加氢装置热高压分离器底出口调节阀的选型.pdf

第 4 7卷第 4期 2 0 1 1年 8月 石油化工 自 动化 AUT0M AT1 0N I N PETR CHEM I CAL I NDUSTRY Vo 1 ． 4 7，No ． 4 A u gu s t ，2 01 1 加氢装置热高压分离器底 出 口 调节 阀的选型 曹 锐 中国石化工程建设公 司， 北京1 0 0 1 0 1 摘要 介绍了4 0 0 k t ／ a 基础油加氢装置的热高分液位控制方案， 结合加氢装置热高压分离器底出口的严苛工况， 从调节 阀的种类， 调节阀材质的抗腐蚀性 选择 ， 以及如何避免严重的闪蒸和气蚀现象等多方面， 讨论调节阀的选型问题 。 关 键 词 热高压分离器； 调节 阀； 液位变送器 ； 汽化率 中图分类号 T H1 3 8 ． 5 2 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 7 7 3 2 4 2 0 1 1 0 4 - 0 0 5 6 - 0 4 S e l e c t i o n o f Bo t t o m Co nt r o l Va l v e a t t h e 0u t l e t o f Ho t Hi g h Pr e s s u r e S e pa r a t o r i n Hy dr o g e na t i o n Un i t Ca 0 Rui S i n o p e c E n g i n e e r i n g I n c o r p o r a t i o n，Be i j i n g，1 0 0 1 0 1 ，C h i n a Ab s t r a c t Th e l e v e l c o n t r o l s c h e me o f h o t h i g h p r e s s u r e s e p a r a t o r i n 4 0 0 k t ／ a b a s e o i l h y d r o g e n a t i o n u n i t i s i nt r o d uc e d ． Co m b i ni ng t h e s e v e r e o p e r a t i o n c o nd i t i on o f t he ou t l e t a t t h e b o t t o m o f t he h o t h i g h p r e s s ur e s e p a r a t o r o f t he h y dr o g e n a t i on u n i t ，s e l e c t i on of t he c o n t r ol va l ve t y pe i s d i s c u s s e d f r o m t he p oi nt o f v a r i e t y，a n t i c or r os i o n s e l e c t i o n o f t he va l v e ma t e r i a l ，a nd h o w t o a vo i d s e r i o us p r o b l e m o f f l a s h v a p o r i z a t i on a nd c a vi t a t i on s e t c ． Ke y wo r d s h o t h i g h pr e s s ur e s e p a r a t o r； c o nt r ol v a l v e；l e v e l t r a ns mi t t e r ；r a t e o f g a s i f i c a t i o n O 引 言 高压加氢装置中常采用热高分设备 ， 具有工艺 过 程复杂 ， 在高温 、 高压及 临氢状态 下操作 ， 部分介 质 具有腐 蚀性 ， 且 具 有 可燃 易爆 ， 装 置 的运 行 周期 长 等特点 ， 因此 自控 设备 的选型应 满足工艺 流程和 操作的要求 ， 并且严格符合防爆、 防腐及控制要求。 