制氫PSA沖洗程控閥故障分析及處理

孫得利，谷和鵬，崔占磊，張兆天

（中海油惠州石化有限公司，廣東 惠州 516086）

程控閥是一種通過氣動或液動等方式進行驅(qū)動的切斷閥，是PSA裝置中較為關(guān)鍵的設(shè)備，在PSA生產(chǎn)過程中要求周期性的切換開關(guān)閥門，動作頻繁，不可避免的會出現(xiàn)各種故障［1］。對于PSA解析氣進入制氫轉(zhuǎn)化爐做燃料氣的工藝中，當沖洗程控閥發(fā)生故障時，制氫轉(zhuǎn)化爐會因為解析氣的大幅波動而停爐，因此對沖洗程控閥的故障分析及處理至關(guān)重要［2］。

1 裝置簡介

1.1 PSA流程概述

I系列PSA系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1 Ⅰ列PSA系統(tǒng)流程簡圖Fig.1 The flow chart of PSA system in columnⅠ

由圖1可知，惠州石化天然氣制氫Ⅰ系列PSA設(shè)計規(guī)模100000 m3/h，氫氣回收率達90%，采用10塔操作，3塔進料、4次均壓、順放沖洗、降壓解吸的操作工藝（簡稱10-3-4/P工藝）［3］。其中，均壓步驟結(jié)束后吸附塔進行順放沖洗步驟，順放氣經(jīng)過程控閥（KV15109A/B）進入順放罐 D1502A/B緩沖，再經(jīng)調(diào)節(jié)閥 PV15103A/B、PV15104A/B調(diào)壓后對吸附塔進行沖洗，沖洗后的廢氣作為解吸氣進入解吸氣混合罐 D1504A/B，經(jīng)流量調(diào)節(jié)閥（FV15103）穩(wěn)流，流量計FIQ15103計量后送到制氫轉(zhuǎn)化爐，供轉(zhuǎn)化爐火嘴燃燒使用［4］。

沖洗調(diào)節(jié)閥根據(jù)吸附塔的狀態(tài)進行開關(guān)。當實際編號為單系列的吸附塔（A、C、E、G、I）進行沖洗1（P1）時，PV15103A開啟，進行沖洗2（P2）時，PV15104B開啟。雙系列的吸附塔（B、D、F、H、J）進行沖洗1（P1）時，PV15103B開啟，進行沖洗2（P2）時，PV15104A 開 啟。當 PV15103A/B，PV15104A/B，KV15109A/B中有其一發(fā)生故障時，KV15109A和 KV15109B、PV15103A和 PV15104B、PV15103B和PV15104A的功能能兩兩相互替代，運行方式變?yōu)閱雾樂殴逈_洗流程。

1.2 PSA時序

10-3-4/P運行時序圖如圖2。

由圖2可知，每個吸附塔先后依次進行以下各步驟：吸附（A）、均降一（E1D）、均降二（E2D）、均降三（D3D）、均降四（D4D）、順放（PP1、PP2）、逆放 （D1、D2）、沖洗 （P2A、P2B、P2C、P1A、P1B、P1C）、均升一（E1R）、均升二（E2R）、均升三（E3R）、均升四（E4R）、終充（FR）［5］。10個在線吸附塔分別完成以上所有步驟后，完成一個運行周期。每個運行周期根據(jù)在線吸附塔的數(shù)量細分為多個分周期，每個分周期又分為八個時間段（T1～T8），亦稱八個步序。不同步序分配以相應(yīng)的時間，各吸附塔的程控閥門按照設(shè)定的時間進行開關(guān)動作，10個吸附塔交替循環(huán)操作，時間上相互交錯，使整個PSA系統(tǒng)有條不紊的運行。

圖2 10-3-4/P運行時序圖Fig.2 10-3-4/P operation timing diagram

2 故障分析

2.1 事故過程

2018年11月28日9時15分56秒制氫裝置Ⅰ列PSA程控閥KV15107G發(fā)生閥檢報警，9點16分57秒大量解析氣進入轉(zhuǎn)化爐，混合燃料氣壓力迅速升高，9點17分18秒觸發(fā)轉(zhuǎn)化爐混合燃料氣壓力高高聯(lián)鎖（≥30 kPa），制氫Ⅰ列轉(zhuǎn)化爐Z.B聯(lián)鎖停車。

