程控阀在合成氨变压吸附工艺中的应用

1 PSA工艺原理简介 变压吸附技术（Pressure Swing Adsorption,简称PSA）是一个近似于等温变化的物理过程，它是利用气体介质对不同组份在吸附剂上的吸附量随压力变化而呈差异性的特性，在吸附剂选择的条件下，加压时吸附原料的二氧化碳和水等组份，难吸附的组份如氢、氮、一氧化碳、甲烷等作为净化气由吸附塔出口排出。减压时将吸附的二氧化碳和水脱除，同时吸附剂获得再生。工艺主要以8-3-2/V方式运行，即三个吸附塔同时进行吸附操作，其余三个吸附塔处于再生过程的不同阶段，八个吸附塔循环操作，达到连续处理原料气和输送净化气的目的。在循环过程中，每个塔都经历了（1）.吸附（A）；(2).一均降（E1D）；(3).二均降（E2D）；(4).逆放（D）；(5).抽真空（V）；(6).二均升（E2R）；(7).一均升（E1R）；(8).最终升压（FR）共八个步骤。故8-3-2/V工艺也称为“八塔真空解吸三塔同时进料二次均压工艺”。 2 程控阀在PSA中的应用 在合成氨变压吸附工艺中，整个工艺装置主要由八个吸附塔和五十二台程控阀，四台调节阀通过工艺管线相连接组成。在变压吸附装置中，工艺系统周期地切换阀门，而且阀门数量多，动作频繁，人工操作是无法进行的。因此变压吸附装置应是一套高度自动化的装置，所使用的阀门已应同样具有高度自动化的功能，以保障整个工艺流程的顺利进行，因此程控阀长期稳定的运行对保证产品的质量和产量起着重大的作用。 由于变压吸附工艺的特殊性，一般的阀门和通用的调节阀以保证长期满足装置的可靠运行的。在变压吸附装置中，自动阀采用气动平板阀，又称程控阀，此阀启闭全由程序控制进行操作并带有阀位检测装置。鉴于PSA工艺的特殊性，此气动平板阀必须满足以下要求： （1） 封性能好，达到零泄露标准； （2） 门开启速度快，随阀门通径不同其启闭的时间应小于3秒； （3） 阀门要求寿命长经受长期频繁工作而保持不泄露； （4） 能应用于易燃易爆有毒等气体环境； （5） 具备双向耐压性和抗高速气流冲刷性能； （6） 根据工艺要求，易实现调节功能和阀位状态显示，现场指示及运转功能。 鉴于PSA工艺的特殊性及对程控阀的要求。在合成氨变压吸附工艺中，程控阀采用的是西南化院自行开发的气动平板阀。此程控阀操作简单，自动化程度高，使用维护方便，其基本结构由活塞执行机构和下部阀体等组成，活塞上部受力作用时向下运动，带动阀芯向下与阀芯密封口压紧密闭，达到切断介质流通。反之则开启阀门使介质流通。阀体选用铸铁件，执行机构各密封是选用“O”型密封圈、阀杆处密封用尼龙V型圈密封，阀芯处密封材料选用尼龙或四氧材料。其性能指标如下（ZSPJ-4.0A）： 公称通径：DN65～250；公称压力：PN=4.0Mpa 动作时两端允许压差：△P=2.5Mpa 执行机构压力：0.4～0.6Mpa；适应温度：-20～120℃ 启闭时间：DN150以下≤2S，DN150～DN250≤3S 泄漏量：达到ASS116.104标准的最高级ClassVI级；使用寿命：20万次 由于程控阀结构简单，动作可靠，使用寿命长，阀芯采用尼龙（四氧---不锈钢密封），密封性能好，故障率低，完全满足变压吸附工艺的使用要求，从而为提高变压吸附装置自动化程度奠定了基础，提高了整个装置的自动化水平。 在变压吸附工艺中，工艺的实现是靠周期性切换程控阀来实现的，其整个控制就是一套顺序控制系统，根据工艺动作步骤，编制相应的顺控程序，从而实现整个工艺的自动控制。在PSA装置中，控制系统用的是美国费希尔---罗斯蒙特公司的DeltaV 控制系统，通过对各DI/DO点的组态，利用DeltaV控制系统强大的控制功能和各种逻辑算法，根据PSA工艺中各阀门的切换时序图，编制相应的控制程序。通过预先设定的运行方式，由DCS系统按程控阀的动作步骤输出信号控制电磁阀驱动程控阀的开关，实现PSA工艺中各步骤的切换，从而实现工艺的自动控制。