渣油加氫裝置高壓控制閥的選型及應用

周曉龍,林洪俊,孫來寶,王輝

(中石油華東設計院有限公司,山東 青島 266071)

隨著石油資源的日益減少以及原油重質化、劣質化趨勢的加劇,渣油加氫工藝逐漸成為渣油加工的重要手段之一。渣油加氫裝置具有臨氫、高壓、高溫、高H2S腐蝕的特點[1]，其中關鍵部位的高壓控制閥合理選型成為裝置安全、穩定運行的關鍵。高壓控制閥具有運行工況苛刻、技術復雜、采購周期長、采購成本高的特點，因此合理選型成為自控儀表工程中關注的焦點[2-3]。高壓控制閥包括高壓調節閥和高壓開關閥，高壓調節閥應用于高壓介質流量調節功能等；高壓開關閥應用于聯鎖保護安全功能、動設備停機隔離功能等。筆者結合設計的渣油加氫項目，分析及探索了典型部位高壓控制閥的選型及應用。

渣油加氫裝置原料為減壓渣油、焦化蠟油等，核心反應操作壓力達到20 MPa，操作溫度達到397 ℃。

1 高壓調節閥選型分析

1.1 類型及結構

高壓調節閥選用氣動閥。閥體選用高壓直通調節閥或高壓多級降壓角閥。

1)高壓直通調節閥適用于高靜壓、低壓差場合。高壓直通調節閥細分為高壓直通單座調節閥和高壓直通套筒調節閥。優先選用高壓直通套筒調節閥，同等操作條件下相比高壓直通單座調節閥所需推力小，可采用較小尺寸的執行機構。對于介質含催化劑粉末的情況，應選用單座調節閥，不選用套筒調節閥，避免催化劑粉末堵塞調節閥套筒。

2)高壓多級降壓角閥主要適用于高靜壓、高壓差液相場合。高壓多級降壓角閥采用角形流道，選用多級降壓閥內件結構。管道內的介質在通過多級降壓閥內件時產生多次壓降，控制每級壓降都小于發生氣蝕的最小壓差，最后達到工藝要求的壓降。有效防止氣蝕和降低噪音，保證調節閥長周期使用。

1.2 閥體及閥內件材質選擇

高壓調節閥的閥體及內件的材質和耐腐蝕性能不得低于配管材料等級規定。由于渣油加氫工藝過程中，對于具有含H2S特性的介質，調節閥接液材料應進行相應抗H2S腐蝕處理，滿足NACE MR 0103： 2007的要求[4-5]。

渣油加氫高壓調節閥閥體無特殊要求時通常采用鑄鋼，材質為A216-WCC的特種碳鋼，適用于溫度范圍為-30～425 ℃的水、油、過熱蒸汽和氣體等非腐蝕性介質。如項目在東北等寒冷地區，可選用材質為LCC的碳鋼進行替代。LCC碳鋼是一種適應寒冷地區使用的低溫碳鋼，有良好的綜合機械性能與焊接性能。目前LCC碳鋼已被歐美各國廣泛用于閥門制造。

渣油加氫介質溫度高于280 ℃且氫氣濃度較高的場合，按納爾遜曲線進行選材，且保證一定余量。高壓調節閥閥體需選用抗氫脆材料，閥體選用材質為A217-WC9的特種合金鋼。該材質可適用于高達593 ℃的氫濃度較高的高溫高壓介質。

渣油加氫介質溫度高于350 ℃且氫氣、H2S濃度較高的場合，主要分布在渣油加氫反應器、熱高分進出料部位，對高壓調節閥閥體提出了更高的要求，需要同時考慮氫脆及硫腐蝕工況。閥體材質選用A351-CF8C的奧氏體不銹鋼，奧氏體不銹鋼由于含穩定的元素鈮，使其具有了更好的耐晶界腐蝕性及高溫強度，可適用于高達649 ℃的氫氣、H2S濃度較高、高溫高壓的介質。

高壓調節閥閥內件材質的選用應優于普通調節閥閥體，閥芯、閥座等選用常規316不銹鋼材質，考慮到渣油高溫、高壓特點，閥芯、閥座一般都進行表面硬化處理，常噴涂斯泰來合金或噴涂碳化鎢等。H2S含量較高場合，如冷高分、循環氫脫硫塔液位調節閥等位置，閥內件也可選用材質為Ferralium255的雙相鋼。其他關鍵特殊部分，如熱高壓分離器等，調節閥閥內件材質選用347高級別不銹鋼。