2.2 事故現(xiàn)象

9時15分56秒Ⅰ列PSA程控閥KV15107G出現(xiàn)閥檢報警，報警時各吸附塔壓力并未發(fā)生異常，解析氣流量也沒有發(fā)生變化，9時16分57秒大量解析氣進入轉(zhuǎn)化爐，混合燃料氣流量迅速增加。從閥門開關(guān)狀態(tài)報警到解析氣開始大幅度波動存在61S的時間延遲。9時17分05秒，轉(zhuǎn)化爐燃料氣壓力PI11305A＼B＼C高報，9點17分06秒，轉(zhuǎn)化爐燃料氣壓力PI11305A＼B＼C高高報警（三取二），觸發(fā)Z.B聯(lián)鎖。

2.3 事故分析

根據(jù)當時PSA運行時序圖，可以還原當時各吸附塔的運行情況：吸附塔G程控閥KV15107G在沖洗結(jié)束（3/T8）時，并沒有關(guān)閉，發(fā)生閥檢報警，4/T1～T4步序奇數(shù)列塔沒有進入沖洗步驟，沖洗閥PV15103A、PV15104B處于關(guān)閉狀態(tài)，G、J塔在三均時氣體憋在奇數(shù)列沖洗管線中，所以沒有馬上反映到解析氣中，解析氣量未第一時間發(fā)生變化，當進入4/T5步序后，A、G塔進行二均，I塔進入沖洗步驟，7I閥打開，瞬間A、G塔內(nèi)大量氫氣通過I塔沖洗閥門進入解析氣中。

3 7＃故障的不同現(xiàn)象及處理方法

3.1 7＃故障關(guān)不上的兩種情況

1）兩塔在異側(cè)連續(xù)沖洗，因10塔運行時。奇數(shù)列和偶數(shù)列吸附塔依次交替進行沖洗，兩塔沖洗始終處于異側(cè)，9塔運行工況下，因奇數(shù)列和偶數(shù)列運行吸附塔數(shù)量不同，每個大周期會有一次兩塔在同側(cè)沖洗的情況，其它時間都是異側(cè)沖洗。

事故現(xiàn)象：當沖洗結(jié)束7＃程控閥故障關(guān)不上時，待故障塔同列的吸附塔再次進入沖洗步驟時，才會造成竄壓影響解析氣流量，有一定時間延遲（10塔在 T5～T8，9塔在T1～T4）。

處理方法：此次KV15107G故障，雖然第一時間出現(xiàn)了閥檢報警，但解析氣量未第一時間發(fā)生變化，存在61 S的延遲，當解析氣流量開始增加后，21 S的時間就觸發(fā)聯(lián)鎖，期間可以進行調(diào)整的時間很短。參考上次事故經(jīng)驗，當PSA的7＃程控閥發(fā)生閥檢報警，應(yīng)馬上減少解析氣進轉(zhuǎn)化爐的流量。先將FV15103關(guān)小5%～10%的閥位，燃料不足部分可通過開大補充燃料氣閥門FV11302進行補充，同時調(diào)整鼓引風機擋板，穩(wěn)定爐膛負壓，然后再判斷報警的原因（閥檢故障、閥門故障開或未打開的問題）。如果解析氣量開始大幅度增加，快速切出部分PSA解析氣，直到解析氣對轉(zhuǎn)化爐的影響基本可控，再查找故障原因。

2）兩塔在同側(cè)連續(xù)沖洗。Ⅰ列PSA正常情況下為10塔運行，當發(fā)生異常情況時，可以進行切塔操作，9塔運行時奇數(shù)列和偶數(shù)列數(shù)量不同，就會發(fā)生連續(xù)沖洗的兩個塔處于同側(cè)，同理可知8塔運行，7塔運行，6塔運行時也會有同側(cè)連續(xù)沖洗的情況。表1以9塔9-3-3/P運行工況為例分析。

