電子連桿技術(shù)在大型乙烯裝置裂解氣大閥中的應(yīng)用

吳鋒

(中海殼牌石油化工有限公司,廣東 惠州516086)

裂解氣大閥位于裂解爐出口,在裂解物料并網(wǎng)前的位置,起到切斷裂解氣通往下游油汽分餾塔或燃料油汽提塔通路的作用,而清焦閥是位于燒焦氣排出線的起點(diǎn)。通常所說的裂解氣大閥是指裂解氣閥和清焦閥組成的裂解氣閥組,在每一組裂解爐管的出口并網(wǎng)前都會(huì)設(shè)置1套裂解氣大閥用于清焦操作。由于裂解爐管在正常生產(chǎn)過程中容易結(jié)焦,導(dǎo)致其裂解能力下降,所以需要對(duì)裂解爐管進(jìn)行定期的清焦操作。清焦過程中,通過蒸汽或空氣與焦塊進(jìn)行反應(yīng),將附著在裂解爐輻射爐管和急冷鍋爐換熱管內(nèi)壁的焦塊脫除,清焦氣中含有氧氣,不允許進(jìn)入下游分離系統(tǒng)。當(dāng)裂解爐清焦或者停爐時(shí),必須將裂解氣通往下游急冷系統(tǒng)通路切斷,防止下游的裂解氣反竄與清焦氣接觸而發(fā)生事故。裂解氣大閥的順利開關(guān)和良好的密封對(duì)裂解爐的安全運(yùn)行有著重要的作用。

在正常生產(chǎn)時(shí),流過裂解氣大閥的介質(zhì)為裂解產(chǎn)物烴和蒸汽的混合物,當(dāng)急冷器在大閥上游時(shí),溫度為200～220 ℃;當(dāng)急冷器在裂解氣大閥下游時(shí),溫度為360～550 ℃,具體的溫度與爐型有關(guān)。清焦切換操作時(shí)介質(zhì)為蒸汽,清焦時(shí)介質(zhì)為蒸汽、空氣或者二者的混合汽,并帶有焦渣。當(dāng)正常生產(chǎn)時(shí),裂解氣閥全開,管道暢通,清焦閥完全關(guān)閉,確保裂解后的物料能夠并網(wǎng)。而清焦操作或停爐時(shí),則需將裂解氣閥完全關(guān)閉,將單臺(tái)裂解爐從并網(wǎng)的系統(tǒng)管道中切除隔離,并將清焦閥打開。

1 裂解氣大閥的形式和特點(diǎn)

目前,中國大型乙烯項(xiàng)目所使用的裂解氣閥和清焦閥通常有雙閘板閥、單閘板閥、蝶閥和楔形閥。四種閥門型式和特點(diǎn)如下:

1)雙閘板閥。采用雙金屬密封面,密封效果好,關(guān)閉時(shí)靠2塊閘板間楔形件的擠壓實(shí)現(xiàn)密封,開啟時(shí)楔形件先松開,這樣閥板與密封件的摩擦力變小。閥門的體積和質(zhì)量都大,配管布置較為困難,采用全鋼板焊接結(jié)構(gòu),對(duì)管道應(yīng)力的承受力有限,在管道應(yīng)力的作用下容易發(fā)生局部的形變,引起閥門開關(guān)不暢甚至卡死情況。閥門采用直通式結(jié)構(gòu),管道內(nèi)部無擾流部件,流通面積與管道相同,不易堵塞,壓降小。

2)單閘板閥。采用單閘板形式,依靠密封件與閥板間的接觸實(shí)現(xiàn)密封,早期的設(shè)計(jì)多為單密封面,近年來多采用雙密封面設(shè)計(jì)。開啟和關(guān)閉時(shí)閥板與密封件間的摩擦力較大,所需要的力矩也較大。閥體體積及質(zhì)量也較大,配管連接較困難,采用全鋼板焊接結(jié)構(gòu),對(duì)管道應(yīng)力的承受較弱,閥板局部受應(yīng)力作用易變形,密封件長時(shí)間運(yùn)行后易損壞。由于實(shí)際使用過程中出現(xiàn)的問題較多,新建的乙烯裝置采用單閘板裂解氣大閥的越來越少。