1.3 調節閥尺寸及CV值選擇

高壓調節閥的尺寸直接影響調節品質和采購價格。調節閥尺寸取決于額定流量系數CV值，因此，合理的CV值選擇十分關鍵。高壓直通調節閥流量特性通常為等百分比特性，高壓多級降壓角閥流量特性一般為線性。

對于等百分比流量特性調節閥，應選擇合適的CV值，保證工藝流量所對應的調節開度在20%～90%。對于新氫壓縮機逐級返回壓力調節閥等特殊工況閥門，正常調節流量與最大調節流量之間差距很大，如果按常規選擇CV值，只考慮涵蓋最大流量，那么實際正常調節時，調節閥長期處于小開度調節狀態，閥門產生噪音及振動強烈，對調節閥及連接管線損傷很大。對于該類工況建議選用特殊CV值修正流量特性的調節閥。

對于線性流量特性調節閥，應選擇合適的CV值，保證工藝流量所對應的調節開度在20%～80%。對于熱高分、冷高分底部等特殊工況液位調節閥，調節閥前后壓差大，閥后氣化率高，計算CV值應該考慮到氣化工況流量，必要時還需要擴大調節角閥出口尺寸，降低介質出口流速。筆者建議，熱高壓分離器、冷高壓分離器角閥選用CV值應保證正常工況最大流量對應開度保持在50%以下，給高氣化率特殊工況預留調節余量。

2 高壓開關閥選型分析

2.1 類型及結構

高壓開關閥通常分為高壓開關球閥或高壓開關閘閥。開關球閥可用于含固體顆粒等雜質的流體管路上，因為它的球形閥芯在開啟后不能被沖刷，不易被損傷，可保證雙向關閉嚴密；在關閉過程中對流體做的是剪切運動，可有效關斷含固體顆粒、纖維等雜質的介質。而開關閘閥密封面易被沖蝕和擦傷，難以保證關閉嚴密。球閥為角行程，行程短，關閉所需時間短；閘閥為直行程，行程長，關閉所需時間長。球閥體積小，所需安裝空間小；閘閥體積大，所需安裝空間大。針對渣油加氫裝置介質工況、切斷密封要求、安裝空間等特點，筆者建議優先選用高壓開關球閥。

2.2 執行機構的選擇

用于聯鎖保護安全功能的高壓開關閥應選用氣動執行機構，以實現動力故障安全性，執行機構的選擇主要取決于輸出力和閥門開關動作時間要求。高壓開關閥參與工藝聯鎖動作時，要求執行機構有較大的輸出力，較快的響應速度，宜選用氣缸式執行機構。氣缸式執行機構可細分為單作用彈簧復位單氣缸式和雙作用雙氣缸式兩種。單作用彈簧復位氣缸具有氣路簡單、安全可靠性高的優點，但是受彈簧制造限制，彈簧輸出力有限；彈簧長時間處于壓縮狀態，輸出力進一步減小。因此，單作用彈簧復位氣缸只能適應小口徑高壓開關閥。雙作用氣缸可以克服上述缺點，但安全可靠性差，不具備故障安全性。要實現故障安全性，即動力故障時高壓開關閥能自動行至工藝要求的故障位置，必須配備備用氣源罐，但會造成氣路復雜。綜上可以看出，同雙作用氣缸相比，單作用氣缸對氣源敏感性高，可用性相對低。在工程設計中，針對高壓開關閥具體工況，根據上述分析，選擇單作用或雙作用執行機構。

當高壓開關閥不用于聯鎖保護安全功能，僅用于動設備停機隔離、火災隔離功能時，建議選用電動執行機構。電動執行機構可靠性較高，不宜發生誤動作影響工藝生產。如有火災隔離功能需要時，執行機構應配帶防火罩。

2.3 閥體及閥內件材質的選擇

目前市場上主流高壓開關球閥閥體均采用鍛件，比如HARTMANN,AST等廠家產品，閥體無特殊要求時一般選用A105材質，如項目在東北等寒冷地區，可選用A350-LF2材質替代，A350-LF2是一種適應寒冷地區使用的低溫碳鋼鍛件，低溫適用性可達到-46 ℃。

