降低制氫裝置 PSA 程控閥故障率的研究

摘要：中海油氣 (泰州) 石化有限公司 50 000 m³/h 制氫裝置自開工以來，180、182 單元 2 套 PSA 中的程控閥每年都會(huì)出現(xiàn)諸多不同原因的故障導(dǎo)致切塔，生產(chǎn)裝置被迫降低負(fù)荷甚至停運(yùn)，影響裝置的正常平穩(wěn)運(yùn)行以及各用氫單位的正常生產(chǎn)。文章就兩套 PSA 程控閥出現(xiàn)的各類故障進(jìn)行展開梳理和分析優(yōu)化，并提出了改進(jìn)措施，最大程度降低 PSA 程控閥的故障率，確保 PSA 的正常平穩(wěn)運(yùn)行和全廠氫氣管網(wǎng)穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：PSA 程控閥；制氫裝置；石油化工

前言

      中海油氣 (泰州) 石化有限公司運(yùn)行一部 50 000 m³/h 制氫裝置擁有的兩套 PSA (180 制氫和 182 重整)，均采用四川天一科技股份有限公司開發(fā)的變壓吸附氣體分離技術(shù)。該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)主要依賴于系統(tǒng)內(nèi)各程控閥在既定程序的控制下周期性的頻繁開關(guān)動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)原料氣的吸附凈化，并產(chǎn)出純度極高的氫氣，具有高度的自動(dòng)化、程序化、大型化的特點(diǎn)。因此，PSA 程控閥的穩(wěn)定性與 PSA 系統(tǒng)的平穩(wěn)生產(chǎn)息息相關(guān)。而隨著制氫裝置長(zhǎng)期生產(chǎn)及設(shè)備、材料老化，PSA 程控閥逐步開始出現(xiàn)各種不同類型的故障，嚴(yán)重影響 PSA 系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行，導(dǎo)致制氫裝置工藝生產(chǎn)被迫降低負(fù)荷，裝置產(chǎn)氫波動(dòng)，甚至裝置停車等事故，對(duì)全廠各用氫裝置產(chǎn)生氫壓波動(dòng)，影響用氫裝置的穩(wěn)定生產(chǎn)。

01 PSA 系統(tǒng)工藝原理及流程介紹

      PSA 系統(tǒng)工藝的基本原理就是利用諸多吸附塔內(nèi)多種吸附劑對(duì)不同氣體組分的吸附能力不同以及某種氣體在吸附劑中的吸附量隨著吸附壓力的變化而變化的原理，實(shí)現(xiàn)氣體混合物的提純分離與吸附劑的再生循環(huán)，即從 PSA 的原料氣中大量吸附多種雜質(zhì)組分，提純產(chǎn)出合格的氫氣，使其純度大于 99.9%，以滿足其他裝置的工藝用氫要求。再通過降低塔內(nèi)壓力，使得吸附塔內(nèi)的吸附劑中的雜質(zhì)組分脫附析出，吸附劑得到再生，并通過程控閥的開關(guān)，使解析氣體經(jīng)混合罐、緩沖罐后送出。180PSA 產(chǎn)出的解析氣送至轉(zhuǎn)化爐作為燃料，182PSA 解析氣送至 182K101，經(jīng)壓縮后送至 180 裝置作生產(chǎn)原料。

      泰州石化制氫和重整 PSA 裝置主程序均采用 10-3-4/P 工藝，即10 個(gè)工作塔，3 塔同時(shí)吸附，4 次均壓，具體而言就是主要由 10 臺(tái)吸附器、2 臺(tái)順放罐、1 臺(tái)解吸氣緩沖罐、1臺(tái)解吸氣混合罐、1臺(tái)氣液分離器和 78 臺(tái)程控閥組成。在該系統(tǒng)中，任意時(shí)間始終保持有 3 臺(tái)吸附塔處于吸附步序，每臺(tái)吸附器在不同的時(shí)間依次經(jīng)歷吸附 (A)、1 級(jí)壓力均降 (E1D)、2 級(jí)壓力均降 (E2D)、3 級(jí)壓力均降 (E3D)、4 級(jí)壓力均降 (E4D)、順放 (PP)、逆向放壓 (D)、沖洗 (P)、4 級(jí)壓力均升 (E4R)、3 級(jí)壓力均升 (E3R)、2 級(jí)壓力均升 (E2R)、1 級(jí)壓力均升 (E1R) 和最終充壓 (FR) 等步驟。10 個(gè)塔按照廠家設(shè)定的程序交替循環(huán)運(yùn)行，時(shí)間上互相交錯(cuò)有序銜接，以此實(shí)現(xiàn)原料氣不斷輸入，產(chǎn)品氫不斷輸出的目的。

