變壓吸附單元程控閥應用探討

孫震

(中國石化長城能源化工(貴州)有限公司，貴州 貴陽 550081)

采用變壓吸附(PSA)進行氣體分離的工藝原理是依靠吸附劑在物理吸附過程中所具有的兩個基本性質： 一是對不同組分的吸附能力不同，可實現對混合氣體中某些組分的優先吸附而使其他組分得以提純；二是吸附質在吸附劑上的吸附容量隨吸附質的分壓上升而增加，隨吸附溫度的上升而下降?？蓪崿F吸附劑在低溫、高壓下吸附而在高溫、低壓下解吸再生，達到吸附劑的吸附與再生循環，進而達到連續分離氣體的目的。

1 工藝流程

在某煤氣化制甲醇工藝裝置中，來自煤氣化裝置的合成氣為原料，經過合成氣壓縮、甲醇合成、甲醇精餾等主要工藝單元生產合格的MTO級甲醇供下游烯烴裝置使用。而為提高氫氣利用率，甲醇合成裝置設置膜分離和PSA單元。馳放氣首先經過膜分離，初步分離出富氫氣與新鮮合成氣混合返回合成氣壓縮機入口；非滲透氣則通過下游的PSA制取高純度的氫氣。

1.1 工藝流程說明

PSA采用“10-1-5P”工藝流程，即10個吸附塔，1塔吸附5次均壓模式。10個吸附塔交替進行吸附、再生操作，實現氣體的連續分離、提純和吸附劑再生。

在PSA-H2系統中，任一時刻總有1個吸附塔處于吸附步驟，由吸附塔下部入口端通入原料，在頂部出口獲得產品氫氣，送往后續工段。吸附塔所有的壓力均衡降都是用于其他吸附塔的壓力均衡升以充分回收再生吸附塔中的氫氣。逆放步驟排出了吸附塔中吸留的大部分雜質組分，剩余的雜質通過沖洗步驟徹底解吸。

每個吸附塔在不同時間依次經歷吸附、5次壓力均衡降、順放過程、逆向過程、沖洗、5次壓力均衡升和最終升壓等步驟，整個程序完成后即實現了一個完整的“吸附-再生”循環。PSA工藝流程流程如圖1所示。

圖1 PSA單元工藝流程示意

1.2 控制系統特點

PSA單元具有控制閥門多，閥門切換時間短且動作頻繁，自動化程度要求較高等特點，因此大都采用常規的回路控制、順序控制、自適應優化控制和專家故障診斷等多種控制方案并存的方案。

自適應控制軟件可根據變化中的工藝條件進行預估，隨工藝狀況的改變，自動生成控制操作曲線，按該曲線自動控制PSA單元的均壓、逆放、抽空、充壓過程。該軟件也可根據裝置進料量的大小、原料氣組成、壓力和溫度的變化，適時地調整系統運行參數，優化PSA單元的運行狀況，保證產品質量并獲得較高的氫氣回收率，從而大幅提高裝置在運行過程中的經濟性。

PSA單元通常采用PLC或DCS進行控制，對溫度、壓力、流量以及程控閥的閥位等主要操作參數進行數據采集、過程監視、歷史趨勢回顧等，并能自動跟蹤監測裝置的運行工況。同時，該軟件中的故障診斷系統可實現多個吸附塔的任意組合切換，并分析吸附塔溫度、壓力、閥門信號反饋等各運行參數，對出現的故障進行報警并自動切除該塔，重新組合運行。當出現故障或需要調整裝置負荷時，可根據需要切換成不同的運行程序，避免了因出現小故障導致該單元全線停車對生產造成較大的影響。

2 PSA單元程控閥的特點及要求

程控閥是實現PSA單元正常運轉、可靠工作的關鍵設備。在生產過程中，要周期性、不間斷地開或關程控閥，數量越多，操作就越復雜。正是由于該單元工藝工況的特殊性，因此對該閥的要求高于普通程控閥。

PSA單元程控閥要求如下：

1)要求程控閥的動作壽命長，正常啟閉5×105次以上，且能保證密封性能。

2)要求啟閉速度快，其啟閉時間應小于3 s。

3)部分程控閥既要求有雙向流通性，還要求具有調節功能。

4)程控閥具有閥位狀態現場指示和遠傳信號，其動作壽命與程控閥相同。

5)可靠的填料函密封。

6)必須滿足現場氫氣環境，即防爆等級的要求。

針對PSA工藝的不同要求，程控閥的種類大致分為高性能提升閥、適用于低壓差大通徑的雙偏心和三偏心蝶閥、適用于DN50以下的球閥、邏輯導向閥、組合閥、單向閥、波紋管截止閥、四通球閥、管道閥、高低選自動閥等。

程控閥在經過長時間運行，頻繁切換后出現的閥位檢測故障報警、活塞卡澀、開關不靈活、漏氣等現象都是常見的故障，該類故障若經常出現或者處理不及時將會直接影響整個系統裝置的正常運行，嚴重時會導致裝置停車甚至發生安全事故。