众所 周知 ， 在 工业 自动控 制过 程 中， 调节 阀起 着 至 关重要的作用。控制效果的好坏， 调节阀工作寿命 的长短 ， 主要取 决于调 节阀 的选型是 否合适 。合适 的选型可 达到 良好 的控制 效果并 提高生 产效率 ； 同 时还可 为装置 的安全平稳 运行 提供保 障 。 该 文结合 惠州石 化分 公 司 4 0 0 k t ／ a基 础油 加 氢装 置的热 高分 液位控 制方 案 ， 针对热 高压分离 器 底 出 口的严苛 工况 ， 重 点介绍 热高分 液位控制 回路 中调 节阀在选 型过程 中遇 到的问题 ， 以及采取 的相 应措 施 。 1 热高分 液位控 制方案 如图 1 所 示 ， 热 高压分离 器液位设 3 套 液位变 送器 ， 其中 2 套液位变送器可互为切换作为液位调 节 器输入 。为 了确保 装置 安全 ， 热 高压分离 器至热 低压 分离器 液位调节 阀设 双套调节 阀 。 3 套 液位变 送 器 中 2套 变 送 器 液 位 同 时低 低 时 自动联锁 相应 的 电磁 阀 ， 电磁 阀 防空 口打 开 ， 导 致 调节 阀气 动输 入 信 号 为 零 ， 联 锁 关 闭相 应 调 节 阀 ， 以达到 防止高压 介质 串入 低压 系统 的 目的 。联 锁解 除后液位 调节 阀 要求 能在 较 短 的 时间 内 由全 关状态 迅速恢 复到调节 状态 ， 以防止 出现液位 上涨 过高 的现象 。 2严 苛工况 热高压分离器底出口调节阀工况严苛 ， 其阀出 口温度 2 2 1℃， 气体汽化率为 0 ． 9 1 ％， 气体分子量 为 1 O ． 5 ， 气 体 密度 为 3 ． 8 8 k g ／ m ， 液 体密 度 为 7 0 5 ． 4 k g ／ m 。正常情况下 阀 出 口汽化气 体流量 为 4 3 0 k g ／ h 。 热 高压分离 器底 出 口调节 阀工况 特 点 a 高 压差 ； b 介质为精 制反应 器出 口反 应产 物 ， 具有黏 稠易堵 特点 ； c 介质 中含 有 大量 气体 ， 如 H ， H S 收 稿 日期 2 0 1 1 0 4 0 7 。 作者简介曹锐 1 9 7 9 一 ， 女 ， 2 0 0 5年毕业于北京化工大学 自动化专业 ， 硕士学位 ， 现工作于中国石化工程建设公司仪表 自控 室 ， 从事石油化工 自动化工程设计工作 ， 任工程师 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4期 曹 锐．加氢装置热高压分离器底出 口调节阀的选型 以及 小分 子 的碳 氢 化 合 物 ， 阀前 主要 为液 态 ， 阀后 为气 液混 合状 态 ， 易产 生 闪蒸 和气蚀 ； d 介 质 中含 有大 量 H s ， 具有 强腐蚀 性 ； e 高 温 、 高 压 。 由 此 可 见 ， 热 压 分 离 器 底 出 口工 艺介 质 为赃 污 、 黏 稠 介 质 ， 调 节 阀 工 作 过 程 中 ， 极 易 出 现 堵 塞 、 气蚀 等 现 象 ， 且 又 为 高 温 、 高 压 差 的工 况 。如 此 苛 刻 工况 下 的 调 节 阀选 型 就 显 得 尤 为 重 要 ， 为 确 保 实 现控 制 回路 的 正 常 调 节 控 制 ， 以及 装 置 安 全 平 稳 的 长期运 行 ， 对 调 节 阀的 选 型提 出 了较 高 的要 求 。 图 1 热 高压 分 离器液位 控 制 3 选型原 则 3 ． 1 结构 形式 3 ． 1 ． 1 球 形 阀 a 直通 式单 座 阀 。