其控制回路构成如图。 在变压吸附中，由于自动化水平的提高，整个装置实现了自动控制，从而使整个工艺操作简单，自动化程度高，安全可靠，程控阀使用维护方便。利用阀位信号返回到DCS控制系统，并结合工艺系统中工艺参数进行程控阀的故障诊断，也及在处理故障状态下八塔切六塔到恢复正常操作时，由六塔切八塔的操作，提高变压吸附装置的控制水平，降低了工作强度，同时为维护人员及时有效的判断、处理故障提供了方便。 3 程控阀常见故障处理 由于变压吸附的工艺特点，阀门动作频繁，在频繁动作条件下，密封圈会有磨损，出现内漏，严重量会影响产品气质量。因此，在平时使用过程中，应在阀杆和活塞杆上，定期抹少量黄油以延长V型圈和活塞杆处O型圈的寿命，同时视程控阀的使用情况更换活塞上的O型密封圈。在变压吸附装置中，由于其工艺的特殊性，如果程控阀出现故障而不能及时、准确的处理，必然给工艺的正常生产带来影响，轻则减产，重则停车。在生产过程中，程控阀常见故障及处理方法如下： （1）内漏。由于使用介质工况复杂，内漏相对容易发生，一般有以下两种情况： 1）阀芯密封片内漏。原因：管道没有吹扫干净，有焊渣铁锈等颗粒杂质损坏了密封片,造成泄漏，必须更换密封片；如果整个工艺压力操作不当，造成吸咐剂粉化，粘咐在密封片上，气流局部冲蚀损坏密封片，如果管道内颗粒为吸咐剂颗粒，工艺人员应检查吸咐塔过滤网是否损坏。 2）平衡缸处内漏。原因为O型圈损坏，更换O型圈。 （2）外漏。外漏在现场使用中很少发生，故一般在一个大修周期后，根据情况更换密封圈。一般包括以下几种情况： 1）中法兰处泄漏。原因为密封片损坏，更换垫片。 2）料函与法杆处泄漏。原因为V型密封圈损坏，调整螺勾压紧即可。 3）气缸盖泄漏。原因为：气缸盖上的O型圈损坏，必须更换；顶盖套与铜套处O 型圈损坏，必须更换。 （3）阀门半开半关。原因为：气缸仪表空气压力低于0.4Mpa，造成阀门关闭不严产生内漏，此时应增大仪表空气压力；气缸内活塞上的密封件磨损，活塞上下气缸串气造成阀门开启与关闭困难，必须更换密封件。在更换密封件时，只需松开支架与中法兰连接螺栓，就可将阀体与执行机构部份分开，直接更换密封片；更换填料函时，先将阀体与执行机构分离后将阀芯、压盖拆下，更换填料函即可。 （4）程控阀不动作，即程控阀打不开或不能关闭。引起程阀不动作的原因很多，一般包括以下几方面的原因： 1）电磁阀故障。电磁阀故障一般为电磁阀线圈开路或短路及电磁阀气路堵塞所造成的，原因为电磁阀受潮或受腐蚀及仪表空气含有杂质，由于电磁阀产生故障，造成程控阀不动作。解决方法就是更换电磁阀线圈或对电磁阀气路进行清洗；控制电缆开路或短路也会造成程控阀不动作，原因多为电缆接头处受潮或腐蚀。由于控制电缆开路或短路，造成电磁阀失电而使程控阀不动作，处理方法就是对电缆开路或短路处进行处理。 2） 控制电源或控制模块故障。程控阀的动作是靠DCS输出的电信号经电磁阀来驱动的，控制电源或控制模块出现故障，使DCS无控制信号输出，导致程控阀不动作。处理方法就是对控制电源或控制模块进行修复或更换。 3）程控阀自身故障。原因多为程控阀气缸故障、阀杆变形、阀芯卡死等。处理方法就是对程控阀自身出现的故障进行处理或更换。 4 结束语 从1999年合成氨投产至今，程控阀出现的故障并不多见，更多的故障是由于电磁阀线圈及电磁阀气路故障所引起的。这也说明程控阀的可靠性是非常高的，完全能满足工艺的使用要求，为工艺长、满、优的稳定运行提供了保障，保证了变压吸附装置自动控制的实现，从而为整个工艺实现自动控制提供了强有力的保证。 参考文献 [1] 变压吸附气体分离技术培训教材，工艺分册，西南化工研究设计院变压吸付分离工程研究所，1998． [2] 变压吸附气体分离技术培训教材，仪表分册，西南化工研究设计院变压吸付分离工程研究所，1998．