合成氨裝置余熱鍋爐調(diào)節(jié)閥選型及應(yīng)用

馬金偉，陳滿，張富，張向南，楊春天，高杰

?

合成氨裝置余熱鍋爐調(diào)節(jié)閥選型及應(yīng)用

馬金偉1，2，陳滿1，2，張富1，2，張向南1，2，楊春天1，2，高杰1，2

（1. 甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司，甘肅 蘭州 730070； 2. 上海藍(lán)濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司，上海 201518）

目前，合成氨裝置轉(zhuǎn)化爐余熱鍋爐旁路調(diào)節(jié)閥多采用柱塞式調(diào)節(jié)閥，僅對(duì)旁路出口高溫工藝氣進(jìn)行調(diào)節(jié)，存在調(diào)節(jié)精度差，可調(diào)范圍小、易失效等問題。針對(duì)上述問題提出一種可對(duì)高低溫工藝氣同時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)的多通道調(diào)節(jié)閥，本文對(duì)該調(diào)節(jié)閥從工藝選型、材料選擇及執(zhí)行器選型方面進(jìn)行敘述，并將其應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中。實(shí)際應(yīng)用表明，該調(diào)節(jié)閥能夠滿足余熱鍋爐對(duì)工藝氣的調(diào)節(jié)需求，保證了裝置長周期安全穩(wěn)定運(yùn)行。

余熱鍋爐；合成氨裝置；調(diào)節(jié)閥；執(zhí)行器

余熱鍋爐系指那些利用工業(yè)過程中的余熱以產(chǎn)生蒸汽的鍋爐，其主要設(shè)備為鍋爐本體和氣包，輔助設(shè)備有給水預(yù)熱器和過熱器等[1]。余熱鍋爐工藝氣體的進(jìn)出口溫度是余熱鍋爐控制系統(tǒng)的主要參數(shù)。流經(jīng)余熱鍋爐的工藝氣體，其進(jìn)出口溫度有嚴(yán)格的要求，特別是出口溫度超高或超低，不僅對(duì)工藝生產(chǎn)有影響，同時(shí)對(duì)設(shè)備管道都是不允許的。出口溫度超高，會(huì)使設(shè)備、管道及密封材料的強(qiáng)度下降，在壓力作用下可能發(fā)生事故。出口溫度偏低，不僅影響后面的工藝生產(chǎn)，同時(shí)如果氣體中含有腐蝕性成分，氣溫低于露點(diǎn)，則對(duì)材料有腐蝕作用[2]。

合成氨裝置其一段、二段轉(zhuǎn)化爐后均設(shè)有余熱鍋爐，且甲烷化器后端也設(shè)置有余熱鍋爐，此類余熱鍋爐具有以下特點(diǎn)：煙氣側(cè)具有中壓、高溫的特點(diǎn)，而蒸汽側(cè)為高壓、中溫的特點(diǎn)[3]。因此，該工位余熱鍋爐通常選用管殼式余熱鍋爐，管程內(nèi)為高溫反應(yīng)氣，殼程為低溫水汽，用于實(shí)現(xiàn)高溫反應(yīng)氣與其冷卻介質(zhì)進(jìn)行間接換熱，使得水在設(shè)備內(nèi)沸騰氣化，回收高溫介質(zhì)中的熱能。但是，為保證后續(xù)反應(yīng)的順利進(jìn)行，要求流出余熱鍋爐的反應(yīng)氣溫度保持穩(wěn)定，不能因裝置負(fù)荷的變化而變化[4]。

目前工藝裝置中采用設(shè)置設(shè)備外部或內(nèi)部可調(diào)節(jié)旁路的方法實(shí)現(xiàn)高溫氣體的流量調(diào)整，保證余熱鍋爐工藝氣體出口溫度的穩(wěn)定。

采用設(shè)備外部旁路管線的方法，管線流通面積較大，使得高溫氣體流量的調(diào)節(jié)幅度及精度均能得到有效保證。但旁路管線的規(guī)格大，溫度高，其整體布置時(shí)熱膨脹補(bǔ)償問題難以解決，且處于高溫氣體環(huán)境的大規(guī)格調(diào)節(jié)裝置的設(shè)計(jì)、制造難度大，其運(yùn)行可靠性也不易保證[5]。

目前較常用的是設(shè)備內(nèi)部設(shè)置旁路管線的方法，換熱器管束設(shè)置軸向中心旁路管，旁路管末端安裝調(diào)節(jié)閥，閥桿及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)軸向設(shè)置，高溫氣體的流量通過閥門開度控制，裝置結(jié)構(gòu)緊湊。

