石化加氫裝置高壓調節閥選型分析

 渣油加氫裝置具有臨氫、高壓、高溫、高H2S腐蝕的特點(diǎn)，其中關(guān)鍵部位高壓控制閥合理選型成為裝置安全、平穩運行的關(guān)鍵。從工程設計角度，針對渣油加氫裝置的加氫進(jìn)料泵、注水泵、高壓貧胺液泵等高壓機泵出口，熱高壓分離器、冷高壓分離器底出口，新氫壓縮機出口，循環(huán)氫壓縮機出入口等典型部位的高壓控制閥設計選型和應用原則等方面作了相關(guān)分析及探索。

隨著(zhù)石油資源的日益減少以及原油重質(zhì)化、劣質(zhì)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(diǎn)[1]，其中關(guān)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(guān)鍵。高壓控制閥具有運行工況苛刻、技術(shù)復雜、采購周期長(cháng)、采購成本高的特點(diǎn)，因此合理選型成為自控儀表工程中關(guān)注的焦點(diǎn)。高壓控制閥包括高壓調節閥和高壓開(kāi)關(guān)閥，高壓調節閥應用于高壓介質(zhì)流量調節功能等；高壓開(kāi)關(guān)閥應用于聯(lián)鎖保護安全功能、動(dòng)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、石化加氫裝置高壓調節閥選型分析選型分析

1.1 類(lèi)型及結構

高壓調節閥選用氣動(dòng)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(chǎng)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(yōu)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(zhì)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(chǎng)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(zhì)在通過(guò)多級降壓閥內件時(shí)產(chǎn)生多次壓降，控制每級壓降都小于發(fā)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(cháng)周期使用。

1.2 石化加氫裝置高壓調節閥選型分析閥體及閥內件材質(zhì)選擇

高壓調節閥的閥體及內件的材質(zhì)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(guò)程中，對于具有含H2S特性的介質(zhì)，調節閥接液材料應進(jìn)行相應抗H2S腐蝕處理，滿(mǎn)足NACE MR 0103：2007的要求[4-5]。

渣油加氫高壓調節閥閥體無(wú)特殊要求時(shí)通常采用鑄鋼，材質(zhì)為A216-WCC的特種碳鋼，適用于溫度范圍為-30～425 ℃的水、油、過(guò)熱蒸汽和氣體等非腐蝕性介質(zhì)。如項目在東北等寒冷地區，可選用材質(zhì)為L(cháng)CC的碳鋼進(jìn)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(mén)制造。

渣油加氫介質(zhì)溫度高于280 ℃且氫氣濃度較高的場(chǎng)合，按納爾遜曲線(xiàn)進(jìn)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(zhì)為A217-WC9的特種合金鋼。該材質(zhì)可適用于高達593 ℃的氫濃度較高的高溫高壓介質(zhì)。

渣油加氫介質(zhì)溫度高于350 ℃且氫氣、H2S濃度較高的場(chǎng)合，主要分布在渣油加氫反應器、熱高分進(jìn)出料部位，對高壓調節閥閥體提出了更高的要求，需要同時(shí)考慮氫脆及硫腐蝕工況。閥體材質(zhì)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(zhì)。

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

1.3石化加氫裝置高壓調節閥選型分析尺寸及CV值選擇

高壓調節閥的尺寸直接影響調節品質(zhì)和采購價(jià)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(guān)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(xiàn)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(kāi)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(mén)，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(shí)際正常調節時(shí)，調節閥長(cháng)期處于小開(kāi)度調節狀態(tài)，閥門(mén)產(chǎn)生噪音及振動(dòng)強烈，對調節閥及連接管線(xiàn)損傷很大。對于該類(lèi)工況建議選用特殊CV值修正流量特性的調節閥。

對于線(xiàn)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(kāi)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(shí)還需要擴大調節角閥出口尺寸，降低介質(zhì)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(kāi)度保持在50%以下，給高氣化率特殊工況預留調節余量。

2、石化加氫裝置高壓調節閥選型分析選型分析

2.1 類(lèi)型及結構

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

2.2 執行機構的選擇

用于聯(lián)鎖保護安全功能的高壓開(kāi)關(guān)閥應選用氣動(dòng)執行機構，以實(shí)現動(dòng)力故障安全性，執行機構的選擇主要取決于輸出力和閥門(mén)開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)間要求。高壓開(kāi)關(guān)閥參與工藝聯(lián)鎖動(dòng)作時(shí)，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(jiǎn)單、安全可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，但是受彈簧制造限制，彈簧輸出力有限；彈簧長(cháng)時(shí)間處于壓縮狀態(tài)，輸出力進(jìn)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(kāi)關(guān)閥。雙作用氣缸可以克服上述缺點(diǎn)，但安全可靠性差，不具備故障安全性。要實(shí)現故障安全性，即動(dòng)力故障時(shí)高壓開(kāi)關(guān)閥能自動(dòng)行至工藝要求的故障位置，必須配備備用氣源罐，但會(huì )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(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)閥不用于聯(lián)鎖保護安全功能，僅用于動(dòng)設備停機隔離、火災隔離功能時(shí)，建議選用電動(dòng)執行機構。電動(dòng)執行機構可靠性較高，不宜發(fā)生誤動(dòng)作影響工藝生產(chǎn)。如有火災隔離功能需要時(shí)，執行機構應配帶防火罩。

