對二甲苯裝置吸附塔程控閥選型及使用原則探討

秦文戈

（中國石化 海南煉油化工有限公司，海南 洋浦 578101）

0 引言

對二甲苯聯合裝置中的吸附分離單元是從混合二甲苯原料中回收高純度PX的一種經濟、連續的吸附分離方法，吸附分離裝置是芳烴成套技術大型工業化的核心裝置。目前PX工藝包主要有美國UOP技術的旋轉閥工藝、法國IFP技術的多程控閥工藝和中石化自主知識產權的多程控閥工藝。中石化自主工藝包是利用順控程序控制多臺程控閥按照既定邏輯程序開關來實現的模擬移動床吸附分離工藝。在與吸附塔相關的工藝控制參數中，吸附塔壓力和進出吸附塔各股物料的流量是最為關鍵的控制參數，而程控閥的開關時間及穩定性和上述兩個參數緊密相關。因此，程控閥的選型、調試、投用及運行維護對吸附分離裝置的長周期穩定運行尤為重要。本文以中石化多程控閥工藝的海南煉化600000t/年對二甲苯裝置為基礎，探討程控閥的選型及使用原則。

1 程控閥的選型原則

程控閥為模擬移動床吸附分離工藝中的關鍵核心設備，每年需開關16000次左右，必須具備高等級的密封性、快速恒定的響應時間、長周期的穩定性和可靠性。目前IFP工藝的吸附分離裝置主要采用Segault、Flowserve Argus、Hartmann品牌的氣動球閥，中石化自主工藝包技術的海南煉化首套大型化工業裝置采用的是Hartmann品牌的氣動程控球閥。根據裝置平穩運行的經驗，總結程控閥的設計選型上應遵循以下基本原則。

1）泄漏等級

吸附分離裝置對產品純度要求很高，要求程控閥結構形式為球閥，閥芯和閥座采用金屬硬密封的密封形式，泄漏等級為Class Ⅵ級（雙向硬密封）。所有程控閥均應在制造廠按API598及ANSI/FCI 70-2規定進行密封性測試[4]。

2）執行機構

程控閥的執行機構一般采用氣缸式雙作用執行機構，應盡可能選用雙作用齒輪齒條式氣缸，其在0～90°行程均為線性輸出扭矩，能較好地保證閥門之間的平穩切換[3]。程控閥的扭矩必須按程控閥規格書所提供的最大關閉壓差計算，沒有提供最大關閉壓差值的以程控閥入口壓力值作為程控閥最大關閉壓差值進行計算，正常情況下工廠的儀表風壓為0.7～0.8MPa，為安全考慮，執行機構應滿足在0.35MPa風壓條件下，氣動執行機構的輸出最小扭矩必須大于閥門所需最大扭矩的1.25倍。閥位回訊器防護等級應不低于IP66，且閥位回訊器應具備耐踩踏和輕微碰撞的機械防護能力。

3）全行程時間要求

定義從控制系統發出開閥（關閥）命令開始計時，直到控制系統接收到現場閥位回訊器傳回的閥開（閥關）信號為止，這期間控制系統所記錄下的時間為程控閥開閥（關閥）全行程時間，要求閥門的關斷時間小于2s，且1.5～3s可調，重復精度為正負0.1s[5]。

4）氣路系統

閥門的氣路管線和吸附塔上儀表風管線應采用不銹鋼材質，且吸附塔應設置獨立的儲氣罐，儲氣罐的容量應保證系統儀表氣源中斷期間，滿足3個床層程控閥至少完成兩個往復全行程動作所需的儲氣容量。

2 程控閥調試

程控閥采用金屬硬質密封，工藝管道中微小的機械雜質易造成密封面損壞和閥桿劃傷，進而造成閥門密封性能下降，工藝物料泄漏，導致產品質量不合格。程控閥密封面損壞或閥桿劃傷易造成閥門轉動部件摩擦力增大，嚴重者造成閥門無法開關到位甚至抱死，使控制系統進入容錯程序，造成進出吸附塔工藝物料流量波動和吸附塔壓力波動，影響裝置穩定運行。所以在裝置開工前的程控閥調試階段，吸附塔床層管線必須進行酸洗處理，嚴格控制酸洗質量，確保管線中沒有機械雜質，進油前保持氮封。

