天然氣凈化廠在役切斷閥防卡澀氣路設計優化

林萬洲,劉海泉,侯開紅,潘向東

(1. 中國石油西南油氣田川東北作業分公司,四川 達州 636164;2. 中國石油西南油氣田天然氣凈化總廠,重慶 400021)

天然氣凈化廠是對天然氣進行脫硫(碳)、脫水并對酸氣進行處理的工廠[1],工藝介質有天然氣、酸氣、液硫和富胺液等,具有高溫、高壓、有毒等特性,屬于高?；て髽I[2]。正常穩定運行的生產裝置,由于突發產生波動或出現緊急事故時,自控系統發出緊急停車信號,聯鎖切斷閥會快速響應,關閉進料切斷閥,切斷物料供給,同時打開吹掃和放空閥,將易燃、易爆、有毒的介質排放出去[3]。天然氣凈化廠內設有大量的切斷閥,用于快速制止事故發生或制止小事故進一步惡化、蔓延造成大的事故[4]。

1 故障情況

某9.0×106m3/d高含硫天然氣凈化廠單列凈化裝置擁有2臺高壓貧砜胺液泵,一臺為電機驅動,另一臺為蒸汽透平驅動[5]。在由電機泵切換至透平泵運行過程中,透平泵啟運正常后需停運電機泵時,需先打開電機泵出口切斷閥YV-070993,實現泵輸送溶液的回流,然后關閉電機泵出口主閥,最后關停電機泵。YV-070993閥為氣關閥[6-8],設計最大關斷壓差為10 MPa,現場實際最大關斷壓差為8 MPa,作用方式為單作用,閥門打開過程依靠氣缸內的受力彈簧復位的作用力克服閥門前后壓差。但實際切換操作過程中,由于兩泵并列運行時YV-070993閥前后壓差較高,不小于10 MPa(超過了設計值),當收到打開信號時克服不了閥門前后壓差,故出現切斷閥無法正常打開的情況[9]。遇到該情況時,操作上通常臨時采用直接強制停運電驅泵的方式進行切泵操作。電驅泵停運后,切斷閥前后壓差變小,閥門自動打開。

2020年,凈化廠針對產品氣和尾氣雙達標的目標進行了改造[10-11],調整了工藝流程,切斷閥內介質由半貧砜胺液變為貧砜胺液[12],切斷閥實際關斷壓差由不小于10 MPa降至不小于8 MPa,壓差雖然有所減小,但閥門仍多次出現無法打開的現象。

2 傳統解決方法

常規解決措施有以下幾種：

1)更換彈性系數更大的彈簧,增大彈簧回彈力度,保證足夠驅動閥門打開。

2)更換輸出扭矩更大的執行機構,確保執行機構彈簧提供的彈力扭矩滿足閥門打開動作時所需扭矩。

3)采用清洗液定期清洗閥座腔,確保閥座運動自由。

4)閥桿填料函注脂潤滑油,降低閥桿與填料間的摩擦阻力。

5)為回流切斷閥增設小口徑旁通手動閥,當回流切斷閥無法打開時,開啟旁通閥用于平衡切斷閥前后壓力,減小壓差,輔助切斷閥打開。

綜上所述,都需將閥門下線進行改造,需另采購彈簧或執行機構,費用較高,改造工作量大且耗時長;增設平衡閥又不符合設計規范。因此,提出閥門維保可在線實施,且工作量小的氣路系統優化改造措施。

3 氣路系統優化

3.1 原氣路系統工作原理

3.1.1 閥門關閉動作

切斷閥原氣路系統流程如圖1所示,儀表風進入主氣路通過過濾減壓閥、安全閥和上支路進入兩位三通氣控閥后截止,因為此時兩位三通氣控閥處于自然位,氣源從右側支路進入兩位三通電磁閥。當DCS輸出閥門關閉信號時,兩位三通電磁閥通電,端口2和3連通,端口1斷開,氣源進入兩位三通氣控閥后該閥動作,氣源進入執行機構的氣缸左側,壓縮彈簧,驅動閥門關閉。