通常在中心旁路管出口設(shè)置1臺(tái)柱塞式調(diào)節(jié)閥，通過調(diào)節(jié)高溫氣體的流量來實(shí)現(xiàn)整個(gè)工藝氣出口的溫度。但由于該類型調(diào)節(jié)閥僅對(duì)熱工藝氣進(jìn)行單一調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)精度差，調(diào)節(jié)閥范圍小，一般當(dāng)工藝氣流量低于70%設(shè)計(jì)負(fù)荷時(shí)，調(diào)節(jié)性能大幅度下降，對(duì)整體工藝氣出口溫度很難實(shí)現(xiàn)精確控制。同時(shí)，調(diào)節(jié)閥桿溫度受混合氣體控制，其軸向膨脹量與換熱器外壁差異較大，調(diào)節(jié)閥桿對(duì)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加的溫差應(yīng)力，相鄰連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)難度大；閥桿長度與出口管箱長度相當(dāng)，軸向跨度長，其安裝、調(diào)試難度大，運(yùn)行可靠性不易保證[6]。

針對(duì)上述問題，考慮設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊度及經(jīng)濟(jì)性的要求，選用內(nèi)部設(shè)置旁路管線的方法，在未經(jīng)換熱的高溫工藝氣出口（中心管旁路）及經(jīng)過換熱管換熱后的低溫工藝氣出口處均設(shè)置蝶閥，對(duì)高低溫工藝氣進(jìn)行控制，可實(shí)現(xiàn)對(duì)混合后工藝氣溫度的精確調(diào)節(jié)，滿足裝置各工況下的要求[7]。

本文以實(shí)際工程案例為例，從調(diào)節(jié)閥尺寸選型、閥體及閥芯選材、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選型等方面對(duì)該調(diào)節(jié)閥進(jìn)行詳細(xì)闡述。

1 工況條件確定

調(diào)節(jié)閥應(yīng)用工況條件主要包括流體壓力1、溫度1、閥前后壓差△、流量、允許噪音等。

以某項(xiàng)目甲烷化裝置余熱鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)為例進(jìn)行說明。

表1 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)參數(shù)

2 調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該廢熱鍋爐采用內(nèi)部中心旁路調(diào)節(jié)裝置，裝置結(jié)構(gòu)緊湊；旁路及換熱管通道出口同時(shí)設(shè)置閥門，且閥門開度相互排斥，閥門動(dòng)作時(shí)可同時(shí)調(diào)整換熱管及旁路管線的局部阻力系數(shù)和流通面積，提高了管程氣體出口溫度的調(diào)節(jié)幅度和調(diào)節(jié)精度；閥桿垂直懸掛于管箱內(nèi)部，閥桿底端可自由膨脹，閥桿頂端與傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的連接僅考慮傳遞扭矩的要求，無需考慮附加溫差應(yīng)力的影響；閥桿及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)位于混合氣體出口腔體，其溫度受溫度較低的混合氣體控制，閥門的設(shè)計(jì)難度小，運(yùn)行環(huán)境的苛刻度小，可靠性好。

該調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)如圖1-3所示。

圖1 調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)圖1

圖2 調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)圖2

圖3 調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)圖3

1—擋 板；2—換熱管閥板；3—中心旁路管閥板；4—傳動(dòng)桿；5—換熱管；6—中心旁路管；7—筒體；8—換熱管出口端備用通道；9—傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

該調(diào)節(jié)裝置主要部件包括擋板、換熱管閥板、中心旁路管閥板、傳動(dòng)桿和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。擋板與筒體連接形成換熱管出口腔體，與旁路管形成旁路出口腔體，且相互獨(dú)立；擋板另一側(cè)與筒體形成混合氣體出口腔體；換熱管閥板與擋板配合形成換熱管通道出口，中心旁路管閥板與擋板配合形成旁路管通道出口；換熱管閥板、中心旁路管閥板由傳動(dòng)桿聯(lián)動(dòng)，且開度相互排斥；根據(jù)操作條件的需要，擋板可增設(shè)換熱管出口端備用通道。