3)蝶閥。其特點(diǎn)是體積小、質(zhì)量輕,配管布置相對(duì)容易,閥體本身對(duì)管道應(yīng)力的承受力強(qiáng)。開啟和關(guān)閉過程中蝶板與密封件間無摩擦,開關(guān)的力矩小。蝶板處于管道中,在開啟的瞬間,閥板既需要克服管道上下游大的差壓,又需要克服閥板和閥體密封面遺留的焦?fàn)钗镔|(zhì)造成的摩擦阻力,阻力過大時(shí)容易導(dǎo)致閥板無法打開。同時(shí),蝶板位于流道中,易受沖蝕而造成密封面的損壞,所以該種型式的裂解氣大閥必須在閥板上面設(shè)置防沖蝕的保護(hù)內(nèi)件,才能在長期運(yùn)行后確保關(guān)閉時(shí)候的密閉性,在大型爐上面使用優(yōu)勢明顯。

還有一種是楔形閥,在國內(nèi)使用較少,本文不再贅述。

2 裂解氣閥和清焦閥的工作模式

裂解氣閥和清焦閥的工作模式有以下三種:

1)裂解模式。在裂解模式下,裂解氣閥開啟,清焦閥關(guān)閉,裂解爐進(jìn)行裂解,裂解氣和急冷油混合共同進(jìn)入分離塔,此時(shí)工況壓力為0.1 MPa,溫度約為250 ℃,工作1個(gè)周期(30～60 d)后,裂解爐內(nèi)壁結(jié)焦,效率降低,需要清焦,閥門進(jìn)入切換模式。

2)切換模式。在切換模式下,裂解氣閥逐步關(guān)閉,清焦閥逐步開啟,至裂解氣閥全關(guān),清焦閥全開狀態(tài),進(jìn)入清焦模式。

3)清焦模式。在清焦模式下,裂解氣閥全關(guān),清焦閥全開。當(dāng)裂解爐在清焦時(shí),急冷器停止噴油,含有焦碳顆粒的煙道氣通過清焦閥放空,此時(shí)工況壓力為0.07 MPa,溫度為400～500 ℃,持續(xù)1～2 d后,再次切換,至裂解氣閥全開,清焦閥全關(guān),再次進(jìn)入裂解模式,如此循環(huán)往復(fù)。

3 裂解氣大閥的聯(lián)動(dòng)控制方案

在裂解氣大閥切換時(shí)既要保證管網(wǎng)中的裂解氣不倒流,又要保證上游爐管及熱能回收器(TLE)不超壓。因此,裂解氣閥和清焦閥聯(lián)動(dòng)的控制方案顯得尤為重要,目前常規(guī)的控制方法有兩種: 一種是雙閥之間無互相聯(lián)動(dòng)的聯(lián)鎖,切換時(shí)完全靠操作人員在現(xiàn)場觀測閥門前后的差壓,然后交替開關(guān)2臺(tái)閥門,操作時(shí)不但需要的人員多,而且勞動(dòng)強(qiáng)度大,容易造成誤操作;另一種是三閥聯(lián)動(dòng)的聯(lián)鎖,在裂解氣閥的旁邊增設(shè)一個(gè)小的清焦閥,小清焦閥與裂解氣閥用機(jī)械連桿進(jìn)行機(jī)械聯(lián)鎖,2臺(tái)閥門的聯(lián)動(dòng)關(guān)系是在關(guān)裂解氣閥的同時(shí)開小清焦閥,當(dāng)裂解氣閥全開后再關(guān)大清焦閥,反之亦然。從國內(nèi)使用該方式的裝置來看,這種機(jī)械連桿的可靠性并不高,由于包括熱應(yīng)力和冷應(yīng)力等的各種應(yīng)力的存在,經(jīng)常導(dǎo)致機(jī)械連桿變形卡塞,反而造成了裂解氣大閥的開關(guān)困難,有些裝置甚至不得不拆除機(jī)械連桿,重新依靠人工操作來解決問題。

隨著電子技術(shù)的進(jìn)步,目前又開發(fā)出了“電子連桿”技術(shù),采用“電子連桿”無需設(shè)小清焦閥,而是通過獨(dú)立的冗余的PLC或者是通過DCS中的聯(lián)鎖來實(shí)現(xiàn)裂解氣閥與大清焦閥的互相切換,為了實(shí)現(xiàn)在切換過程中對(duì)裂解氣閥上下游壓力的精確控制,一般會(huì)對(duì)閥前后的取壓點(diǎn)進(jìn)行“三取二”的設(shè)置。該方案對(duì)控制系統(tǒng)和前后壓力測量點(diǎn)的要求非常高,能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)切換,安全系數(shù)高,降低操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

