據(jù)見表1。

      表1 池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥故障時高壓系統(tǒng)的主要工藝數(shù)據(jù)

      其次,池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥是否發(fā)生了故障可以從閥門實際開度與儀表閥位反饋值的偏差來判斷。池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥帶有閥位變送器,閥位變送器的作用是將氣動執(zhí)行機構(gòu)輸出軸的轉(zhuǎn)角(0~90°)線性地轉(zhuǎn)換成4~20mADC信號,用以指示閥位,并實現(xiàn)閥門開度的反饋;同時,閥位變送器具有足夠的線性度和線性范圍,使執(zhí)行機構(gòu)輸出軸緊跟調(diào)節(jié)器的輸出信號運轉(zhuǎn),閥位信號會單獨從定位器引出至DCS,反饋閥位值與實際OP值偏差設(shè)定在1.2%左右,當(dāng)DCS中實際閥位與反饋閥位值出現(xiàn)較大偏差時,意味著調(diào)節(jié)閥實際閥位可能出現(xiàn)了問題,具體表現(xiàn)為其自控狀態(tài)下閥位逐漸開大(或關(guān)?。厥椒磻?yīng)器液位卻逐漸升高(或降低),最終調(diào)節(jié)閥閥位開到100% (或關(guān)到0%),池式反應(yīng)器液位沒有降低(或升高)反而繼續(xù)升高(或降低)。此外,反饋閥位值偏差由于控制器需要模擬計算,因計算時間滯后的原因,反饋閥位值與實際OP值偏差還會由1.2%逐漸變大。

      總之,通過將高壓系統(tǒng)相關(guān)工藝參數(shù)的變化以及池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥實際開度與儀表閥位反饋值偏差較大的特征相結(jié)合,綜合分析可判斷出池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥是否出現(xiàn)了故障。

      4 池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥故障原因分析

      (1)儀表空氣壓力異常。池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥為氣動調(diào)節(jié)閥,儀表空氣壓力要保持在0.65~0.75MPa且穩(wěn)定,才能保證調(diào)節(jié)閥工作正常。在原因查找過程中發(fā)現(xiàn),當(dāng)池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥出現(xiàn)故障時,若空氣壓縮機工況異常,儀表空氣壓力頻繁波動,會造成調(diào)節(jié)閥動作遲鈍、緩慢或動作幅度較大;同時,檢查現(xiàn)場儀表空氣管線還發(fā)現(xiàn)儀表空氣的活接頭、閥門等部件密封性能較差,有漏氣泄壓現(xiàn)象,現(xiàn)場儀表空氣壓力表示數(shù)為0.32~0.40MPa。

      (2)閥門定位器工作不正常。池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥帶有閥門定位器,定位器前儀表空氣管線上安裝有空氣過濾減壓閥,其作為一種氣動薄膜調(diào)節(jié)壓力的輔助裝置,內(nèi)部主要由主閥和導(dǎo)閥組成,通過這兩部分的相互作用來調(diào)節(jié)彈簧壓力,從而實現(xiàn)氣體減壓和穩(wěn)壓的功能。但由于工藝管線中流動的介質(zhì)為尿液、甲銨液等,這些介質(zhì)具有強腐蝕性和易結(jié)晶的特點,長時間運行會因閥門密封不良而導(dǎo)致少量工藝介質(zhì)外漏,在空氣濾網(wǎng)上形成結(jié)晶,長時間的積累導(dǎo)致大部分濾網(wǎng)被完全堵死,儀表空氣無法過濾減壓,繼而影響閥門定位器的正常工作,最終因儀表空氣中斷而致調(diào)節(jié)閥發(fā)生故障(全關(guān))。

      (3)調(diào)節(jié)閥部分附件腐蝕老化。池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥自投用以來沒有進行過拆卸檢查,長時間的工作加上調(diào)節(jié)閥所控制的介質(zhì)具有強腐蝕性和沖刷性,必然對調(diào)節(jié)閥附件和部分結(jié)構(gòu)造成影響。直至2019年尿素裝置大修期間,拆檢池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥發(fā)現(xiàn),閥芯、閥座、膜片及O型圈均發(fā)生了不同程度的損壞,閥芯因沖刷腐蝕而產(chǎn)生嚴(yán)重磨損,閥座因尿液、甲銨液滲入固定閥座用的螺紋內(nèi)表面造成腐蝕而松弛;期間對池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥的閥座端面進行了打磨處理,閥芯由于腐蝕較嚴(yán)重,更換了新的閥芯,同時還更換了密封潤滑脂。

      5 池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥故障處理及維護保養(yǎng)

      5.1 故障處理

      池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥出現(xiàn)故障后,必然出現(xiàn)閥門異常關(guān)小甚至全關(guān)或者開大甚至全開的情況,不同的情況處理方式有所不同:若池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥出現(xiàn)全開,封塔停車的風(fēng)險很大,往往只有封塔才能處理好;若池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥出現(xiàn)全關(guān),可通過系統(tǒng)大幅減負荷等手段進行調(diào)整,有一定的調(diào)整余地;若池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥只是關(guān)小或開大,并沒有全關(guān)或全開,可根據(jù)相關(guān)調(diào)節(jié)閥閥位與生產(chǎn)負荷一定程度上的線性對應(yīng)關(guān)系(見表2)進行手動操作。