02 程控閥原理及其簡(jiǎn)介

      PSA 系統(tǒng)中的各個(gè)步序：吸附、均壓、順放、逆放、沖洗、終充等步驟，整個(gè)過程是通過生產(chǎn)廠家編寫的程序在 DCS 系統(tǒng)的控制下，各個(gè)不同作用的程控閥自動(dòng)的周期性開關(guān)，切換吸附塔，并調(diào)整其內(nèi)部壓力來實(shí)現(xiàn)。由于 PSA 系統(tǒng)內(nèi)的氣體都具有易燃易爆性質(zhì)，且每小時(shí)的進(jìn)料量多氣體通過量很大，單個(gè)程控閥在一年內(nèi)最多的需要開關(guān)幾十萬次，這種超高頻率的啟閉模式，對(duì)閥門性能與制造質(zhì)量的要求非常高。

      首先，程控閥門的密封性能要好。防止閥門出現(xiàn)外漏及內(nèi)漏的現(xiàn)象，嚴(yán)防出現(xiàn)燃燒或者爆炸事故。其次，程控閥門的開關(guān)速度要快。耗用時(shí)間應(yīng)小于3 s，以保證后續(xù)程序的順利進(jìn)行，否則將會(huì)出現(xiàn)閥檢報(bào)警。若同時(shí)伴隨塔壓報(bào)警，則 PSA 系統(tǒng)將自動(dòng)切塔。最后，程控閥門的結(jié)構(gòu)及材料要具有雙向抗壓、抗沖刷、抗腐蝕性的要求。

      程控閥由閥體、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、閥桿、閥芯、閥銷等組成，附件由電磁閥、回訊開關(guān)、儀表管線、消音器、過濾器等組成。其控制模式主要是在既定程序的步序控制下，系統(tǒng)輸出 24 V(DC) 開關(guān)信號(hào)至電磁閥，電磁閥根據(jù)信號(hào)控制不同氣路的導(dǎo)通，改變?cè)撻y執(zhí)行機(jī)構(gòu)的供風(fēng)方向，推動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)上下動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)閥門的開關(guān)，進(jìn)而達(dá)到程序繼續(xù)運(yùn)行所需滿足的工藝參數(shù)和閥檢信號(hào)條件。閥檢信號(hào)是由回訊開關(guān)模塊發(fā)出的，即閥桿頂端安裝有跟隨閥桿上下移動(dòng)的金屬塊，在閥體頂部閥桿開孔中心旁安裝有感應(yīng)探頭及防雨罩。該探頭可感應(yīng)金屬塊的具體位置，反饋閥桿上下移動(dòng)是否到位，閥門開關(guān)是否正常，并可在DCS系統(tǒng)顯示閥檢報(bào)警。

03程控閥常見故障

3.1 電磁閥故障 

      電磁閥故障是導(dǎo)致程控閥出現(xiàn)問題的主要原因之一。電磁閥的作用就是將 DCS 的輸出電信號(hào)轉(zhuǎn)化為氣動(dòng)信號(hào)，電磁閥得電后驅(qū)動(dòng)儀表風(fēng)帶動(dòng)閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)閥門的開關(guān)動(dòng)作。因此，電磁閥的作用非常關(guān)鍵，一旦出現(xiàn)故障，程控閥動(dòng)作將難以完成，很有可能導(dǎo)致閥門卡澀、開關(guān)異常乃至自動(dòng)切塔，造成生產(chǎn)波動(dòng)。電磁閥故障常見的是電磁閥串氣或失效，直接導(dǎo)致閥門無法正常開關(guān)或開關(guān)緩慢。其故障主要原因是儀表風(fēng)質(zhì)量差、活塞 O 型圈失效、線圈損壞等，改善方式主要是優(yōu)化儀表風(fēng)質(zhì)量、定期更換電磁閥或密封圈及線圈。同時(shí)，加強(qiáng)日常巡檢，發(fā)現(xiàn)電磁閥異常情況，及時(shí)匯報(bào)處理。

3.2 閥檢信號(hào)故障 

      閥檢信號(hào)故障主要是指 DCS 閥檢顯示與實(shí)際閥位開關(guān)不一致。當(dāng)閥檢信號(hào)出現(xiàn)故障時(shí)，DCS 畫面就會(huì)出現(xiàn)閥檢報(bào)警，若只是信號(hào)故障，不伴隨塔壓偏差報(bào)警，則不會(huì)自動(dòng)切塔，即可聯(lián)系儀表人員和外操人員到現(xiàn)場(chǎng)檢查處理。閥檢信號(hào)故障的常見原因包括閥門回訊探頭松動(dòng)、閥桿端感應(yīng)金屬體脫落、閥檢接線不良、反饋回路安全柵損壞、儀表風(fēng)壓力不足等。處理方式主要是檢查探頭、緊固接線、更換安全柵、提高風(fēng)壓等。

