Shell氣化裝置泄壓閥氣路改造與控制優(yōu)化

宋太浩

（河南省中原大化集團(tuán)有限責(zé)任公司）

Shell煤氣化工藝是當(dāng)前世界最先進(jìn)的煤氣化技術(shù)之一，工藝流程復(fù)雜，它憑借先進(jìn)的設(shè)計理念和多重安全的控制方案促進(jìn)了煤化工行業(yè)的快速發(fā)展［1］。 Shell氣化裝置12單元為煤粉加壓輸送單元，主要是將11單元磨制干燥好的微米級煤粉，逐級加壓輸送至Shell氣化爐內(nèi)進(jìn)行氣化反應(yīng)生成合成氣。 氣化爐爐膛壓力為3.8MPa，煤粉需要從常壓狀態(tài)煤粉倉V-1201送至煤粉鎖斗V-1204進(jìn)行加壓。 其中V-1204為變壓罐，實(shí)現(xiàn)常壓接煤粉，再加壓至4.5MPa與給煤罐V-1205對接后將煤粉下至V-1205中，從而滿足給氣化爐供煤的需要，完成無擾輸送煤粉任務(wù)。

V-1204可靠的充泄壓是保證煤粉周期加壓輸送的關(guān)鍵，關(guān)系整個氣化裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。 煤粉鎖斗V-1204泄壓球閥12XV-0122在全壓差時打開泄壓，氣缸力矩大，動作頻率高（下煤周期約1h）。V-1204泄壓分3個階段來完成：泄壓閥12XV-0122為全壓差（即4.5MPa）時打開；壓力泄放至2.2MPa時打開12XV-0118，關(guān)閉12XV-0122；壓力泄放至0.15MPa時打開12XV-0120、12XV-0121。最終實(shí)現(xiàn)V-1204泄壓至常壓并與V-1201進(jìn)行對接。

1 鎖斗泄壓閥案例分析

1.1 鎖斗泄壓閥事故過程

首道泄壓閥12XV-0122為進(jìn)口Flowserve氣動固定球閥，可實(shí)現(xiàn)全壓差打開。 該閥門氣缸扭力大，在生產(chǎn)過程中故障率高，常見故障有閥門卡澀、不動作及氣缸活塞脫開等。 在第1次出現(xiàn)氣缸活塞脫開后，由于裝置正在運(yùn)行，時間緊，采取了焊接的方案， 將活塞和活塞備緊螺帽直接焊接。在線運(yùn)行3天后，再次脫開。 第2次處理時，考慮到直接焊接導(dǎo)致焊接面脫開， 屬于應(yīng)力強(qiáng)度不夠，對焊接方案進(jìn)行了重新設(shè)計，在氣缸軸上用砂輪機(jī)打磨出一圈凹槽后進(jìn)行焊接處理，使焊肉與軸形成一體，相當(dāng)于一個限位焊接銷［2］。

1.2 活塞脫開的受力分析與設(shè)計缺陷

要分析氣缸活塞脫開的原因，需要了解氣缸的構(gòu)造和受力情況。 氣缸為雙作用撥叉式氣缸，活塞由備緊螺帽固定，螺紋位于氣缸軸車加工變細(xì)端。 根據(jù)生產(chǎn)運(yùn)行情況分析，閥門打開過程中，在前后壓差為4.5MPa時開閥，此時氣缸的受力最大。 氣源從氣缸右側(cè)進(jìn)氣，推動活塞運(yùn)動帶動撥叉轉(zhuǎn)動使閥門打開。 閥門打開時，活塞備緊螺帽不受活塞產(chǎn)生的推力。 氣缸軸采用車細(xì)變徑設(shè)計，足可以承受活塞氣源推力和活塞啟動力。 因此，不再對閥門打開時的受力進(jìn)行分析計算。 此處著重分析閥門關(guān)閉時的氣缸活塞和螺栓受力情況。

活塞脫開的原因是氣缸軸螺桿絲紋產(chǎn)生塑性變形，導(dǎo)致活塞備緊螺帽脫開。 主要側(cè)重分析計算閥門關(guān)閉時，活塞備緊螺帽的受力情況。 鑒于缺少進(jìn)口閥門氣缸軸的各項(xiàng)參數(shù)信息，無法具體確定其強(qiáng)度等級，只進(jìn)行粗略性計算和定性判斷。 不考慮氣缸做功效率、活塞啟動力、氣缸進(jìn)氣量與排氣量產(chǎn)生的運(yùn)動速度慣量及活塞變形對備緊螺帽應(yīng)力變化的影響等因素［3］。

