重庆天然气净化总厂忠县分厂(下称忠县净化厂)于2005年5月20日建成投产, 处理量为2×300×104 m3/d。其中天然气净化装置及硫磺回收装置各2套, 公用工程装置1套。
忠县净化厂调节阀共有108台, 使用类型包括气动偏心旋转阀、气动单座阀、气动套筒阀、气动蝶阀, 主要以SAMSON公司和MOTOYAMA公司的产品为主, 以上海自动化仪表七厂的产品为辅。
忠县净化厂的调节阀使用的定位器有两种, 分别为:SAMSON公司的3730-3型和ABB公司的TZID-C200型。这两种定位器均为数字定位器, 属进口产品, 配置较高, 功能较多, 如带有位置开关、阀位回讯、HART通讯等辅助功能。如:阀位回讯功能可实现调节阀开度的在线监视, HART通讯功能可实现调节阀的在线管理、故障的预诊断和维护。忠县净化厂仅使用定位器最基本的电气转换功能, 用国产定位器就可替代, 且进口定位器的价格是国产定位器的几倍以上, 造成投资成本浪费。
忠县净化厂硫磺回收装置采用超级克劳斯工艺, 该工艺将主燃烧炉和四级在线燃烧炉燃气流量调节阀的阀位状态(阀位处于关闭状态)作为其点火程序运行的必要条件之一。忠县净化厂硫磺回收装置共10台燃气流量调节阀(型号为:3889, 气开型), 该类调节阀安装有检测“阀开、阀关”的位置开关, 由位置开关的触点“闭合、断开”作为“阀开、阀关”的信号反馈给ESD系统。这10台调节阀口径仅为DN15, 行程仅为15 mm。调节阀安装外置位置开关(型号为:1LX5701)后, 由于行程太小, 调节阀实际阀位对应的“阀开、阀关”反馈信号位置很难调整, 不可能做到位置开关输出“阀关”时对应的阀位为0%, 位置开关输出“阀开”时对应的阀位为100%。实际状况是位置开关输出“阀关”时, 对应的阀位为10%左右, 位置开关输出“阀开”时, 对应的阀位为90%左右。若利用定位器自带的阀位回讯功能, 通过ESD系统的逻辑功能, 就能实现准确的“阀开、阀关”反馈信号, 保证其作为点火条件的真实性, 既能实时地观测调节阀的实际阀位, 又可以省掉位置开关、减少信号电缆, 从而节约投资成本。
XV- 14151I为气动偏芯旋转调节阀(型号为35-35212, 气开型), 用于I列硫磺回收装置主燃烧炉的主路空气流量调节。在运行过程中发现空气量不足, 通过调节阀的空气量明显偏小; 该调节阀的控制阀位为100%时, 实际阀位仅为20%。故障原因为调节阀的膜片有砂眼, 导致调节阀执行机构的推力不够, 实际阀位无法达到需要控制的阀位。更换膜片后, 调节阀运行正常。
LV-1204Ⅰ/Ⅱ为气动单座调节阀(型号:3241.01.GS-C25, 气开型, PN4.0MPa DN50, 材质为铸钢, 测量介质为凝结水), 作用为控制凝结水罐D-1205Ⅰ/Ⅱ的液位。LV-1204Ⅱ阀体于2008年2月27日出现穿孔; LV-1204Ⅰ阀体于2008年12月30日也在相同位置出现穿孔(见图 1)。
液体流经调节阀阀座后不久, 流速即达到最大, 压力随之降低。当液体压力小于入口温度饱和蒸汽压时, 液体开始沸腾, 产生气泡。液体流经阀座后下降压力在下游一侧逐渐回升, 气泡因再次受压而破裂。气泡在急剧破裂的过程中向四周释放能量, 并冲刷阀的本体及管道内壁, 引起严重的机械损伤, 即气蚀现象。所谓气蚀, 通常是指液体流经调节阀后产生气泡破灭的现象。
不产生气蚀的压差范围:△P≤Kc (P1-PVC);
产生初始气蚀状态的压差范围: Kc (P1-PVC) ≤△P≤FL2 (P1-PVC);
产生完全气蚀状态的压差范围:FL2 (P1-PVC) ≤△P。
其中, △P为液体流经调节阀的压差, △P=P1-P2; P1为阀的入口压力; P2为阀的出口压力; PVC为流体缩流断面的压力, 为阀入口温度下的液体饱和蒸汽压力, PC为液体热力学临界压力); Kc为初始气蚀指数; FL为压力恢复系数[1]。
LV-1204Ⅰ/Ⅱ测量介质为蒸汽凝结水, 工况温度为130℃。Pc=22.13 MPa; PV=0.20 MPa; 计算为CV=11.41, 实际选用CV=30, 查表得Kc=0.68、FL=0.95[2]。