      表2 生產(chǎn)負荷與相關(guān)調(diào)節(jié)閥閥位線性對應(yīng)關(guān)系

      表2給出的經(jīng)驗操作閥位具有一定的參考意義,但并不絕對準(zhǔn)確,僅供參考,具體操作中要結(jié)合工藝參數(shù)的變化作出及時的調(diào)整。正常生產(chǎn)中,如果判斷出池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥出現(xiàn)故障,應(yīng)立即將池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥打到手控模式,并調(diào)節(jié)到對應(yīng)負荷閥位后進行微調(diào),將池式反應(yīng)器氣相溫度控制在177~179℃、下液溫度控制在185~187℃,調(diào)整時避免大幅操作,每次微調(diào)閥位0.5%并觀察,觀察到上述2個溫度點溫度在上升表明液位在上漲,此時應(yīng)將池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥閥位開大控制液位的上漲,反之則關(guān)小閥門。同時,結(jié)合CO2汽提塔相關(guān)工藝參數(shù)進行調(diào)整,如果CO2汽提塔下液溫度高于173℃,表明CO2汽提塔液位較高,也就間接反映出池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥開度過大;若CO2汽提塔出液溫度低于165℃且低壓循環(huán)系統(tǒng)壓力突升,表明CO2汽提塔空液且CO2竄入了低壓循環(huán)系統(tǒng),也就間接反映出池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥開度過小,此時要立即全開池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥建立液封,但全開時間不能過長——一般池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥全開10~20s,然后就需要調(diào)整其閥位與生產(chǎn)負荷相匹配,以防CO2汽提塔滿液。此外,要密切關(guān)注高壓系統(tǒng)的氨碳比和水碳比,指標(biāo)出現(xiàn)偏差要及時調(diào)整,避免系統(tǒng)組分失調(diào)。在維持系統(tǒng)穩(wěn)定運行的同時,利用高壓沖洗水泵出口壓力高于高壓系統(tǒng)壓力3.0MPa的工況條件,將高壓沖洗水打到池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥閥前,利用高壓沖洗水泵的高壓頭,在短時間稀釋尿液的同時對調(diào)節(jié)閥進行沖洗,將調(diào)節(jié)閥閥芯和閥體內(nèi)的結(jié)晶沖洗掉,消除調(diào)節(jié)閥卡澀帶來的影響。

      當(dāng)判斷出池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥故障是因儀表空氣異常所致,要檢查確認儀表空氣壓力異常的原因并進行相應(yīng)的處理:若是空氣管線漏氣,要在最短的時間內(nèi)處理好;若是接頭有漏點,一定要選擇如聚四氟乙烯的膠帶進行接口螺紋的密封,其他儀表元件一并檢查確認;若是空氣減壓閥濾網(wǎng)堵塞,重新更換通透性優(yōu)良的濾網(wǎng)。需注意的是,儀表人員檢查處理調(diào)節(jié)閥故障時,一定要快速、有效,否則會給整個系統(tǒng)帶來不可挽回的損失。

      5.2 維護保養(yǎng)

      要保障池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥的良好運行,其維護保養(yǎng)也很關(guān)鍵。維護保養(yǎng)一定要精心、嚴(yán)謹,以使其使用壽命和啟閉可靠性得到保證。具體做法為:①閥桿螺紋經(jīng)常與閥桿螺母摩擦,要涂一點黃甘油、二硫化鉬或石墨粉,起潤滑作用;②注意保持調(diào)節(jié)閥的清潔,對閥桿加保護套,以防雨、雪、塵土、銹污;③經(jīng)常檢查并保證調(diào)節(jié)閥及相關(guān)部件的完好性;④保證調(diào)節(jié)閥固定螺母不會脫落,否則會因閥桿等部件發(fā)生過多磨損而影響調(diào)節(jié)閥的可靠性和可開啟性;⑤閥桿,特別是螺紋部分,要經(jīng)常擦拭,已經(jīng)被塵土污染的潤滑脂要及時更換,因為塵土中含有硬雜物,容易磨損螺紋和閥桿表面,影響調(diào)節(jié)閥的使用壽命。

      6 結(jié)束語

      池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥作為斯塔米卡邦2000+TM工藝尿素裝置中的重要調(diào)節(jié)閥之一,其重要性不言而喻,但其在生產(chǎn)過程中難免會發(fā)生各種故障,因此,生產(chǎn)操作中及時準(zhǔn)確地判斷出池式反應(yīng)器液位調(diào)節(jié)閥故障原因并采取相應(yīng)的處理措施及維護保養(yǎng)良好非常重要,以最大程度地降低事故發(fā)生的可能性,確保尿素裝置的安全、穩(wěn)定、長周期運行。

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