渣油加氫裝置氫氣濃度較高及高溫高壓工況，開關閥閥體宜選用F11材質；氫氣、H2S濃度較高及高溫高壓工況，閥體宜選用F321材質。

高壓開關球閥執行快速關斷工作且為旋轉型閥門，對閥桿硬度要求較高，無特殊要求時通常采用17-4PH材質閥桿。

3 渣油加氫裝置的高壓控制閥設計應用

某煉油廠的渣油加氫項目共計選用18套高壓直通調節閥，壓力等級為Class900～Class2500，其中新氫壓縮機逐級壓力返回位置選用修正流量特性套筒閥；選用16套高壓多級降壓角閥，壓力等級為Class900～Class2500，其中熱高壓分離器底出口位置采用出口擴徑的特殊結構角閥；8套高壓氣動開關球閥，壓力等級為Class900～Class2500；8套高壓電動開關球閥，壓力等級為Class900～Class2500。

3.1 高壓直通調節閥設計應用

高壓直通調節閥適用于調節閥前后低壓差場合，在渣油加氫裝置的典型應用為加氫進料泵、注水泵、高壓貧胺液泵等高壓機泵出口流量調節閥；熱高分入口溫度調節閥和循環氫壓縮機排廢氫流量調節閥。新氫壓縮機逐級返回壓力調節閥，調節壓縮機級間壓力，該處工況苛刻，調節流量變化較大，選用修正流量特性調節閥。實現原理為修正流量特性套筒，采用非均勻開孔設置，開孔大小沿調節閥全開方向逐漸變大，通過修正開孔的變化梯度，滿足調節流量變化較大時均在合理調節開度范圍內。

新氫壓縮機逐級返回壓力調節閥最大調節流量與正常調節流量的比值高達10倍，該處調節閥選型及CV值選擇一直是業內比較關注的地方。正常操作流量為5×103m3/h(標況)左右，經計算CV值為1左右；最大操作流量為5×104m3/h(標況)，經計算CV值為9左右，采用Whisper系列修正流量特性套筒閥后，CV值與開度對應關系見表1所列，正常流量對應調節閥開度40%左右，最大流量對應調節閥開度60%左右，達到了很好的開度調節范圍及降噪效果。

表1 修正套筒閥CV值與開度對應關系

3.2 高壓多級降壓角閥設計應用

高壓多級降壓角閥適用于調節閥前后液相高壓差場合，在渣油加氫裝置的典型應用為加氫進料泵、注水泵、高壓貧胺液泵等高壓機泵出口返回入口的最小流量調節閥，用于開工工況及特殊工況的流量調節；熱高分、冷高分底出口液位調節閥，其中熱高分底出口經核算氣化率高，采用出口擴徑的特殊結構角閥，控制出口介質流速，內部多級降壓閥芯及閥內流道采用“圣誕樹結構”。

3.3 高壓氣動開關球閥設計應用

高壓氣動開關球閥用于工藝安全聯鎖保護，動作響應時間快。在渣油加氫裝置的典型應用為加氫進料泵、注水泵、高壓貧胺液泵等高壓機泵出口緊急切斷，用于防止機泵停機后出口壓力竄回機泵入口；熱高分、冷高分底出口緊急切斷閥，用于防止液位低時，高壓油氣竄至下游低壓設備；裝置緊急泄壓切斷閥，用于裝置危險工況下裝置緊急泄壓。

為了在滿足可靠性的前提下，進一步提高可用性，減少誤動作概率，渣油加氫氣動開關閥均采用雙電磁閥并聯驅動，雙電磁均失電時，開關閥執行聯鎖動作，渣油加氫高壓氣動開關球閥氣路聯動邏輯如圖1所示。

3.4 高壓電動開關球閥設計應用

高壓電動開關球閥用于動設備停機隔離，性能穩定，誤動作概率低。當渣油加氫中高壓電動開關球閥用于動設備停機隔離時，其控制邏輯如圖2所示。

圖1 渣油加氫高壓氣動開關球閥氣路聯動邏輯示意

圖2 渣油加氫高壓電動開關球閥控制邏輯示意

從控制系統至電動閥電動執行機構的控制信號均采用硬接線干觸點信號，當動設備停機后，停機信號觸發對應的電動閥關斷，達到隔離作用。

在渣油加氫裝置的典型應用為加氫進料泵、高壓貧胺液泵出口，新氫壓縮機出口，循環氫壓縮機出入口。停機后，將以上動設備從工藝高壓系統中隔離切除。循環氫壓縮機出入口位置，具有火災隔離功能需要時，根據相關要求執行機構應配帶防火罩。

4 結束語

渣油加氫裝置工藝操作壓力和溫度高，工藝介質易燃、易爆，同時具有腐蝕性，一旦控制閥故障損壞，將引起可怕的災難事故，因此正確設計選型非常重要。本文從控制閥結構選擇、材質、應用等方面進行了相關探討，并經過了生產運行驗證，在此供借鑒參考。