圖1 切斷閥原氣路系統流程示意

3.1.2 閥門打開動作

當DCS輸出閥門打開信號時,此時兩位三通電磁閥失電,電磁閥動鐵芯在彈簧的作用下復位,端口3斷開,端口2和1聯通。此時兩位三通氣控閥失氣,從而復位,氣缸左側的氣源依次經兩位三通氣控閥、單向閥、消音器排向大氣,氣缸內處于壓縮受力的彈簧,在復位的作用力下驅動閥門打開。

3.2 改造方案

該次改造針對切斷閥氣路系統進行升級,并不改變閥門的作用方式、控制方式和邏輯,以實現在切泵過程中,切斷閥能及時、有效地動作。

升級氣路系統改進配置如下： 切斷閥氣路改造方案為將原來的兩位三通電磁閥替換為兩位五通電磁閥;新增1臺兩位三通氣控閥;新增1臺過濾減壓閥。切斷閥氣路系統改造后的流程如圖2所示。優化后,閥門開關動作流程如下。

圖2 切斷閥改造后的氣路示意

3.2.1 閥門關閉動作

儀表風進入主氣路通過過濾減壓閥和安全閥,從右側支路進入新增的過濾減壓閥,達到右側新增的兩位三通氣控閥后截止,因為此時兩位三通氣控閥處于自然位。同時,另一支路氣源進入新增的兩位五通電磁閥,當DCS輸出閥門關閉信號時,兩位五通電磁閥通電,端口1和4連通,端口2和3連通,端口3排向大氣。端口1和4連通后,氣源進入兩位三通氣控閥后使其連通,連通后主氣源壓力進入執行機構的氣缸左側,壓縮彈簧,驅動閥門關閉。

3.2.2 閥門打開動作

當DCS輸出閥門打開信號時,此時兩位五通電磁閥失電,電磁閥位置將發生改變,1和2連通,5和4連通,端口5排向大氣。此時兩位三通氣控閥失氣,從而復位,氣缸左側的空氣經新增兩位三通氣控閥的端口排向大氣。同時從兩位五通電磁閥的端口2出去的氣源推動新增的兩位三通氣控閥連通,右側支路氣源由新增過濾減壓閥控制調壓后,進入氣缸右側,輔助推動彈簧復位,增加執行機構輸出扭矩,輔助閥門打開。

3.2.3 改造注意事項

氣路系統改造前,需向廠家核實確認氣缸、活塞、活塞桿、撥叉、閥桿等是否能承受增設輔助氣路后的作用力,且必須在模擬工況壓差下進行開關測試驗證后,方能投入使用,否則將有可能造成閥門和執行機構部分零部件不可逆的損壞。

4 應用效果

將該切斷閥下線進行清洗、注脂、潤滑盤根后,模擬現場8 MPa關斷壓差進行開關測試,分別調節新增過濾減壓閥輸出壓力為0.05 MPa,0.1 MPa,0.15 MPa,0.2 MPa,0.25 MPa,0.3 MPa,閥門開關均正常。2022年大修期間,完成對該切斷閥氣路系統改造后,運行至今未再出現卡澀問題。該改造方案工作量小,無需對閥門或執行機構解體和更換部件,成本也較整體更換閥門或者執行機構節省數倍,此外,鑒于該閥氣路改造后,使用效果較好,該廠通過清理、摸排后還將該改造方案推廣應用至中壓蒸汽切斷閥和廢氣切斷閥等一批出現類似卡澀問題的切斷閥上,應用效果均良好。

5 結束語

天然氣凈化廠內切斷閥數量龐大,且涉及到眾多關鍵工藝節點,它的靈活開啟和關閉是保障工藝安全的基礎,直接關系到凈化廠的安全、可靠運行。切斷閥在長期服役后,因工況變化、閥門性能下降等原因表現出動作遲緩、卡澀,甚至卡死不動作等問題。通過優化切斷閥的氣路系統,提高了閥門開啟過程中氣缸推動力,有效解決了切斷閥長期服役后出現的因動作扭矩增大導致的卡澀問題。該方案在不拆卸閥門和執行機構前提下,在線實施改造,具有改造成本低,周期短的優點,對解決閥門卡澀問題提出了一種全新思路,并為其他存在類似卡澀問題的切斷閥提供了一定的借鑒。