结 构 简单 ， 关 闭较 严密 ， 应 用范 围广 ， 但 阀芯所 受不平 衡力 较大 ， 宜 用于 中 、 小 口径 的阀门 。 b 直通 式 双 座 阀。 阀芯 所 受 不 平 衡 力 小 ， 比 单 阀座 阀体 有 更大 的流通 能力 ， 但 双座 阀受加 工限 制 ， 上 、 下 两个 阀芯不 易保 证 同时关 闭 ， 所 以关 闭时 泄漏 量较 大 ， 尤 其在 高温 、 低温 的场 合 ， 因材料 的热 膨 胀不 同 ， 更 易引起较 严 重 的泄 漏 。此外 阀体 流路 复杂 ， 不 适用 于高黏 度 和含纤 维介 质 的调 节 。 C 角 阀 。除 用 在 要 求 管 道 成 直 角 安 装 的 场 所 ， 角 阀 内部 的流线 形通 道可 以 防止 固体 颗粒 在 阀 内聚积 ， 宜用 在 高黏 度 、 含 有 悬 浮物 和 颗 粒状 物 质 的流 体 ， 可 以避 免结 焦 、 堵 塞 ， 也便 于 白净 和清 洁 ， 角 阀因为通 常有 较高 的压力恢 复 系数 ， 在 高差 压工 况 下 可减少 气蚀 的产 生 。有 些 角 阀 的 出 口可 做 成 扩 散式 ， 可减 少高 速流体 冲刷 的影 响 。 3． 1 ． 2蝶 阀 结 构简 单 ， 流 通 能 力 大 ， 宜 用 在 中低 压 、 低 差 压 、 大 口径 、 大 流 量 、 对 流 量 特 性 要 求 不 严 格 的 场 所 ， 但 蝶 阀的压 力恢 复 系 数低 ， 在使 用 中应 注意 避 免气蚀 和 闪蒸现 象的 发生 。 3． 1 ． 3偏心 旋转 阀 结构 紧凑 ， 阀体流 路简单 ， 阻力小 ， 宜用 于流通 能力 大 ， 可 调 比宽 的气 体 、 蒸 汽 、 液 体介 质 ， 大差 压 、 大 口径和 高黏度 的场所 ， 尤其 适 于控制 泥浆等 高黏 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 8 石 油 化 工 自动 化 第 4 7卷 度 、 带 固体颗 粒 的介质 。但 其抗 气 蚀能 力 、 降噪 音 能力 和允许压差 低于单 、 双座 直通 。 3 ． 1 ． 4 球阀 a 0形球 阀 。密封 性 能好 ， 可做 到全通 径 ， 流 通能力 大 ， 可 用 于 高 黏 度 、 带 纤 维 、 细 颗 粒 介 质 场所 。 b V 形球 阀。是 在 。 形 球 阀基 础 上 发展 起 来 ， 因 v形 口与 阀座之 间有 剪切 作用 ， 可 切断 纤维 状 的流 体 ， 如纸 浆 、 纤 维 、 含颗 粒 的介 质 ， 密封 性能 好 ， 流通能 力大 ， 可 调 比宽 ， 调节性 能优 良。 但是球 阀的压力 恢复 系数低 ， 在高差压 的应用 中应 注意避 免气蚀 和闪蒸 现象 的发 生 。 3 ． 1 ． 5 闸 阀 流体 阻力 小 ， 密封 面受 冲击侵蚀 小 ， 不扰 流 ， 压 降小 ， 结构 长 度短 ， 适 用 的温度 、 压 力 范 围广 ， 但 不 适用 于大差压 或脏污 及带有 固体颗粒 的场合 。 3 ． 1 ． 6 隔膜 阀 流 道阻力小 ， 流 通能 力 大 ， 无填 料 ， 无 外 漏 ， 切 断性能好 ， 宜用 于高黏度 ， 强酸 、 强碱 、 强腐 蚀 、 含悬 浮颗粒 和带纤维 介质 的流体 ， 同时对流量 特性要 求 不严 的场 所 。但 因受耐 磨衬 里 的 限制 ， 耐温 、 耐压 性 能较 差 ， 使 用 温度 应低 于 1 5 0℃ ， 工作 压力 小 于 1 ． 0 M Pa。 根据 不同形 式调节 阀的使用 特性 ， 该项 目在热 高 分底 出 口采用角 阀调节 阀 ， 来适 应黏稠 不洁介质 等 问题 。