1）準備工作

程控閥安裝時要保證氣動執行機構與儀表連接管線之間無應力，防止由于應力的原因造成閥門回訊器故障或工作不正常；須將氣路管線充分吹掃干凈后，再進行儀表風管線與執行機構連接。

2）程控閥冷態調試

在吸附分離控制系統上對每個程控閥進行手動開關操作，以測試每個程控閥的位置是否安裝正確，閥位回訊狀態是否正確；通過現場調整過濾減壓閥出風壓力或彈簧預緊螺釘，將程控閥的開關時間調整在1.5～2s；在控制系統上將每個程控閥置自動，使所有程控閥在程序控制下空負荷運轉，以初步考驗程控閥的穩定性和閥門開關時間的重復性。

表1 閥位回訊狀態表Table 1 Valve position status table

3）熱態調試

在程控閥保持全開的狀態下，對吸附塔充液、排氣、升溫后，在吸附塔公共吸入口閥門保持全開狀態下對程控閥進行熱態調試。熱態工況下程控閥所處工藝物流的溫度、壓力與實際生產接近，所以需要在此工況下對每個閥門的動作時間進行最終調試。程控閥的口徑須與工藝物料的流量匹配，對一套600000t/年的芳烴裝置來說，最大程控閥的口徑為DN250，最小沖洗程控閥的口徑為DN80。正常情況下程控閥的口徑越小開關時間越短，為了實現同一物流閥門的同步開關，需要將同一物流的閥門開關時間調整到同一時間上，正常情況下通過調整過濾減壓閥出風壓力、彈簧預緊螺釘或調節執行機構排氣量來調整閥門開關時間。理想情況下將所有程控閥門的開關時間調整在2～2.5s之間，閥門開關時間太短，在閥門的開關過程中對程控閥執行機構氣缸和閥體的沖擊太大，容易降低閥門的使用壽命。

3 程控閥相關控制參數設定

正常生產過程中，程控閥的運行維護涉及控制系統和現場閥門兩部分。對于控制系統來說，主要就是投用維護設定和開關時間報警設置。正常情況下所有程控閥門都處于投用狀態，閥門的開關由控制系統控制，只有在閥門出現故障的時候，在控制系統上將閥門置維護并進行手動開關調試。在開關調試過程中，應關閉與其相連的一道工藝手閥，防止在開關調試過程中造成工藝物流波動。在投用之前，一定要確認程控閥已處于關閉狀態，并將其上下游流程打通以后，在控制系統近兩步序內沒有對此閥門有開關操作的情況下投用。

程控閥的開關狀態，開關時間報警設置

程控閥帶有兩個閥位回訊開關，位號分別為XZSO（閥開）和XZSC（閥關），閥位回訊狀態見表1。

每臺程控閥都有閥門開閥和關閥設定時間（TME），該時間定義為正常閥位信號返回的允許時間。“正常”屬于閥門命令發出后，閥位回訊器應有的狀態；“故障”屬于異常狀態；“動作”屬于臨時狀態[2]，閥門動作開始時會處于此狀態。

