水力除焦控制閥常見問題分析及改進

楊安龍

（中國石油化工股份有限公司安慶分公司，安徽安慶 246000）

0 引言

延遲焦化裝置是將重質低價值油品，經深度熱裂化反應，轉化為高價值的液體和氣體產品，同時生成石油焦。是國內外煉油廠提高輕質油回收率和生產石油焦的主要加工裝置之一[1]。而水力除焦系統是延遲焦化裝置的重要組成部分，主要包括高壓水泵、除焦控制閥、潤滑油系統、氣動閥、絞車及滑輪組、水渦輪減速器、自動切換聯合鉆孔切焦器、塔頂蓋自動裝卸機、塔底蓋裝卸機、鉆桿組件等[2]。其中除焦控制閥作為水力除焦系統的關鍵設備，其性能好壞，直接影響到除焦系統的安全穩定運行。

水力除焦系統的工作模式完全由除焦控制閥控制，文獻[3]中針對除焦控制閥對系統的重要性，探討了使用變速水泵與除焦控制閥的共同控制方式。由此，深入研究除焦控制閥性能意義重大。從工藝角度出發，結合除焦控制閥結構特點和工作原理，分析其常見問題及改進技術。

1 工藝流程及工作原理

1.1 工藝流程

延遲焦化是將重質油經加熱爐急速加熱達到焦化所需高溫后，立即進入焦炭塔內進行深度熱裂化反應，使生焦反應不在爐管內進行而延遲到焦炭塔內反應。

當焦炭塔中結焦達一定程度后，需要進行清焦作業。清焦采用水力除焦法，先在焦層中央用鉆機打一個洞，從頂部一直打到底，然后通入高壓水，利用水的沖擊力將焦炭打下并由底部排出[4]。即由高壓水泵輸送的高壓水（12～30 MPa），經上水線，除焦控制閥，水龍帶，鉆桿到水力切焦器噴嘴，由切焦器噴嘴噴出的高壓水形成高壓射流，利用高壓射流強大的沖擊力，將石油焦切割下來。鉆桿不斷升降和轉動，直到將焦除完。

1.2 工作原理及結構特點

圖1 水力除焦控制閥結構示意

水力除焦控制閥主要由閥體、閥芯、閥座、支架、驅動裝置等組成，驅動裝置可以是電動或氣動。某煉油廠的水力除焦控制閥如圖1 所示[5，6]。除焦控制閥安裝在高壓水泵出口管道上，閥門關閉時閥芯在最下端，高壓水經多級節流降壓后從旁流出口排出，這時允許高壓水泵在最小流量下啟動或停泵。閥芯在中間位置時，一部分高壓水經多級節流降壓后排出，另一部分高壓水經另一組多級節流降壓后通過高壓管道進入焦炭塔內的除焦器，其作用是用小流量、低壓力的水對高壓管道進行預充滿，防止產生水錘現象[5]。閥門全打開時閥芯在上端，高壓水經閥體通過高壓管道進入焦炭塔內的除焦器，進行水力除焦操作。

2 常見問題分析及改進

2.1 閥門堵塞或閥芯卡滯

某煉油廠開工試車中發現，除焦控制閥閥桿上下運動時有卡澀及異聲，影響整個除焦進程[7]。還曾有某廠因除焦控制閥籠套/孔板堵塞，造成管道異常振動[8]。水力除焦作業所用高壓水中含有粉狀焦炭顆粒，水力除焦控制閥的閥芯與消能室、閥芯與閥座之間的配合均為精密配合，若在加工制造階段未控制好尺寸精度，或因閥門運行維護不當，極有可能造成磨損卡澀等問題。此外，由于部分除焦控制閥采用多級籠套/背壓孔板減壓，若設計取值不當，也會因焦炭顆粒造成閥門堵塞。為解決上述問題，可從3 個方面分析。

①應確保供貨閥門在加工制造過程中的尺寸精度合格，不同零件配合面之間應選用不同材質并設置硬度差，減少多級籠套/背壓孔板的孔數并適當增大孔徑或直接避免采用這類減壓結構；②在除焦控制閥前或高壓水泵進水口處增加一個過濾器，用以過濾水中的焦炭顆粒，防止固體介質進入除焦控制閥內部；③平時的運行維護過程或檢修期間，注重閥門的維護工作。

2.2 預充水壓偏低及泵出口壓力波動

進行除焦作業前，為防止產生水錘現象，一般先通過除焦控制閥，用小流量、低壓力的水對高壓管道進行預充滿，達到一定壓力后，再把除焦控制閥全開，進行水力除焦作業。在裝置試車過程中，發現在進行高壓管道預充滿作業時，除焦控制閥已達到預充位，其閥后的預充壓力可迅速達到并且超過設定值，隨后緩慢下降并且低于設定值，且不再變化[4，9]。多次操作，情況依然存在。分析認為，可能是由于除焦控制閥閥位不穩定或者閥門開度設定值偏低導致。閥位不穩定則與除焦控制閥的控制精度以及驅動裝置的穩定性相關，應確保驅動裝置的剛度足夠，并在設計制造過程中確保除焦控制閥的精度。針對閥門開度的設定值偏低，通過現場控制系統將輸入值適當增大即可。

在將除焦控制閥閥位開度略調大后，閥后預充壓力變化急劇，對管道的沖擊力變大，并且在除焦控制閥開啟過程中，高壓水泵出口壓力波動幅度一度高達60%[5]，對高壓水泵的長周期運行帶來不利影響。分析認為，這是由于除焦控制閥的快開流量特性所導致的。通過對除焦控制閥閥芯流量孔的型線進行改型設計，將其流量特性修改為近似線性，由此避免了除焦控制閥在開啟過程中引起高壓水泵出口壓力的大幅度波動。

2.3 密封面/節流面沖蝕破壞

水力除焦控制閥在旁路循環及預充狀態時，其工作壓差可高達數十兆帕，運行過程極易發生沖刷汽蝕等破壞現象。對此，可通過多級減壓[10]、對沖消能[11]、轉移破壞[5]等方法解決。

除焦控制閥旁路流道可采用防堵塞多級串聯刻槽式閥內件，并在旁路流道的出口處增設噴嘴，以增加回流口的背壓，保護閥芯與消能室相互配合的節流面及副閥座密封面。

針對除焦控制閥在預充狀態時的工況，可在閥芯供水段的密封面下部設置噴射消能孔，利用介質相互對沖消能，達到減壓效果。并且在供水口小開度時，將節流處轉移到主閥座密封面下游，即將破壞處轉移至遠離密封面處，有利于除焦控制閥的長周期穩定運行。如圖2 所示，水力除焦控制閥在預充狀態時，沖蝕破壞發生在閥芯內部（遠離密封面處）。

圖2 水力除焦控制閥預充狀態破壞位置

3 結語

水力除焦控制閥作為水力除焦系統的關鍵設備，影響著系統裝置的長周期穩定運行。安慶石化延遲焦化裝置用水力除焦控制閥，自2008 年研制使用以來，經過持續改進[5，6，11]，已達到近10 年未下線的長周期運行水平。該型水力除焦控制閥閥芯剛度大，導向堅固、可靠，最大限度地減輕了由加工誤差或介質顆粒刮擦引起的閥芯卡阻的可能性[6]；固有流量特性為近似線性，使閥門隨開度增大流量逐漸加大，避免閥后管道受沖擊；在保護閥座密封面的同時，將高壓差流體產生的破壞轉移至節流面下游；主閥座、消能室和閥芯均可快速更換，方便閥門的維修與保養。