除 了调 节 阀的结 构 形 式必 须 满足 工 艺介 质 特性 、 温度 、 压力 、 泄漏 量等 的基 本 要求 以外 ， 还 应 注意调节 阀材质 的选择需 根据工 艺介质 的温度 、 压力 、 腐蚀性 等要求来 进行 。 3 ． 2 调节 阀材 质 调 节 阀阀体 、 阀盖 、 填料 、 法兰及 阀 内件 的材质 必须能够承受工艺介质的腐蚀 ， 并且不应低于工艺 管道等 级表 的材料 规 格 。所有 材 料应 根 据使 用 条 件和制造 规范 选用 ， 并 应 符 合 AS T M 有关 材 料 的 规定 。 该项 目中， 流体 介质含 有 H 应 采用 双密 封 填 料 。含有 H S介质 ， 调 节阀 阀体 、 阀盖 、 填料 、 法 兰 及 阀 内件 的 材质 应 符合 NAC E MR 0 1 7 5标 准 ， 还 须 满 足 a 必 须 是 镇 静 钢 ； b 屈 服 强 度 小 于 3 4 5 MP a ； c 碳 当量 C E 0 ． 4 2 ％； d 硫 质 量分 数 不大 于 0 ． 0 2 ， 磷 质 量 分数 不 大 于 0 ． 0 3 ； e 如 需焊接 则焊后 应进行 消除应力 热处理 ， 且焊缝及 其 热影响 区 的硬 度不超过 母材 的 1 2 0 。 调 节阀 阀芯材质应 按工艺 条件选择 ， 在可能 发 生磨损 、 空化或 闪蒸 的场合 ， 必 须采 用 相应 的材 质 和处理方 法 。在发 生气蚀 的场合 ， 应采用 防气蚀 阀 门结构 。 3． 3闪蒸和气蚀 3． 3． 1 产 生原理 致使 高压 阀使用 寿命 短 的原 因 主要 为 闪蒸 和 气蚀 。 汽蚀是介质在液体的压力和温度达到临界值 时产 生 的一种 破 坏 形 式 ， 分 为 闪蒸 和空 化 两 个 阶 段 。闪蒸是 阀后压 力 在达 到 低 于该 流 体所 在情 况 下的饱和蒸汽压力 ， 部分流体 汽化成气体产生气 泡 ， 形成气液 两相共存 现象 ， 称 为闪蒸 阶段 ， 可见它 是一种系统现象。而当阀门中液体的下游压力又 回升 ， 且高于饱和压力时， 升高的压力压缩气泡， 使 之突然破裂 ， 称为空化阶段。在空化过程 中饱和气 泡不再存 在 ， 而是迅速爆 破变 回液态 。汽蚀 过程 中 气泡破裂 时所 有的能量集 中在 破裂 点上 ， 产 生几 千 牛顿 的冲击力 ， 大大超 过了大部分 金属材 料 的疲 劳 破 坏极 限 。同时气 蚀过程 中， 空化 时气泡破 裂释放 出巨大的能量， 并对 阀门内部及相邻近的管道结构 造 成破坏 。 对 阀 门 内部 实 际 发 生 的 现 象 的 了 解 会 有 助 于选择 一个 能 够 消 除或 减 少 气 蚀 和 闪 蒸 的 阀 门 。 随着 液体通 过 缩 径 ， 流 束 会 变 细 或 收缩 。流 束 的 最小横断面 出现 在实际缩径 的下 游称为缩 流断 面的点处 ， 如图 2所示。前面关于气蚀 的描述可 以理解为当缩流断 面处的压力小 于饱 和蒸 汽压 P 。 且 P 大于 一 时是如何产生气蚀 的， 如 图 3 所 示 ； 另一 方 面 ， 事 实 上 该 项 目 中 热 高 分 液 中还 含有 大量 气 体 ， 流体 进 入 调 节 阀 后 ， 会 在 缩 流 断 面处 的压 力 下 降 由 于该 点 处 流 速增 加 ， 气体 就 会在流束 中析出 ， 形 成大量气泡 ， 如果 下游压力 恢 复后 ， 气泡就会破裂 或 向内爆 炸 ， 从 而产生较 为严 重 的气蚀 现 象 。 流向 一 图 2 缩流断 面示意 图 3 气蚀发 生 的情况 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4期 曹锐 ．加 氢 装 置 热 高 压 分 离 器 底 出 口调 节 阀 的选 型 5 9 就调节 阀而 言 ， 不 论是气 蚀 还是 闪蒸都 会造成 相应 的损 害 。 