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程控阀在PSA工艺上的应用与改进

2019-8-15 14:05| 发布者: 永一安全阀| 查看: 1785| 评论: 0

变压吸附(PressureSwingAdsorption,PSA)这种新型的气体吸附分离技术目前已成为现代大型煤化工的一种生产工艺。在工业变压吸附制氢工艺中,吸附剂在常温和较高压力下,将混合气体中易吸附的组分吸附,不易吸附的组分从床层的一端流出,然后降低吸附剂床层的压力,使被吸附的组分脱附出来,从床层的另一端排出,从而实现气体的分离与净化,同时也使吸附剂得到了再生。

这种复杂的工艺对自动化控制提出了很高的要求,程控阀门的应用显得尤为重要,特别是程控阀门的工作特性直接影响到产品的性能。神华宁煤烯烃项目采用变压吸附六塔工艺制取高纯氢气是具有代表性的自动化工艺流程,由西门子PLC系统实现集中监测与程序控制,其中44台程控阀起到了核心作用。

1 程控阀在PSA工艺中的应用

1.1 PSA工艺对程控阀的要求

在PSA生产过程中要求周期性地切换开关阀门,动作频繁(每天上百次甚至上千次)且阀门数量多,切换时间也有严格要求,人工操作阀门是无法实现的,必须采用控制系统执行程序来调节程控阀实现工艺操作。由于PSA装置工艺介质多为氢气等易燃、易爆气体,为保障装置安全长周期稳定可靠运行,就对程控阀门的性能提出了一些特殊的要求:密封性能要好,周期频繁开关阀门而保持阀门不外漏也不内漏,以保证装置安全和产品质量;阀门的开关速度要快,因阀门通径不同,开启和关闭的时间会不同,但其开关时间应小于3s,以保证顺控程序的执行和产品气的质量;要具备双向耐压性和抗髙速气流冲刷性能;根据工艺要求,程控阀门不但要实现开关功能还要有现场阀位指示,并对输人、输出信号不一致进行报警。

1.2 程控阀在PSA装置中的作用

宁煤烯烃项目PSA装置是一套自动化程度较高的装置,工艺操作全部按照程序顺序执行,工艺人员仅需按下PSA装置运行按钮,完全实现一键开车。该装置共由6台吸附塔组成,其中一台始终处于吸附状态,其余5台处于再生的不同阶段。吸附塔的整个吸附与再生过程都是通过44台程控阀门按一定的工艺步序和顺序进行开关来实现的。每一个吸附塔都必须经历吸附、一~三均降、顺放、逆放、冲洗、三~一均升、产品氢终升共11个工艺步序,这些工艺步骤正是通过程控阀的开关来完成的,程控阀就如同装置的心脏,频繁、稳定、顺序地开启关闭,以保证顺控程序的顺利运行以及合格产品连续稳定的产出。

2 程控阀工作原理

PSA装置的吸附与分离过程都是依赖程控阀门顺序的开关来实现的,因而程控阀门的开关控制是PSA装置最重要的控制部分。程控阀开关控制过程典型示意图如图1所示。

图1 程控阀开关控制过程典型示意图

程控阀开关的控制过程说明:根据工艺要求在PLC系统编制出一套顺控程序,然后按一定的时间顺序将24V(DC)的DO信号送至电磁阀,电磁阀驱动仪表风,送至程控阀的执行机构,驱动程控阀门按程序开、关。同时,程控阀门将其开、关状态通过阀位开关反馈给PLC系统,用于状态显示和监控,并通过输入与输出信号的对比实现阀门故障的判断与报警。

3 程控阀门常见故障

3.1 程控阀外漏

程控阀外漏包括填料处泄漏和球阀阀体泄漏,填料处发生泄漏时需要紧固填料,要均匀拧紧各螺栓;若填料已紧固到底,需将阀门交出更换填料。而当球阀阀体出现泄漏时,由于阀门结构为中分式,左右体的结合面处密封圈为分段式,密封圏具有不完整性,需要更换阀体密封组件。

3.2 系统显示阀门故障报警

系统显示阀门故障报警的情况有4种:阀位反馈开关错位、反馈回路安全栅坏、电磁阀失电或卡死,输出与输人不相符和气源压力不够,阀门动作不到位。阀位反馈开关错位是由于反馈连杆产生偏移,或反馈开关故障造成的,校正反馈杆位置,并紧固或更换反馈开关即可解决该问题。反馈回路安全栅坏时,需更换DI安全栅。电磁阀失电或卡死,输出与输人不相符时,需要检査电磁阀失电原因,若回路无供电更换DO回路端子保险管,或检査线路有无虚接,若线圈烧坏,需更换电磁阀线圈;检查卡浬部位,疏通。气源压力不够,阀门动作不到位造成时,需要检查气路和过滤减压阀后压力,排除漏点。