該閥門應(yīng)用優(yōu)勢(shì)：當(dāng)中心旁路管閥板完全關(guān)閉時(shí)，換熱管閥板完全開啟，氣體完全通過換熱管參與換熱，出口氣體溫度最低；當(dāng)需調(diào)整氣體出口溫度時(shí)，控制傳動(dòng)裝置，使與其相連閥板開啟并調(diào)整至一定開度，同時(shí)，與換熱管閥板聯(lián)動(dòng)且排斥的中心旁路管閥板開度同比例減少，通過上述措施，換熱管出口端介質(zhì)流動(dòng)的局部阻力系數(shù)增加，流通面積減少，旁路管內(nèi)介質(zhì)流動(dòng)的局部阻力系數(shù)減小，流通面積擴(kuò)大，換熱管內(nèi)氣體流量減少，旁路管內(nèi)氣體流量增加，出口氣體溫度相應(yīng)提高；當(dāng)換熱管閥板完全關(guān)閉時(shí)，中心旁路管閥板完全開啟，氣體完全通過旁路管，出口氣體溫度最高。

3 調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇

余熱鍋爐出口煙氣調(diào)節(jié)閥主要原理是通過改變未換熱煙氣的流量改變出口煙氣溫度，同時(shí)采用互斥閥板式調(diào)節(jié)閥，閥門開度的大小不僅影響熱煙氣的流量，同時(shí)影響換熱后煙氣的流量。因此，中心旁路閥板大小及換熱管閥板大小將直接影響調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)能力。

針對(duì)該特殊結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)閥選型計(jì)算，主要是計(jì)算中心旁路尺寸大小及換熱管出口閥板尺寸。

3.1 中心管旁路尺寸選擇

余熱鍋爐中心管旁路管線大小是根據(jù)余熱鍋爐出口煙氣溫度的設(shè)定值計(jì)算得出，通過計(jì)算各工況下旁路煙氣流量與通過換熱管煙氣流量的比例關(guān)系。采用模擬數(shù)值分析的方法，設(shè)定中心旁路管線尺寸，對(duì)不同工況下煙氣流量及溫度變化進(jìn)行模擬分析計(jì)算，保證煙氣出口溫度恒定，通過不斷優(yōu)化計(jì)算，得到合理的中心管旁路尺寸[8]。

3.2 換熱管閥板尺寸選擇

煙氣經(jīng)過換熱管后溫度降低，其降低值由換熱管的換熱面積決定，該部分煙氣溫度的高低與工況有關(guān)，隨進(jìn)口煙氣的溫度和流量大小變化而變化。 為保證煙氣出口溫度恒定，需在換熱管出口設(shè)置調(diào)節(jié)閥板，進(jìn)一步對(duì)經(jīng)過換熱管的煙氣量進(jìn)行控制，提高旁路調(diào)節(jié)的精度和響應(yīng)速度。

換熱管旁路閥設(shè)置兩塊閥板，兩塊閥板同時(shí)動(dòng)作，步調(diào)一致，與中心管閥板形成90°互斥。該閥板尺寸大小選擇需考慮通過換熱管的煙氣量的大小，煙氣側(cè)壓降的允許值及中心管的大小等參數(shù)。

4 閥體材質(zhì)選擇

由于該調(diào)節(jié)閥的閥板、閥桿等整體均處于煙氣中，且由于經(jīng)過中心旁路的煙氣溫度幾乎未進(jìn)行換熱，溫度很高，為保證整個(gè)調(diào)節(jié)閥的穩(wěn)定運(yùn)行，不僅需要考慮調(diào)節(jié)閥材質(zhì)的耐高溫性能，同時(shí)還需考慮材料的熱膨脹系數(shù)。

5 調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)選型

余熱鍋爐中心調(diào)節(jié)閥主要用于調(diào)節(jié)余熱鍋爐出口煙氣溫度，一般選用自動(dòng)控制調(diào)節(jié)，需配置對(duì)應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。常用調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)有電動(dòng)執(zhí)行器、氣動(dòng)執(zhí)行器及液壓執(zhí)行器，具體采用何種類型執(zhí)行器與設(shè)備所處現(xiàn)場(chǎng)條件及項(xiàng)目整體規(guī)劃有關(guān)[9]。對(duì)于執(zhí)行器的選型一般考慮以下幾個(gè)方面：

1）執(zhí)行器的行程：該調(diào)節(jié)閥屬于角行程調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)范圍為：0~90°；

2）執(zhí)行器扭矩：扭矩的選擇不僅需要考慮驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)閥轉(zhuǎn)動(dòng)所需的扭矩，還需考慮調(diào)節(jié)閥填料密封在高溫環(huán)境下對(duì)調(diào)節(jié)閥桿的摩擦力矩。