2.3 閥體及閥內件材質(zhì)的選擇

目前市場(chǎng)上主流高壓開(kāi)關(guān)球閥閥體均采用鍛件，比如HARTMANN,AST等廠(chǎng)家產(chǎn)品，閥體無(wú)特殊要求時(shí)一般選用A105材質(zhì)，如項目在東北等寒冷地區，可選用A350-LF2材質(zhì)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(kāi)關(guān)閥閥體宜選用F11材質(zhì)；氫氣、H2S濃度較高及高溫高壓工況，閥體宜選用F321材質(zhì)。高壓開(kāi)關(guān)球閥執行快速關(guān)斷工作且為旋轉型閥門(mén)，對閥桿硬度要求較高，無(wú)特殊要求時(shí)通常采用17-4PH材質(zhì)閥桿。

3、石化加氫裝置高壓調節閥選型分析設計應用

某煉油廠(chǎng)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(dòng)開(kāi)關(guān)球閥，壓力等級為Class900～Class2500；8套高壓電動(dòng)開(kāi)關(guān)球閥，壓力等級為Class900～Class2500。

1、高壓調節閥的零部件加工、配合都很精密，因此，調節閥安裝前，應*清洗管路系統，將污物及焊拉渣排除干凈，以免調節閥運行時(shí)發(fā)生卡住現象，閥入口前的管路應加設孔尺寸小于2mm過(guò)濾網(wǎng)。

    2、高壓閥較重、外形尺寸較大，因此，調節閥應直立安裝在接近地面或樓面的地方，在管道標高大于1m時(shí)，應盡量設置平臺，以便于調整、檢查和拆卸，使用過(guò)程或更換填料時(shí)，不能拆卸或松動(dòng)聯(lián)接上法蘭與閥體的主螺母。

    3、調節閥安裝時(shí)，閥體上箭頭方向應與介質(zhì)流向一致。

    4、如果調節閥的公稱(chēng)通徑與管道的公稱(chēng)通徑不同，兩者之間應加漸縮管段。

    5、調節閥一般應設置旁通管道，以便于在自控系統發(fā)生故障或檢修時(shí)可以切換，不致停產(chǎn)。

    6、調節閥安裝時(shí)，應留足拆卸執行機構護罩的空間，以便配線(xiàn)、調整和檢查。

    7、與管道為焊接連接的調節閥，其閥體上的接口與管道對焊，焊接時(shí)，建議先用氬弧焊打底(以防焊渣墜入閥和管道內)，然后再進(jìn)行常規的電(或氣)焊，焊接過(guò)程要經(jīng)多次打磨、多道焊接、并注意保溫，法蘭連接調節閥與管道相連，采用JB2768-2778《Pg160、320kgf/cm2，管件與緊固件》標準制造的法蘭，透鏡墊及緊固件。、

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(chǎng)合，在渣油加氫裝置的典型應用為加氫進(jìn)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(huán)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(shí)現原理為修正流量特性套筒，采用非均勻開(kāi)孔設置，開(kāi)孔大小沿調節閥全開(kāi)方向逐漸變大，通過(guò)修正開(kāi)孔的變化梯度，滿(mǎn)足調節流量變化較大時(shí)均在合理調節開(kāi)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(yè)內比較關(guān)注的地方。正常流量對應調節閥開(kāi)度40%左右，最大流量對應調節閥開(kāi)度60%左右，達到了很好的開(kāi)度調節范圍及降噪效果。

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(chǎng)合，在渣油加氫裝置的典型應用為加氫進(jìn)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(kāi)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(jīng)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(zhì)流速，內部多級降壓閥芯及閥內流道采用。

3.3 高壓氣動(dòng)開(kāi)關(guān)球閥設計應用

高壓氣動(dòng)開(kāi)關(guān)球閥用于工藝安全聯(lián)鎖保護，動(dòng)作響應時(shí)間快。在渣油加氫裝置的典型應用為加氫進(jìn)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(shí)，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(mǎn)足可靠性的前提下，進(jìn)一步提高可用性，減少誤動(dòng)作概率，渣油加氫氣動(dòng)開(kāi)關(guān)閥均采用雙電磁閥并聯(lián)驅動(dòng)，雙電磁均失電時(shí)，開(kāi)關(guān)閥執行聯(lián)鎖動(dòng)作，渣油加氫高壓氣動(dòng)開(kāi)關(guān)球閥氣路聯(lián)動(dòng)邏輯如圖1所示。

3.4 高壓電動(dòng)開(kāi)關(guān)球閥設計應用

高壓電動(dòng)開(kāi)關(guān)球閥用于動(dòng)設備停機隔離，性能穩定，誤動(dòng)作概率低。當渣油加氫中高壓電動(dòng)開(kāi)關(guān)球閥用于動(dòng)設備停機隔離時(shí)，其控制邏輯所示。從控制系統至電動(dòng)閥電動(dòng)執行機構的控制信號均采用硬接線(xiàn)干觸點(diǎn)信號，當動(dòng)設備停機后，停機信號觸發(fā)對應的電動(dòng)閥關(guān)斷，達到隔離作用。

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

4、石化加氫裝置高壓調節閥選型分析結束語(yǔ)

渣油加氫裝置工藝操作壓力和溫度高，工藝介質(zhì)易燃、易爆，同時(shí)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(zhì)、應用等方面進(jìn)行了相關(guān)探討，并經(jīng)過(guò)了生產(chǎn)運行驗證，在此供借鑒參考。