程控閥屬于可動設備，受其結構形式、機械性能、動作方式等內在因素的限制，在閥門運行時有可能產生故障。關閥時，如果程控閥運行時間超過了閥門設定的關閥時間，而閥門仍處于“動作”狀態，該情況屬于“關故障”。開閥時，如果閥門運行時間超過了閥門設定的開閥時間，而閥門仍處于“動作”狀態，該情況屬于“開故障”。一旦控制系統接收到閥門的故障信息，將進入既定的容錯程序，容錯程序的執行必將引起進出物料流量和吸附塔壓力的波動，所以在參數設定時，既要考慮由于儀表風壓或其他條件的變化造成開關閥時間的增加，但最終還是能完成開關操作情況，也要考慮真正故障原因使閥門無法完成開關操作，需要盡快通知控制系統進入容錯程序，避免吸附塔壓力的劇烈波動情況。由于吸附塔壓力波動最大的時刻為泵送壓送調節閥在進行區域轉換時，也就是物料從一個吸附塔的塔底床層向另一個塔頂床層切換時，如果程控閥出現打不開或關不上情況，而泵送和壓送環路繼續按照既定程序進行區域轉換時，將引起單個吸附塔進出物料流量偏離正常值，物料平衡嚴重失衡，將引起吸附塔壓力的劇烈波動，可能對吸附塔內構件造成嚴重的損傷和損壞。通過實踐摸索，需要將吸附塔頂床層和底床層程控閥的故障判斷設置時間（TME）適當減小。根據海南煉化實際現場情況，總結并設置TME時間為4～5s。如果考慮控制系統二級容錯情況，建議將頂部兩個床層和底部兩個床層閥門故障時間減小；對于中間床層的閥門，由于在進行床層切換時不存在區域轉換和流量控制設定值的變化，且上下兩個床層的差壓相對較低，進出物料的流量調節閥在自動情況下可以跟蹤調整，所以對中間床層的閥門故障時間可以根據實際情況適當增大，降低故障頻率。

4 程控閥典型故障原因分析

1）由于機械雜質原因造成閥門內漏和開關不到位。在閥門設計合理、閥體和閥座材質使用正確的情況下，部分裝置開工初期易出現閥門內漏和開關不到位現象，主要原因是在開工前吸附塔相關管線酸洗效果和床層分配管線清潔度不好，或開工初期吸附塔進料、解吸劑過濾器沒有達到過濾要求，在吸附塔進行冷態和熱態沖洗時，由于閥門的開關動作使雜質進入程控閥的閥座底部、閥桿及密封面導致閥門內漏和開關不到位。一旦出現此類情況，需要整體切除本床層閥門，將閥門下線處理或更換閥門。此類故障對工藝生產影響較大。

2）閥位回訊器故障。在程控閥實際已完全打開或關閉的情況下，由于閥位回訊器故障，導致控制系統出現閥門故障報警。主要是由于回訊器破損或防護等級沒有達到標準造成回訊器受潮或進水，引起回訊器失靈。程控閥回訊器采用感應式接近限位開關，可以不與目標物接觸的情況下，檢測到靠近傳感器的金屬目標物，利用磁感應原理，將閥門位置信號反饋到傳感器，再由傳感器傳送至控制系統[1]。在實際生產過程中，閥位回訊器與執行機構本體之間會由于設計、選型材質及裝配原因造成回訊器固定不牢，在儀表保護套管應力和閥門快速開關引起的震動下，易造成感應目標偏離感應區，無法檢測到感應目標，在閥門正常開關的情況下出現開超時和關超時，進而觸發控制系統的容錯程序。控制系統的容錯模式易造成吸附塔壓力的波動及產品純度的下降。

5 結論

程控閥是多閥對二甲苯吸附分離工藝的關鍵核心設備，其閥門數量多、開關頻次高，相對于旋轉閥工藝來說同步性差、故障點多。因此，在工程設計及開工調試階段，需要提高程控閥的設計選型標準、嚴格執行出廠檢驗標準、提高安裝質量。在裝置投用之前，要確保吸附分析系統的清潔度，并通過反復調試使閥門的開關時間一致，提高程控閥的同步性，并結合閥門實際的開關時間優化吸附系統的各項控制參數，盡可能降低程控閥的故障頻次，實現裝置安穩長運行。

[1]陸德民,張振基,黃步余.石油化工自動控制設計手冊[M].北京:化學工業出版社,2000.

[2]徐義亨.工業控制工程中的抗干擾技術[M].上海:上海科學技術出版社,2010.

[3]陸培文.實用閥門設計手冊[M].北京:機械工業出版社,2007.

[4]何衍慶,邱宣振,楊潔,等.控制閥工程設計與應用[M].北京:化學工業出版社,2005.

[5]何衍慶,黎冰,黃海燕.工業生產過程控制[M].北京:化學工業出版社,2010.