4 “電子連桿”技術(shù)的應(yīng)用

4.1 應(yīng)用簡介

以Zimmermann &Jansen公司的雙閘板閥為例,詳細(xì)介紹了使用“電子連桿”技術(shù)的裂解氣大閥在某80 kt/a乙烯項(xiàng)目中的應(yīng)用。Zimmermann &Jansen公司為該項(xiàng)目提供了1套雙閘板閥,該閥應(yīng)用了一些特殊的設(shè)計(jì)技術(shù)。

4.2 閥門結(jié)構(gòu)

該閥采用平板閘板閥體設(shè)計(jì)和平行閥座,在閥門開啟位置,閥門流道形成平直的通路,使固體顆粒通過閥門時(shí)不會(huì)進(jìn)入閥體內(nèi)部。在閥開啟位置和關(guān)閉位置,閥體的閥座表面是完全封閉而被保護(hù)的。閥板架上部裝配有2塊獨(dú)立的閘板,閘板具有楔球結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)“雙隔斷、雙吹掃”的應(yīng)用,即1臺(tái)單獨(dú)的閥門,在關(guān)閉位置提供一個(gè)主動(dòng)密封效果。由于內(nèi)部的楔球結(jié)構(gòu)是非自鎖的形式,所以閥門在高溫或溫度變化劇烈的情況下依然能夠順暢、安全的運(yùn)動(dòng),而不會(huì)造成卡塞。閥門開啟過程中, 2個(gè)楔形件被提起直至其上表面緊靠“阻擋塊”,上游閘板由于工藝流體的壓力被釋放,所以整個(gè)閥板只需要克服下游蒸汽閘板和流體壓力造成的摩擦。帶動(dòng)2塊閥板和膨脹節(jié)的閥板架可以精確地在2塊導(dǎo)板之間運(yùn)行,導(dǎo)板和閥板架是金屬對(duì)金屬的接觸。口徑大于DN250的閥門安裝有膨脹節(jié),用以防止固體顆粒物在閥門運(yùn)動(dòng)和開啟狀態(tài)時(shí)進(jìn)入閥體。可移動(dòng)閥座墊圈連接一個(gè)波紋膨脹節(jié),通過波紋膨脹節(jié)自身的膨脹以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)密封,可以將吹掃蒸汽消耗量減少到最低限度。

4.3 控制系統(tǒng)

裂解氣大閥是由1臺(tái)裂解氣閥和1臺(tái)清焦閥組成的(未設(shè)小清焦閥),2臺(tái)閥門的互相聯(lián)動(dòng)是依靠1套獨(dú)立的S7-400控制系統(tǒng)來完成的,S7-400與DCS進(jìn)行通信,主要的操作界面顯示在DCS的操作畫面上,而與裝置的聯(lián)鎖信號(hào)則由硬線連接到SIS中。應(yīng)用電子連桿技術(shù)的裂解氣大閥控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 裂解氣大閥控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

在現(xiàn)場設(shè)置了一個(gè)現(xiàn)場操作盤用于和PLC通信,可以顯示當(dāng)前控制系統(tǒng)內(nèi)的各個(gè)狀態(tài)和參數(shù),閥門的執(zhí)行機(jī)構(gòu)使用的是Rotork的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。按照清焦時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)切換裂解爐的要求,在閥前和閥后的管道上分別設(shè)置了3個(gè)壓力測量點(diǎn),用于監(jiān)測閥前后的壓力變化,3個(gè)取壓點(diǎn)進(jìn)行“三取二”。為了確保壓力測量的準(zhǔn)確性,在閥體上沿著閥板運(yùn)行的方向設(shè)有1臺(tái)閥位連續(xù)測量檢測器,用于監(jiān)測大閥當(dāng)前所處的運(yùn)行位置,并且連續(xù)測量的閥位還可以實(shí)時(shí)的跟參與控制的位置開關(guān)進(jìn)行比對(duì)。在大閥的全開和全關(guān)位置,分別設(shè)置了3個(gè)位置反饋開關(guān)進(jìn)行“三取二”的聯(lián)鎖,防止由于其中的某個(gè)開關(guān)故障后造成聯(lián)鎖程序無法運(yùn)行。