a 材质的损坏 。由于气泡破裂会产生极大的 冲击 力 ， 足 以严 重地 冲击 损 伤 阀座 、 阀芯 、 阀体 ， 尤 其在 高压差 的情 况 下 ， 就 连极 硬 的 阀芯 、 阀座 也 只 能使 用很短 的时 问 。 b 振 动 。气 蚀 和 闪 蒸 还带 来 阀 芯 的振 动 ， 这 种 振 动包括垂 直振 动和 水平振 动 ， 它们分 别来 自流 体对 阀芯 的垂 直撞 击与 水平撞 击 ， 其结果 造成 机械 磨 损 和破坏 ， 使调 节 阀控 制不 可 靠 ， 甚 至 于 造成 阀 芯阀座 变形 ， 阀杆折 断 。 c 噪声 。包 括 阀芯 振 动 造 成 的 噪 声 、 气 蚀 造 成 的 噪声 ， 高 速气体 造成 的气 体动 力噪声 。 4． 3 ． 2解决 办法 a 采 用分级 降压 、 多级 减 压 的特殊 阀 内件 ， 合 理分 配压 降 ， 各级压 降都 小于 发生气 蚀 的最小 压差 临界压差 ， 合理设计阀体的流体通道， 尽量避免 流体垂直冲击阀体内件及 内腔 。 b 采 用 扩 大 阀 门 出 口的 方 法 ，控 制 介 质 流 速 ， 使 流 速减 慢 ， 从 而 降低 冲 刷速 度 。另 外 流道 面 积 的扩大 ， 也 给气体迅 速 流 出留下足 够 的空 间 。 c 采 用 经硬 化 处 理 的 阀 内件 ， 以提 高 阀 内组 件 的表 面硬度 。 该项 目对于高差压 的液体介质 ， 根据介质特 性 选 用 抗 气 蚀 内 件 结 构 的 高 压 角 型 调 节 阀 。气 蚀 较 严重 的情况 采 用 多段 降压 式 的 阀芯 ， 但 由于 介 质 黏稠 易 堵 ， 不 应 采 用 迷 宫 式 内件 结 构 的高 压 调 节 阀 。 4 结束 语 实践 证 明 ， 热 高压分 离器底 出 口调节 阀采用 多 级 降压式 高压 角 阀 ， 能够克 服热 高压分 离器底 出 口 严苛 工况 带来 的 多种 问题 ， 调 节效 果 稳 定 可靠 ， 使 用寿 命较 长 ， 确 保 了装 置 安 全平 稳 的运 行 ， 在 当今 石油 化工行 业加 氢装 置 中得 到 了广泛 的应用 。 参考文献 [1 ] 何小涛． 采油 平 台 调 节 阀 的 选 型 及安 装 [ J ] ．中 国 造 船， 2 0 0 8， 4 9 2 1 0 41 0 9 ． [ 2] 金莉． 控制阀的气 蚀 与闪蒸 [ J ] ． 石油 化工 自动化 ， 2 0 0 6 ， 2 9 7 ． [3 ] 魏永霞 ， 张巨飚． 气 蚀与 闪蒸 条件下 的 调节 阀 防失效 探讨 [ J ] ． 科技 资讯 ， 2 0 0 8 ， 2 4 3 6 3 7 ． [ 4] 陆德 民， 张振基 ， 黄步余 ． 石油化工 自动控制 设计 手册[ M] ． 3版． 北京 化学工业出版社 ， 2 0 0 0 ． [5 ] 谢云 山， 刘建领 ， 赵忠荣． 调节 阀的选 型设 计要点 [ J ] ． 自动 化与仪器仪表 ， 2 0 0 8 ， 5 5 3 5 4 ． [ 6] 孙俊华 ， 张志军． 调节 阀空化损坏分析及 解决方案 E J ] ． 炼油 与 化 工 ， 2 0 0 7， 4 5 15 2 ． [ 7] 何世权 ， 李斌 ， 沈江 ， 等． 角式调节阀流量 特性的数值模 拟及分析E J ] ． 化工机械， 2 0 0 8 ， 5 2 9 1 2 9 5 ． [8] 王森 ， 纪纲． 仪表常 用数据 手册[ M3 ． 2版． 北京 化学 工 业 出版 社 ， 2 0 0 6 ． [ 9] 顾文卿． 调节阀的选 型设计实用手 册[ M] ． 北京 北方工业 出版社 ， 2 0 0 8 ． [ 1 o 3 陆培文 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