3.3 程控阀内漏

平衡密封环0形圏或软阀座损坏造成的内漏,需更换0形圈或阀座。检修或安装过程中管道中存在杂质(如焊渣、催化剂等),这些杂质会随工艺介质进入阀门,导致密封面损坏。因此,需要研磨密封面,并将管道清理干净后安装阀门。

3.4 阀门开关不灵活

阀门开关不灵活会造成开关超时或不到位,气缸齿轮齿条机构磨损需更换气缸齿轮齿条机构;轴密封损坏需更换密封填料;仪表风系统压力低需适当提高仪表风压力,但不能超过气缸允许范围;密封氮气压力高需适当降低密封氮气压力。PSA装置最大的危险来自爆炸性气体和有毒气体(如H2、CH4、C0及烃类)的泄漏、火灾与爆炸。因此,该装置中各部件的密封性是装置设计和运行中最重要的问题。该项目PSA装置运行一年来,出现最多的故障就是阀门外漏,32台球阀都不同程度出现填料和阀体泄漏情况,导致高纯氢气泄漏严重,影响和制约着现场安全生产。

4 程控球阀的改造

程控球阀原结构为中分球阀,由于结构设计不当,密封件互相磨擦,在运行3个月后,32台球阀都不同程度出现了左、右阀体结合面处及填料泄漏等问题,每天要进行5次左右的填料紧固,1/3阀门填料已没有紧固余量,导致高纯氢气泄漏严重,严重影响和制约现场安全生产,更换所有球阀填料及阀体密封圈后短期内泄漏程度减轻。但随着天气转冷,32台球阀的又大面积出现泄漏,泄漏的部位仍然是填料部分和阀体结合面处,每天填料要紧固5次以上。由于是高纯氢气泄漏,致使周围环境可燃气体超标,现场试漏和紧固填料十分危险,稍有不慎将造成爆炸危险。在更换填料和阀体密封组件过程中,需将阀门所在系列的吸收塔切出,切塔过程中要严密监视氢气的纯度,氢气不合格将对后序PP装置造成停车风险,这就给操作上带来了很大难度。再加上现场安装空间狭小,更换填料和密封组件须将阀体下线,操作难度很大,拆一台阀门两人需3h,更换一个系列5台球阀需两天,这两天内其他系列阀门不能出现问题,如出现问题可能导致氢气不合格。针对这一情况,笔者提出从阀门密封结构上着手,对此类阀门进行了改造试验。

原阀门(中分球阀)结构如图2所示,改进后的阀门(偏分球阀)如图3所示。两种结构均为固定球式球阀结构。新阀为固定球两半式偏分球阀,改善了中分式球阀那种分离式的中封和填料结构,从结构上保证了阀门的密封。

图2 中分球阀结构

图3 偏分球阀结构

具体改进说明如下:

a.原有阀门结构为中分式,为了绕过阀门轴,左右体结合面处的密封圈为分段式,通过结合面密封圈过渡到填料段组合,共同作用达到中缝密封,由于密封圈不完整,接缝处容易出现泄漏现象。改进后,结合面处的密封圈为整圈,更容易密封。

b.由于中分球阀的填料函是左右阀体的结合面,不完整,加之无法添加辅助密封,因此容易泄漏。改进后,填料装在填料箱内,接触面无接缝,从而密封更可靠,且容易更换填料。

c.中分球阀的轴端只有填料一道密封。改进后,在支承段内设置了一套辅助密封,增加了密封的可靠性和寿命;在下轴端完全为静密封,避免了下轴端泄漏的可能。

d.中分球阀的结构为填料内置式,适合介质含有大量颗粒、粉尘的工况。改进后,PSA工艺介质比较清洁,采用传统结构,更方便可靠。

e.中分球阀的左右阀体通过定位销配作,左右阀体组合,不具有互换性。改进后,左右阀体独立加工成型,具有良好的互换性。

f.中分球阀的阀门球体上下位置通过修磨调整垫调节,不方便调中。改进后,在下部阀门轴加上了调节螺钉并锁紧,便于球体对中调节。

g.中分球阀球体与阀杆采用一体设计,球面加工比较困难,不易保证球面精度。改进后,阀杆与球体分离,易获得球面较高的精度与光洁度。

5 结束语

笔者提出的新结构的高频球阀从根本上解决了阀门外漏的情况,自大检修期间将改造后的32台程控球阀安装后,装置运行半年来,开启关闭30000余次,从未出现过填料或是阀体结合面处泄漏的情况,从根本上解决了阀门外漏的难题,消除了有毒气体(如H2、CH
4、CO及烃类)的泄漏、火灾与爆炸的隐患,为装置的长期稳定运行奠定了基础。

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