4.4 防止儀表故障誤動(dòng)作方法

為防止儀表故障誤動(dòng)作,在PLC中進(jìn)行了剔除壞值的設(shè)定,防止其中一個(gè)取壓點(diǎn)的變送器故障對(duì)整個(gè)清焦過程的影響,剔除壞值的方法是對(duì)壓力變送器的實(shí)時(shí)值進(jìn)行監(jiān)控,當(dāng)壓力變送器值在1 s內(nèi)突然降為零,則馬上旁路該變送器“三取二”中的聯(lián)鎖觸發(fā)邏輯,并啟動(dòng)一個(gè)30 min的聯(lián)鎖觸發(fā)延時(shí),并給出報(bào)警,需要操作員在30 min內(nèi)檢查并處理該變送器故障,如果30 min內(nèi)沒有處理該變送器故障,“三取二”聯(lián)鎖仍然會(huì)觸發(fā)。

4.5 閥門聯(lián)動(dòng)運(yùn)行過程

在需要進(jìn)行清焦操作時(shí),裂解氣閥和清焦閥互相聯(lián)動(dòng)行程如圖2所示。當(dāng)切爐的程序啟動(dòng)后,清焦過程中裂解氣閥和清焦閥隨時(shí)間變化的閥門位置曲線如圖3所示。

圖2 裂解氣閥和清焦閥清焦過程行程曲線示意

圖3 裂解氣閥和清焦閥開度隨時(shí)間變化的曲線示意

在清焦過程中,隨著閥門開度的不同,管道中的壓力也在不斷變化,為了防止危險(xiǎn)事件的發(fā)生,設(shè)計(jì)了高低限壓力控制運(yùn)行區(qū)間,管道壓力隨時(shí)間變化曲線如圖4所示。整個(gè)壓力變化始終被控制在高低限的壓力區(qū)間,確保清焦過程的安全。

圖4 不同溫度條件下管道壓力隨時(shí)間變化曲線示意

反之當(dāng)清焦模式結(jié)束需要投用時(shí)候,裂解氣閥和清焦閥清焦結(jié)束后返回過程的行程曲線如圖5所示。

圖5 清焦結(jié)束返回過程的行程曲線示意

清焦結(jié)束后返回過程中,裂解氣閥和清焦閥隨著時(shí)間的實(shí)際閥門位置曲線如圖6所示。

圖6 清焦結(jié)束后返回過程實(shí)際閥位曲線示意

在清焦結(jié)束投用的過程中管道中壓力的控制變化曲線如圖7所示,真實(shí)的壓力要始終控制在高低限壓力曲線之間。

圖7 清焦結(jié)束后壓力控制曲線示意

在切換爐程序中仍然設(shè)有手動(dòng)操作模式,所以在現(xiàn)場設(shè)置了現(xiàn)場操作盤用于非正常的工況下,現(xiàn)場可以由操作人員手動(dòng)操作2臺(tái)閥門的開關(guān),現(xiàn)場盤的上部是一個(gè)液晶顯示屏,跟西門子的PLC用通信方式進(jìn)行連接,用于現(xiàn)場顯示當(dāng)前2臺(tái)閥門的控制信息。在液晶屏的下部是手動(dòng)操作按鈕,用來在現(xiàn)場對(duì)2臺(tái)閥門進(jìn)行手動(dòng)的控制。

目前在裂解氣閥應(yīng)用的最廣泛的仍然是雙閘板閥,隨著裂解爐單臺(tái)能力的擴(kuò)大,尤其是100 kt以上裂解爐,裂解氣閥口徑達(dá)到了DN1 000以上,大口徑的雙閘板閥也出現(xiàn)了一些開關(guān)不暢的問題,這次電子連桿技術(shù)的應(yīng)用,也是一次新技術(shù)應(yīng)用的嘗試,該套控制方案的應(yīng)用,能夠大幅的減少操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度,減少了誤操作,減少切換裂解爐的時(shí)間,同時(shí)依靠技術(shù)手段增強(qiáng)了切換裂解爐時(shí)候的安全性和穩(wěn)定性。

5 裂解氣大閥的改進(jìn)