由表1可知，以切出A塔為例，同為偶列的兩個吸附塔B、J同時沖洗時，先進行沖洗的J塔處于P1B、P1C時，后進入沖洗的 B塔開始P2A、P2B，隨后J塔沖洗結(jié)束進入均壓升階段，B塔進入P2C，繼續(xù)進行沖洗。如果此時J塔的7＃閥故障未關(guān)閉，會造成J、B兩塔連通，在J塔E3R、E2R階段大量氫氣通過B塔進入到解析氣中，馬上就會造成解析氣的大幅增加。

表1 切除一個吸附塔后9-3-3/P工況分析Tab.1 9-3-3/Pworking condition analysis after removing an adsorption tower

事故現(xiàn)象：同側(cè)沖洗的兩個吸附塔，先進行沖洗的吸附塔結(jié)束沖洗后，7＃未關(guān)閉會馬上發(fā)生竄壓事故，解析氣流量立即大幅度增加，造成混合燃料氣壓力快速升高，爐膛負壓減小，氧含量下降，爐溫升高等現(xiàn)象。

處理方法：看到7＃程控閥閥檢報警或是PSA解析氣流量大幅度增加、爐膛負壓快速降低等現(xiàn)象應(yīng)第一時間壓減PSA解析氣進轉(zhuǎn)化爐的流量，快速切出部分解析氣。當FV15103閥位控制在40%以下，解析氣對轉(zhuǎn)化爐的影響基本可控時，再查找事故的具體原因，切出故障塔。通過調(diào)整補充燃料氣和鼓引風機擋板，穩(wěn)定爐膛溫度和負壓，操作要準確快速，避免轉(zhuǎn)化爐聯(lián)鎖停工。

3.2 7＃故障打不開

由表2可知，當逆放結(jié)束進入沖洗步驟時，如果7＃故障無法打開，會因缺少一個沖洗塔而造成解析氣流量的大幅減少，減少時間將持續(xù)到下一個待沖洗的吸附塔進入沖洗步驟為止。

表2 9-3-3/P部分時序圖Tab.2 9-3-3/P part timing diagram

以9-3-3/P工況為例（見表2）：5號塔在1/T5步序時進入沖洗，直到2/T8步序結(jié)束，在此期間產(chǎn)生大量解析氣，另外產(chǎn)生解析氣的還有：在1/T5～T8時間內(nèi)同時沖洗的4號塔，在2/T2～T4，T5～T8時間內(nèi)分別進行逆放和沖洗的6號塔。

同理10-3-4/P運行工況下，當逆放結(jié)束進入沖洗步驟時，如果7＃故障無法打開，也會造成一樣的影響。分析可知與7＃故障關(guān)不上不同的是：無論是異側(cè)還是同側(cè)連續(xù)沖洗，都會因減少一個沖洗塔而立刻造成解析氣的大量減少。

事故現(xiàn)象：解析氣流量快速大幅度減少，轉(zhuǎn)化爐混合燃料氣壓力降低，爐膛負壓增大，剩余氧含量升高，爐膛溫度降低等。因沖洗無法進行，吸附劑不能充分再生，下一周期該塔吸附時產(chǎn)品氫純度下降。

處理方法：當發(fā)生7＃閥檢報警且解析氣大量減少時，快速手動開大補充燃料氣閥，縮短吸附時間，延緩解析氣壓力、流量下降速度，同時關(guān)小解析氣閥，減弱解析氣對轉(zhuǎn)化爐的影響，調(diào)整鼓引風機擋板開度，防止爐膛負壓過大觸發(fā)聯(lián)鎖，查看壓力趨勢，確定閥門故障后切出故障吸附塔。

4 結(jié)論

7＃沖洗程控閥無法關(guān)閉時會存在兩種情況：一種是延遲一段時間，再出現(xiàn)解析氣量大幅波動，另一種是馬上出現(xiàn)解析氣量大幅波動。7＃沖洗程控閥無法打開時，無論在何種工況下，都會因減少一個沖洗塔而立刻導(dǎo)致解析氣量大幅減少。以上各事故狀態(tài)均需馬上進行針對性處置，避免發(fā)生聯(lián)鎖停車事故。