焦爐煤氣制氫工藝中程控閥內漏故障的分析

李山虎，舒 暢，張 函，楊子壯，趙 冬

（鞍鋼股份能源管控中心，遼寧鞍山 114000）

引言

程控閥是計算機程序遠程控制，通過氣動、液動等方式驅動的切斷閥。氣動程控閥以運行維護成本低、無可視污染、無環保風險而被廣泛應用。氣動程控截止閥是一種由氣動驅動、法蘭連接的二位切斷閥，密封性能優良、啟閉快、壽命長、反饋靈活可靠，適合用作自動化程序控制[1]，在鞍鋼制氫得到普遍應用。氣動程控截止閥的密封性、判漏和處理也得到了深入關注。

1 程控閥內漏造成的影響

1.1 質量影響

焦爐煤氣制氫核心工藝為TSA（變溫吸附工藝）、PSA（變壓吸附工藝）。TSA 包括100#工序（煤氣壓縮及除萘）、200#工序（煤氣預處理）、400#工序（氫氣精制），均包含加熱、冷卻步序；PSA 即300#工序（變壓吸附工序）。上述步序功能均依靠程控閥的啟閉實現。焦爐煤氣制氫工藝見圖1。

對于TSA變溫吸附：加熱、冷卻是吸附塔實現再生功能，保證吸附過程高效、穩定、連續的基礎。而程控閥內漏是造成再生塔再生時間過長、加熱溫度低、冷卻溫度高的重要原因。再生塔再生不徹底一方面直接造成吸附劑未有效脫附、吸附容量大大降低，嚴重影響吸附效果；另一方面被迫延長再生時間，導致在線吸附塔吸附時間過長和超負荷運行，原料氣雜質穿透吸附床層乃至吸附劑中毒，降低吸附容量和使用壽命；還可能影響下段工序，如在400#工序威脅產品氫氣露點等質量指標。

圖1 焦爐煤氣制氫工藝簡圖

對于PSA 變壓吸附：程控閥內漏可造成解吸氣壓力升高、吸附塔沖洗不徹底，直接影響產品氫氣純度。

1.2 產量影響

TSA：100#、200#工序程控閥內漏會造成原料氣順解吸氣進入解吸氣管網，造成原料氣減少，影響氫氣產量。

PSA：300#工序是焦爐煤氣制氫工藝的核心、也是影響氫氣產量最關鍵一環。300#工序簡圖見圖2。程控閥內漏會影響300#吸附壓力，影響氫氣產量，嚴重時會造成吸附塔不產氫，具體影響如下：

（1）非吸附狀態吸附塔出入口程控閥（1、2 閥）內漏，會減少吸附塔處理量，影響吸附塔壓力，制約氫氣產量。

（2）吸附塔3 閥內漏，會影響終升、一均步序吸附塔，導致來源氣或產品氫氣進入解吸氣，制約氫氣產量。

（3）吸附塔4 閥內漏，會造成順放氣、沖洗氣進入解吸氣，制約氫氣產量。

（4）吸附塔5 閥內漏，會造成二均、三均對應吸附塔高壓氣串入低壓解吸氣，制約氫氣產量。

（5）吸附塔6 閥內漏，會造成各個步序高壓氣串入低壓氣，制約氫氣產量。

TSA、PSA 工序程控閥內漏，都會直接影響來源氣量或產品氫氣量，導致吸附塔產氫量減少，甚至不產氫。

1.3 檢修成本影響

程控閥內漏除增加閥門修復成本及檢修更換成本外，更換閥門還需配合停運壓縮機系統及制氫裝置，直接影響制氫系統連續運行；更換程控閥更換周期雖短，但涉及系統泄壓、置換處理煤氣、氫氣、堵盲板等問題，大大增加了檢修周期和檢修成本。

2 程控閥內漏判斷方法

程控閥內漏不僅增加了檢修成本，還對產品氫氣質量及產量產生極大影響，因此如何及早發現程控閥內漏、準確判斷故障程控閥，及時處理意義重大。

2.1 程控閥離線查漏

程控閥離線查漏即制氫系統停運，利用氮氣介質（0.4-0.5 MPa）對程控閥密封性進行排查。離線判斷以其操作簡單，不威脅生產運行等優點，在備用制氫系統或系統檢修等停運狀態下采用。離線查漏基本判斷原則（此原則逐步遞進，均以上一原則無故障為前提）：

（1）在各工序入口連接氮氣介質，系統程控閥全關，打開氮氣，監視吸附塔壓力變化，普查系統1閥有無內漏。

（2）單塔充壓，系統程控閥全關，監視吸附塔壓力變化，普查系統2閥有無內漏。

（3）單塔充壓，打開單塔任一程控閥，全關其余吸附塔程控閥，監視吸附塔壓力變化，判斷同一管路其余吸附塔程控閥有無內漏（此方法輪替進行，逐塔試驗）。

（4）無法準確判斷單塔兩個內漏閥時，應輔助現場聽聲判斷等非常規方法。

（5）結合現場經驗，若吸附塔入口閥、再生氣出口閥受介質影響，則表明內漏可能性偏高。

2.2 程控閥在線查漏

100#、200#、400#因工藝簡單、程控閥數量少，故障判斷較為簡單，如吸附塔壓力波動大，結合實際經驗多為入口閥內漏，不多加敘述。以下重點分析再生氣出入口程控閥的內漏判斷。