该阀设计工况为:P1=0.30 MPa、P2=0.25 MPa; △P=0.05 MPa; Kc (P1-PVC) =0.08 MPa; 符合△P≤Kc (P1-PVC)条件, 该调节阀在此工况条件下工作不产生气蚀, 即在设计工况条件下工作不产生气蚀。
实际使用工况为:P1=0.20 MPa、P2=0.10 MPa; △P=0.10 MPa; Kc (P1-PVC) =0.01 MPa; FL2 (P1-PVC) =0.01 MPa; 符合FL2 (P1-PVC) ≤△P条件, 该调节阀在此工况条件下工作产生完全气蚀。
综上所述, 凝结水流经调节阀LV-1204Ⅰ/Ⅱ产生完全气蚀, 阀体材质为铸钢, 导致调节阀阀体先后因完全气蚀冲刷穿孔。故障发生后, 根据调节阀实际工况参数重新计算选型, 并根据重新计算选型的结果重新购买阀体, 更换阀体后调节阀运行正常。
忠县净化厂使用SAMSON公司的3730-3型定位器的调节阀共48台。在2005年4月进行单回路调试时发现, 使用3730-3型定位器的调节阀均不动作, 定位器显示“LOW”故障状态。经分析, 是由于3730-3型定位器所带的现场安全栅(型号为3730-13)与DCS系统的接地方式不匹配造成。3730-13型现场安全栅接地方式为“信号接地”; 忠县净化厂DCS采用PKS201系统, 其接地方式为“浮空接地”。将现场安全栅由3730-13型更换为浮空接地型的3730-14型后, 调节阀动作正常。
FV-1101I/Ⅱ为I、Ⅱ列装置进站调节阀(型号为2883ACV-BS, PN10MPa、DN250, 流量特性为等百分比), 其作用为控制进装置原料天然气的流量, 这两台调节阀的性能参数完全相同。在运行过程中发现在相近的工况条件下, 通过两台调节阀的流量相当, 而调节阀的开度相差较大, FV-1101I的阀位开度为52%, FV-1101Ⅱ的阀位开度为90.0%。详细参数见表 1。
由于原料天然气来自同一上游管线(原料天然气总流量是稳定的), 为了装置运行平稳, 通过控制一列装置进站调节阀的开度来控制进入该列装置的原料天然气流量, 从而实现对另一列装置处理量的控制(另一装置的进站调节阀通常置于较大的开度, 使调节阀失去流量控制功能, 其作用相当于连通直管段)。使FV-1101I置于自动控制, FV-1101Ⅱ置于手动控制, 再加上单套装置的处理量远低于300×104 m3/d的设计处理量, FV-1101Ⅱ的开度为90%, 满足流量要求, 工艺操作人员也就没有改变该调节阀的阀位, 所以出现两台调节阀在工况相近的情况下, 调节阀的开度相差较大。经过现场测试, 当FV-1101Ⅱ从90%的开度减小到52.5%时, 流经调节阀的流量无变化(260×104 m3/d)。即FV-1101Ⅱ的开度大于等于52.5%时, 调节阀失去流量控制功能, 其作用相当于连通直管段; FV-1101Ⅱ的开度小于52.5%时, 调节阀才具有流量控制功能。
PV-3206B为压力调节阀(型号为:HIS-16K, 气开), 其作用为通过控制给水泵出口回流量的流量大小来控制锅炉给水系统的压力。在运行过程中出现当PV-3206B的控制阀位为0%时, 锅炉给水系统压力不能稳定在1.20 MPa, 并继续下降。通过现场检查判断, 该故障为调节阀关闭不严, 泄漏量大。将调节阀的阀芯取出观察, 发现阀杆和阀芯连接固定用的定位销从销孔中脱出(调节阀结构如图 2所示)。当关阀时, 执行机构向下运动, 定位销脱出的部分被轴套挡住, 导致阀芯不能向下运动到最大位置, 阀芯与阀座不能完全咬合, 从而出现调节阀关不死, 泄漏量大的故障。定位销的前端已弯曲变形, 其损坏情况如图 3所示。
由于未找到定位销的替代材料, 将原有定位销弯曲部分剪掉, 将剩余直线部分全部装入定位孔并固定。调节阀安装复位后运行正常。
忠县净化厂在用的108台调节阀通过专业的维护管理和调校, 工作稳定可靠。工作实践证明, 调节阀出现的故障现象并不一致, 结合工艺工况条件, 才能从根本上解决问题。本文介绍的气蚀现象造成阀体穿孔问题就是其中一个典型案例。
2010, Vol. 39 Issue (2): 131-133
2010, Vol. 39 Issue (2): 131-133