3）其他因素：選用氣動(dòng)執(zhí)行器時(shí)，通常選用氣動(dòng)活塞式執(zhí)行結(jié)構(gòu)，且其作用方式為氣開式[10]。

6 選型結(jié)果

通過對(duì)以上各個(gè)參數(shù)的分析，通過選型計(jì)算，該項(xiàng)目調(diào)節(jié)閥相關(guān)選型參數(shù)如表2所示：

表2 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)參數(shù)

目前，該項(xiàng)目余熱鍋爐已經(jīng)投產(chǎn)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況，該余熱鍋爐出口煙氣溫度滿足設(shè)計(jì)要求，該調(diào)節(jié)閥運(yùn)行狀況良好，未出現(xiàn)調(diào)節(jié)失靈、卡塞等現(xiàn)象，滿足裝置長周期運(yùn)行的要求。

7 結(jié)語

本文針對(duì)當(dāng)前廣泛應(yīng)用的柱塞式調(diào)節(jié)閥存在單一熱側(cè)工藝氣調(diào)節(jié)精度差，性能不穩(wěn)定等缺陷，提出一種新結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)閥，并對(duì)該調(diào)節(jié)閥從規(guī)格、材質(zhì)及執(zhí)行器等方面進(jìn)行分析，為該工位調(diào)節(jié)閥選型及實(shí)際應(yīng)用提供了參考依據(jù)。通過分析應(yīng)用表明，該調(diào)節(jié)閥能夠同時(shí)對(duì)冷熱工藝氣進(jìn)行調(diào)節(jié)，具有調(diào)節(jié)精度高，性能穩(wěn)定的特點(diǎn)，且結(jié)構(gòu)簡單，易于生產(chǎn)制造，為該類型調(diào)節(jié)閥在工業(yè)中推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

［1］古大田, 方子風(fēng). 廢熱鍋爐[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2002．

［2］王金. 轉(zhuǎn)化器廢熱鍋爐調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J]. 閥門, 2010, 3: 7-8.

［3］李國志. 制氫轉(zhuǎn)化爐余熱鍋爐節(jié)能技術(shù)改造[J]. 煉油技術(shù)與工程, 2013, 1 (43): 55-57

［4］方子風(fēng). 廢熱鍋爐的設(shè)計(jì)[M]. 上海: 上海科學(xué)技術(shù)出版社, 1987.

［5］王士國. 余熱鍋爐的熱力回收計(jì)算分析[J]. 裝備制造技術(shù), 2010 (8): 61-64.

［6］程孝福. 廢熱鍋爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 壓力容器, 2009, 26 (6): 13-18.

［7］陳慰盛. 高溫?zé)煔庹{(diào)節(jié)閥: 中國, 20120069852.2[P]. 2012-02-28.

［8］李衛(wèi)華, 崔利. 基于Matlab/Simulink 動(dòng)態(tài)建模的600MW機(jī)組給水全程控制系統(tǒng)優(yōu)化[J]. 熱力發(fā)電, 2009, 38 (12): 82-87.

［9］王曉梅.淺談?wù){(diào)節(jié)閥的選型[J].中小企業(yè)管理與科技, 2008, 21: 178-179.

［10］劉晨暉, 尹肇邦. 氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的特性及選擇（下）[J]. 化工自動(dòng)化及儀表, 2013 (5): 328-332.

Type Selection and Application of Control Valves for Waste Heat Boiler in Ammonia Plant

1,2,1,2,1,2,1,2,1,2,1,2

（1. Lanpec Technologies Limited, Gansu Lanzhou 730070, China；2. Shanghai Lanbin Petrochemical Equipment Co.,Ltd., Shanghai 201518, China）

At present, there are several problems about the plunger valve of ammonia plant waste heat boiler, such as only adjusting the high temperature gas, low regulating precision, and narrow adjustment range, and so on. According to above problems, a new control valve, which can adjust hot and cool gas simultaneously, has been used. In this paper, the control valve was introduced from the aspects of process selection,material selection and actuator selection, and its actual application was discussed. The practical application shows that the control valve can satisfy the process requirement of waste heat boiler, the safe and stable operation of the plant is ensured by using this valve.

waste heat boiler; ammonia plant; control valve; actuator

馬金偉（1987-），男，工程師，碩士，甘肅省白銀市人，2012年畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)控制理論與控制工程專業(yè)，研究方向：石油化工自控儀表設(shè)計(jì)。

2017-04-21

TQ 052

A

1004-0935（2017）11-1097-04