圖2 300#工序簡圖

再生氣出入口程控閥內漏多根據再生溫度異常、再生時間過長判斷。根據再生工藝原理：故障程控閥對應吸附塔再生過程，再生溫度、再生時間均正常，進而判斷故障程控閥所對應吸附塔。故障吸附塔判斷內漏閥門需生產配合調整，防止系統憋壓，再輔助程控閥離線查漏（生產氣介質）方式原則即可準確判斷處理。

300#工序程控閥數量多、步序復雜，內漏存在疊加效應，故而為程控閥在線查漏的重難點。

表1 變壓吸附工藝對應步序壓力參數及程控閥動作表

300#程控閥內漏判斷原則（結合表1 各步序壓力及程控閥動作）：

（1）301程控閥（影響氫氣產量及純度）

①故障程控閥對應吸附塔的吸附步序不受影響。

②該塔對應一均、二均、三均各步序均壓后，壓力仍有明顯上升。

③該塔終升步序升壓快，對應終升調節閥調節參與度降低。

④該塔非吸附步序，造成吸附塔產氫量降低。

⑤該塔沖洗步序造成沖洗壓力升高。

（2）302 程控閥（影響氫氣產量，不影響氫氣純度）

302程控閥內漏判斷原則與301閥相同。

（3）303程控閥

①故障程控閥對應吸附塔的一均、終升步序不受影響。

②該塔吸附步序，會造成終升步序吸附塔終升過快，一均步序吸附塔均壓后，壓力仍有明顯上升。

③該塔二均、三均步序均壓后，壓力仍有明顯上升，而對應一均塔均壓后壓力仍有明顯下降，對應終升塔升壓變緩。

④該塔沖洗時，沖洗壓力偏高，對應終升塔升壓變緩。

（4）304程控閥

①故障程控閥對應吸附塔的順放、沖洗步序不受影響。

②該塔對應一均、二均、三均步序均壓后，壓力仍有明顯下降。

③該塔高壓步序過程解吸氣壓力明顯升高。

（5）305程控閥

①故障程控閥對應吸附塔的二均、三均步序不受影響。

②該塔吸附、終升、一均時，會導致其余二均、三均塔均壓后的壓力明顯上升。

③該塔三均時，均壓后壓力明顯上升，而對應一均塔均壓后壓力明顯下降。

④該塔沖洗步序時，對應二均、終升塔壓力會受影響。

（6）306程控閥

①故障程控閥對應吸附塔的逆放、沖洗步序不受影響。

②該塔吸附步序，期間產氫量降低。

③該塔終升步序，會造成終升升壓變緩，終升調節閥開度變大。

④該塔涉及一均、二均、三均步序均壓后，壓力仍有明顯下降。

程控閥內漏可根據上述原則，結合吸附壓力曲線，推演判斷。對于部分程控閥內漏具有疊加效應或吸附工藝不同增加判斷難度等特殊情況，應配合現場聽聲查漏，或切除疑似故障塔、在保證生產不間斷前提下進行判漏[2]。

3 氣動程控截止閥常見故障及處理

氣動程控截止閥常見的故障較多，常見有：

（1）因密封副有雜質、密封環壓傷或損壞、平衡活塞密封組件損壞而造成閥門內漏。通常需程控閥分解，清理雜物、修整更換密封環、更換密封組件解決故障。

（2）因支架密封組件損壞、支架導向套磨損、閥桿磨損而造成閥桿處外漏。修復或更換支架密封組件、支架導套、閥桿即可。

（3）因導向套密封組件或檢測密封組件損壞而造成氣缸外漏。僅需更換導向套密封組件或者更換檢測密封組件。

（4）因電磁閥故障、氣源故障、活塞卡澀、活塞密封組件損壞而造成氣缸無動作或動作緩慢。需修復或更換電磁閥，檢查氣路，修復或更換活塞及密封組件。

（5）因生產介質攜帶雜質、密封件磨損、限位失靈造成閥門開關不到位。需檢查清理雜物、更換密封件及限位即可解決。

（6）因閥檢故障、反饋回路故障、電池閥故障、驅動氣源故障造成閥位反饋故障。需計量專業配合，對閥位反饋功能點逐一檢查恢復。

盡管氣動程控截止閥性能好，但對氣體介質清潔度要求較高，制氫裝置100#、200#工藝來源氣、再生氣出口介質雜質含量較高，采用氣動蝶閥可降低故障率。

程控閥門一定要注意維護保養，儲存過程要防潮、防塵，保證閥門的密封性能；安裝過程嚴格執行安裝標準；使用前要嚴格吹掃，定期檢查閥門使用情況及密封情況；維護檢修嚴格執行標準[3]

4 結語

（1）程控閥內漏可造成多方面影響。如，可在TSA造成再生時間過長、再生不徹底、吸附劑超負荷運行；可在PSA影響產品氫氣純度和氫氣產量；增加檢修成本。

（2）程控閥內漏判斷可分為離線和在線。前者利用氮氣對吸附塔沖壓，觀測程控閥密封性；后者需根據各步序壓力及程控閥動作 設 定，結合 實際壓力變化和產氫量綜合判斷。

（3）程控閥故障原因較多，多數情況下無需整體更換，通過清污、更換密封組件、調整閥位反饋，可解決多數問題。