氣缸為氣源推動活塞運(yùn)動，活塞端面螺帽為變載受力。 為保證在活塞受力時，活塞和軸的結(jié)合面不出現(xiàn)縫隙，防止氣缸竄氣，氣缸活塞在設(shè)計氣源壓力下受到的推力F計算如下：

式中 D——?dú)飧谆钊睆剑?6cm；

g——重力加速度，9.8N/kg；

p——?dú)庠磯毫Γ?設(shè)計壓力5.5bar （1bar=0.1MPa）。

經(jīng)計算，活塞所受氣源推力F約為132 700N。假定螺栓的剛度Cb與被連接件活塞的剛度Cm相同，則螺栓受到的總拉力F2為：

式中 F0——備緊螺帽預(yù)緊力，因密封性要求，F(xiàn)0=（1.5～1.8）F，選擇F0=1.5F。

按照式（1）計算螺栓受到的總拉力F2約為265 400N。

對氣缸活塞備緊絲強(qiáng)度進(jìn)行核算，因缺少該閥軸的各項(xiàng)參數(shù)信息，取軸絲帽性能等級中的高強(qiáng)度等級8.8來進(jìn)行驗(yàn)證，即螺栓公稱抗拉強(qiáng)度σb=800MPa，其屈服應(yīng)力強(qiáng)度σs=640MPa。 只從定性角度分析，不再進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校核計算，直接取安全系數(shù)s=3，則許用拉應(yīng)力［σ］為：

式中 d1——螺桿危險截面小徑，約為42mm。

按照式（2）計算得出軸螺桿在閥門關(guān)閉時的應(yīng)力強(qiáng)度：σ=191.7MPa≤［σ］=213.3MPa。

從上述數(shù)據(jù)可以看出，實(shí)際計算結(jié)果已經(jīng)非常接近許用拉應(yīng)力［σ］，沒有充足余量。但在理論數(shù)據(jù)上是可以接受的， 這也是閥門能在運(yùn)行幾年后，才開始出現(xiàn)活塞脫開的原因。 原Flowserve閥門實(shí)際活塞備緊螺帽為非標(biāo)準(zhǔn)件，螺帽厚度小于0.5d1，屬于超薄螺帽。 該結(jié)構(gòu)螺帽承載能力極其有限，而非上述計算耐受應(yīng)力強(qiáng)度。超薄螺帽多用于非承力結(jié)構(gòu)的連接，螺紋一般為細(xì)牙［4］，因此該氣缸結(jié)構(gòu)存在較大設(shè)計缺陷，不能承載活塞推動力，特別是每小時開關(guān)一次這樣頻繁變載力的場合。

2 閥門故障處理與氣路優(yōu)化改造

已從氣缸活塞受力得知閥門設(shè)計存在缺陷。進(jìn)口閥門設(shè)計者可能考慮到閥門關(guān)閉時，閥前后無壓差，所受力矩較小。 但未意識到閥門關(guān)閉到位后，活塞由于沒有在氣缸端蓋處，對活塞未設(shè)計到位限位頂絲，此時氣源產(chǎn)生的推力對螺桿螺帽應(yīng)力最大，導(dǎo)致活塞脫開。 筆者所在團(tuán)隊給出第1種改造方案： 在氣缸端蓋上加裝閥門活塞限位頂絲來抵消應(yīng)力。 鑒于加工難度和如何減少到位時撞擊等問題，未實(shí)施。 第2種改造方案：對閥門控制氣路進(jìn)行改造，也是目前在生產(chǎn)上實(shí)現(xiàn)的方案。 改造實(shí)現(xiàn)的功能是閥門開關(guān)到位后，電磁閥失電，氣缸排氣，活塞不再受氣源產(chǎn)生的推力，從而有效消除進(jìn)口氣缸的設(shè)計缺陷［5］。 閥門原設(shè)計氣路控制如圖1所示，氣源經(jīng)過濾器減壓閥分3路，一路給兩位五通電磁閥供氣，作為對開、關(guān)兩個氣動換向閥（也稱氣控閥）的先導(dǎo)氣動信號；另外兩路作為進(jìn)氣動換向閥的動力氣源，實(shí)現(xiàn)氣缸兩側(cè)排進(jìn)氣，推動活塞動作。 對這種控制方式進(jìn)行氣路分析， 當(dāng)前狀態(tài)是兩位五通電磁閥線圈2帶電（線圈1失電），先導(dǎo)氣經(jīng)B口去控制下側(cè)氣動換向閥主氣路進(jìn)氣，實(shí)現(xiàn)閥門打開。 若閥門開到位，即使線圈2再失電，由于兩位五通電磁閥的保位作用， 也無法實(shí)現(xiàn)電磁閥B口的先導(dǎo)控制氣排氣， 即氣缸下側(cè)開路會一直帶氣， 直到線圈1帶電，氣缸上側(cè)關(guān)路進(jìn)氣，開路排氣，閥門關(guān)閉。 原氣控方案現(xiàn)場實(shí)物如圖2所示。