裂解氣大閥在清焦過程中的故障,會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性的后果,嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致整個(gè)裂解爐燒塌,造成財(cái)產(chǎn)的損失和人員的傷害。由人員的疏忽和誤操作導(dǎo)致的事故比比皆是,提供可靠的自動(dòng)化控制系統(tǒng)和方案,提高自動(dòng)化操作水平,是解決人為的疏忽和不安全因素導(dǎo)致故障的根本手段。裂解氣大閥清焦過程自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn),不僅需要有程序控制方案,還需要對(duì)裂解氣大閥進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化,雖然裂解氣大閥經(jīng)過了幾十年的發(fā)展,已經(jīng)發(fā)展到了雙閘板閥時(shí)代,但是在清焦的過程中仍然無法避免閥門開啟和關(guān)閉時(shí),有卡頓和延時(shí)的現(xiàn)象發(fā)生,當(dāng)閥門發(fā)生卡頓時(shí)會(huì)嚴(yán)重影響自動(dòng)清焦曲線和程序的運(yùn)行,所以對(duì)裂解氣大閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改進(jìn),減少閥門卡澀,以及現(xiàn)場壓力和閥位的準(zhǔn)確測量是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制的關(guān)鍵因素。下面分別就上述兩方面進(jìn)行探討:

1)裂解氣大閥結(jié)構(gòu)改進(jìn)。裂解氣大閥在運(yùn)行過程中的卡澀主要來自于閥體的閥板和平行閥座之間的結(jié)焦顆粒,雖然雙閘板做了特殊的設(shè)計(jì)防止物料進(jìn)入閘板移動(dòng)的滑道內(nèi),但是仍然不能避免日積月累的微小顆粒在軌道內(nèi)的聚集,所以改進(jìn)閥門蒸汽吹掃系統(tǒng),是有效增加閥門運(yùn)行順暢的措施,例如設(shè)計(jì)蒸汽吹掃口可以更加接近閥板的滑道位置,提升吹掃效率,讓閥門的運(yùn)行更加順滑。

2)壓力和閥位測量改進(jìn)。裂解氣大閥前后的壓力和閥位的測量是非常重要的,現(xiàn)有的方案實(shí)現(xiàn)了閥前和閥后壓力測量的“三取二”,可靠性得到了很大的提升,但是這3個(gè)壓力測量點(diǎn),是通過一個(gè)取壓口獲得壓力值,一旦該取壓口發(fā)生堵塞,將會(huì)直接導(dǎo)致自動(dòng)清焦過程失效,所以在條件允許的情況下,3個(gè)壓力點(diǎn)的取壓口盡量要分開,實(shí)現(xiàn)真正的獨(dú)立取壓。裂解氣大閥的真正運(yùn)行位置對(duì)于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)清焦程序也是非常重要的,現(xiàn)有項(xiàng)目是在閥桿上增加了1個(gè)閥位的連續(xù)測量檢測設(shè)備,為了能夠更加真實(shí)而準(zhǔn)確地測量到閥位,還應(yīng)該增加其他的測量手段,例如利用裂解氣大閥電動(dòng)頭內(nèi)部的位置反饋器,采用通信的方式,將位置信號(hào)傳輸?shù)紻CS,然后再將閥位連續(xù)測量值和電動(dòng)頭內(nèi)部位置測量值在DCS內(nèi)部與閥門輸出值進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì),結(jié)合閥位運(yùn)行曲線,判斷哪一個(gè)位置信號(hào)是更加真實(shí)的,在3個(gè)閥位數(shù)據(jù)產(chǎn)生較大偏差時(shí),要及時(shí)輸出報(bào)警信號(hào)提醒操作人員,及時(shí)進(jìn)行必要的檢查和確認(rèn)。

上述改進(jìn)措施都能夠進(jìn)一步的增強(qiáng)裂解氣大閥在清焦過程中的安全性,以及增加自動(dòng)清焦程序運(yùn)行的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

6 結(jié)束語

國內(nèi)大型乙烯裂解裝置,在清焦過程中多次出現(xiàn)過重大安全事故,導(dǎo)致著火、燒毀裂解爐、以及人員傷亡情況發(fā)生,目前國內(nèi)還有很多的裂解爐清焦過程是靠機(jī)械連桿去實(shí)現(xiàn),實(shí)際使用過程中因?yàn)闄C(jī)械連桿故障率非常高,絕大多數(shù)都是依靠操作人員手動(dòng)完成整個(gè)清焦過程,耗時(shí)又耗力,一旦出現(xiàn)著火或者爆炸事故,人員撤離會(huì)非常困難。采用電子連桿技術(shù)實(shí)現(xiàn)裂解氣閥和清焦閥互相聯(lián)動(dòng)來完成整個(gè)清焦過程,可以最大程度地減少人力成本,增加切換過程的準(zhǔn)確性和安全性。尤其是安全方面,現(xiàn)場減少了人員監(jiān)控和操作,使得清焦過程更加平穩(wěn)、安全和精準(zhǔn)。