本文只針對該裝置PSA單元中曾使用過的KJ*C和QPJ兩種不同系列程控閥進行分析和研討。

2.1 程控閥結構特點

在該裝置PSA單元中，采用了KJ*C系列和QPJ系列程控閥，兩種系列的程控閥結構如圖2所示。

圖2 兩種系列程控閥結構示意

1)KJ*C系列程控閥特點如下：

a)整體結構簡單，執行機構與閥體通過支架連為一體。

b)閥桿、填料函密封在一體支架內，不易被破壞及污染。

c)閥芯、閥桿處為銷釘連接，維修簡單方便。

d)閥桿與活塞、閥芯直接連接。

e)抗沖刷、抗分子篩粉塵；自潤滑、防擦傷、防爆。

f)開關速度快、可調閥位可檢測等。

2)QPJ系列程控閥特點如下：

a)采用分體式結構，可單獨更換、維護執行器；閥體與執行結構為分體式，工藝介質不會因填料泄漏竄入氣缸內而導致閥門故障。

The effects of STAT3 and VEGF on gastric cancer have been reported. The present study showed that STAT3 activation plays an important role in the changes in gastric mucosa from chronic gastritis to gastric tumor via the STAT/VEGF pathway.

b)采用螺鉤壓填料的結構和磨損補償的填料壓緊結構，能夠隨時觀察填料壓緊力變化。

c)閥芯、閥桿連為螺紋、半圓環連接，消除了因銷釘使用磨損導致的閥芯脫落問題。

d)密封性能好，達到零泄漏標準；具備雙向耐壓性和抗高速氣流沖刷性能；能用于氫氣、一氧化碳等易燃易爆、有毒和粉塵等惡劣環境。

e)閥門開關速度快(3 s以內)，壽命長，可經受長期頻繁開關。

2.2 兩種系列程控閥使用情況對比分析

自2016年該裝置PSA單元開車投用以來，程控閥先采用KJ*C系列，后采用QPJ系列?，F場使用情況分析對比如下。

2.2.1KJ*C系列程控閥使用情況

KJ*C系列程控閥因閥腔結構空間小，內部空間受限，閥芯密封升降空間所需等因素，閥桿和閥芯采用了銷釘結構連接。在使用過程中，銷釘與閥桿連續動作較易造成銷釘磨損并導致斷裂，使閥芯掉落，引起閥門故障。

該系列程控閥從整體結構上看閥桿和支架及氣缸是相連接的，且密封為一體結構。閥門壓力等級為CL300，實際工藝操作壓力為3.2 MPa，遠高于氣缸內的儀表風壓力(0.4～0.6) MPa，當閥桿填料或“O”型密封環發生泄漏時，工藝氣體直接進入氣缸活塞缸體內，將氣缸活塞頂住，導致閥門不能正常工作。從結構看該閥閥桿密封無填料壓蓋，填料隨閥桿活動，很容易造成填料損壞；且氣缸活塞與閥桿無“防飛出”安全設計，在檢修解體氣缸時，易發生因缸體內憋壓導致氣缸內活塞、閥桿飛出，致使氫氣大量泄漏，引發摩擦靜電起火事故。

2016年自投用以來，KJ*C系列程控閥故障頻出，針對26臺故障閥進行了相應的改進措施： 采用帶螺紋銷子配套螺帽，破壞螺帽外絲口，防止螺帽脫出；閥芯密封墊圈緊固部位采用螺紋鎖固膠、舌型防松墊及彈簧墊配合處理。

改進后的程控閥在使用過程中，發現26臺中仍有7臺閥芯密封件脫落，閥桿與銷釘之間磨損嚴重，證明閥芯、閥桿的連接方式存在嚴重的缺陷，導致閥芯、密封件等脫落故障。

2.2.2QPJ系列程控閥使用情況

QPJ系列程控閥由國內一家供應商設計制造的專用氣動程控截止閥。2018年4月該裝置PSA單元在檢修期間，更換了17臺QPJ系列程控閥，裝置開車后使用效果良好，故障率大幅下降，分析情況如下：

1)閥體與執行結構為分體式設計，工藝介質不會因填料泄漏而竄入氣缸導致閥門故障，減少了介質燃爆的風險；由于開窗式設計，當填料損壞而發生泄漏時，可直接觀察和檢測。

2)閥芯、閥桿機構為螺紋、半圓環結構，較少磨損，從而減少了閥芯脫落的情況發生。

3)增加了螺鉤壓填料的結構，減少因填料損壞導致的泄漏發生；且在事故處理、更換填料時，不需要對整臺閥門進行下線、解體，大幅縮短了故障處理時間。

該系列程控閥已使用了2年，無需日常停車保養，只在裝置每4年一次的大修期間進行易損件的維修，應用效果較好。

2.2.3安全措施

由于PSA單元為高壓臨氫裝置，裝置氫氣體積分數可達99.92%，且程控閥門數量多，動作頻繁，可能存在大量的氫氣泄漏點；由于氫氣在空氣中遇明火易發生爆炸，按理論計算，氫氣體積分數爆炸極限范圍為4.0%～75.6%，因此在更換QPJ系列程控閥的同時現場須加強如下措施： 在PSA單元內及周邊一定的范圍內，適度增加可燃氣體報警器，有利于及時發現泄漏情況并及時得到報警；定期用便攜式氫氣檢測儀檢查閥門填料，及時發現填料損壞、泄漏的隱患，并采取處理措施。

3 結束語

由于閥型結構設計存在問題而導致頻繁損壞的現象在各類工藝裝置應用中比較普遍，具有一定的代表性，合適的閥型結構也是工藝裝置“安、穩、長、滿、優”運行的保證。因此，在工況和環境相近的情況下，在同類裝置運行過程中及時吸取同行業的經驗教訓，借鑒成功的案例，可使現場設備故障問題盡快得到解決；同時對其他新建同類裝置也是重要的提示，可避免同樣問題再次發生，減少不必要的后期維修及改造投資。