圖1 閥門原設(shè)計氣路控制

圖2 閥門原氣控方案現(xiàn)場實(shí)物

改造后的氣路控制方案是采用兩個兩位三通電磁閥取代兩位五通電磁閥， 具體方案如圖3所示。 若上側(cè)電磁閥1帶電，先導(dǎo)氣控制上側(cè)氣動換向閥切換，主氣路從氣缸上側(cè)關(guān)路進(jìn)氣，推動活塞閥門關(guān)閉。待閥門關(guān)到位時，通過對DCS控制程序進(jìn)行修改，自動實(shí)行關(guān)電磁閥失電，這時控制的先導(dǎo)氣切換排氣， 帶動關(guān)路氣動切換閥切換，使關(guān)路側(cè)氣缸內(nèi)的氣源排氣，這樣可實(shí)現(xiàn)閥門關(guān)到位后，將氣缸內(nèi)的氣排掉，不再使活塞長時間受力。 同樣，閥開到位也可以實(shí)現(xiàn)相同功能。由于閥門是球閥，不會導(dǎo)致閥門在氣缸不帶氣的情況下有其他附加受力而誤動作。 閥門氣路改造后的實(shí)物如圖4所示。

圖3 閥門改造后的氣路控制

圖4 閥門氣路改造后現(xiàn)場實(shí)物

3 DCS順控程序中嵌入閥門開關(guān)邏輯控制

Shell煤氣化工藝煤粉輸送加壓單元控制方案比較復(fù)雜、安全可靠性高。 根據(jù)近十幾年Shell氣化爐生產(chǎn)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，筆者所在公司先后為國內(nèi)外十幾家氣化裝置提供開車技術(shù)支持，如韓國釜山、山西潞安及山東明水等項(xiàng)目，對Shell原有的控制方案進(jìn)行了修改和優(yōu)化。 針對本次改造，在12單元順控程序12KS0001里嵌入閥門開關(guān)反饋復(fù)位程序，如圖5所示。 BO01為DCS輸出給12XV-0122開電磁閥的控制，輸出為“1”，電磁閥帶電（24V），氣缸開側(cè)進(jìn)氣；輸出為“0”，電磁閥失電，氣缸開側(cè)排氣。 BO02為DCS輸出給12XV-0122關(guān)電磁閥的控制，輸出為“1”，氣缸關(guān)側(cè)進(jìn)氣，閥門關(guān)閉；輸出為“0”，電磁閥失電，氣缸關(guān)側(cè)排氣［6］。

圖5 閥門12XV-0122開關(guān)邏輯控制

BI01、BI03為 順 控 程 序12KS0001 發(fā) 出 去 閥門12XV-0122 的 開 關(guān) 指 令，BI02、BI04 為12XV-0122閥位開關(guān)位置反饋。 從圖5中可以看出，當(dāng)BI01發(fā)送開命令時BO01為“1”，當(dāng)檢測到開到位信號時BI02為“1”，即閥門開到位延時5s后，RS觸發(fā)器復(fù)位，BO01輸出變?yōu)椤?”，開電磁閥失電，開側(cè)氣缸排氣，閥開保持；此狀態(tài)下，BI03關(guān)，處于“0”，即12KS0001順控程序未輸出閥門關(guān)命令。 閥門12XV-0122關(guān)邏輯控制同上，不再詳細(xì)闡述。

4 閥門氣路控制改造的運(yùn)行效果

Shell氣化裝置煤粉加壓輸送單元有A、B兩個系列，涉及高差壓放空的閥門有12XV-0122、0222和12XV-0118、0218這4臺閥門， 均已進(jìn)行控制氣路改造和DCS控制程序重新編程， 實(shí)現(xiàn)閥門開關(guān)信號到位后，在順控程序中增加功能塊，使對應(yīng)電磁閥失電，將氣缸的氣排掉，防止螺桿備緊螺帽長時間處于受應(yīng)力狀態(tài)。

5 結(jié)束語

筆者所在團(tuán)隊在生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)進(jìn)口閥門氣缸的設(shè)計缺陷，通過理論推算進(jìn)行了驗(yàn)證。同時在國內(nèi)首次以創(chuàng)新理念對閥門氣路進(jìn)行改造， 并通過DCS控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制方案的優(yōu)化， 解決制約閥門可靠運(yùn)行的瓶頸問題，創(chuàng)造了較大經(jīng)濟(jì)效益。對這些重要閥門氣路控制改造以來， 未再出現(xiàn)活塞脫開的故障，實(shí)現(xiàn)了裝置的長周期運(yùn)行。