3.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障

      執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括氣缸、活塞、閥桿、閥芯等部分，閥芯通過螺紋、半圓環(huán)、閥銷與閥桿連接，閥桿與活塞桿作為一個(gè)整體與位于氣缸內(nèi)的活塞連接，活塞在儀表風(fēng)的作用下實(shí)現(xiàn)上下移動(dòng)，從而帶動(dòng)閥桿及閥芯上下動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)閥門的正常開關(guān)。程控閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)作為金屬部件且硬性連接，在經(jīng)過長(zhǎng)期高頻次的動(dòng)作后，一些受力較大的金屬部件，如閥桿、支撐環(huán)、半圓環(huán)等，就有會(huì)發(fā)生磨損變形或疲勞破壞等現(xiàn)象，可能造成閥門卡澀、氣缸串氣、開關(guān)不到位，甚至產(chǎn)生閥桿斷裂、閥芯脫落、填料拉傷閥桿外漏等嚴(yán)重故障，導(dǎo)致裝置非計(jì)劃降負(fù)荷乃至停車。處理方式一般只有將故障閥門對(duì)應(yīng)的塔切出，閥門下線拆修，由此帶來不必要的生產(chǎn)波動(dòng)與額外成本。

3.4 閥門泄漏故障 

      閥門泄漏可分為內(nèi)漏與外漏，且基本是閥門某處密封件失效導(dǎo)致的。閥門的密封附件主要由橡膠密封圈 (O 形圈、L 形圈) 以及填料、密封片 (PEEK 復(fù)合材料、304 復(fù)合件) 等組成。程控閥的外漏主要包括閥桿填料泄漏以及閥體泄漏，其中前者最常見。閥桿填料泄漏原因一般是填料老化失效、壓蓋螺栓松動(dòng)、密封面有雜質(zhì)磨損失效等。當(dāng)填料處出現(xiàn)泄漏時(shí)，可通過可燃?xì)鈭?bào)警儀或噴肥皂水冒泡及時(shí)發(fā)現(xiàn)，對(duì)輕微泄漏，可聯(lián)系維保人員，通過緊固壓蓋螺栓的方式解決，若未有緩解且有嚴(yán)重的趨勢(shì)，則可將對(duì)應(yīng)閥門下線，更換填料密封解決。程控閥內(nèi)漏主要是閥芯內(nèi)漏，即閥芯與閥座的密封面失效，導(dǎo)致閥門出入口串壓，表現(xiàn)為吸附塔之間壓力互竄，影響吸附塔的正常狀態(tài)。在閥門開關(guān)過程中，閥芯始終會(huì)承受高壓差氣流的沖刷，而且氣流中還會(huì)有吸附劑顆粒、焊渣等雜質(zhì)，跟隨氣流在密封面及金屬表面沖刷出細(xì)小凹點(diǎn)。這種凹點(diǎn)會(huì)隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)、材質(zhì)的老化逐漸擴(kuò)大，使閥門密封性能衰弱，最終導(dǎo)致密封片失效。對(duì)泄漏較為嚴(yán)重的，只能將該塔或該系列切出，程控閥下線檢修。

3.5 控制系統(tǒng)故障 

      PSA 控制系統(tǒng)主要是指 PSA 的程序控制，PSA 系統(tǒng)內(nèi)部程控閥均按照廠家設(shè)定內(nèi)部程序控制進(jìn)行開關(guān)動(dòng)作，由于內(nèi)部程序在出廠時(shí)候就已設(shè)定好，并可自動(dòng)運(yùn)行，程序本身出現(xiàn)故障的概率極低。截至目前，在泰州石化制氫裝置兩套 PSA 運(yùn)行期間，暫未出現(xiàn)程序本身故障，但多次出現(xiàn)過保險(xiǎn)絲燒壞、接線松動(dòng)及安全柵失效等問題。這些問題都將導(dǎo)致 PSA 的控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，影響 PSA 程序的正常運(yùn)行。

3.6 PSA 系統(tǒng)管線內(nèi)部銨鹽結(jié)晶 

      在 182PSA 停工的檢修期間，檢修人員拆開程控閥閥體及入口分液罐人孔后發(fā)現(xiàn)，182PSA 系統(tǒng)內(nèi)部存在大量白色粉末，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)取樣、化驗(yàn)分析得知其成分主要是氯化銨結(jié)晶。由于182PSA 主要的原料氣為泰州石化運(yùn)行三部重整裝置送出的重整氣，同時(shí)，該重整氣必須經(jīng)過脫氯處理，以減少對(duì)182PSA 吸附系統(tǒng)的腐蝕，減少銨鹽結(jié)晶，但由于重整氣中氯離子含量較多，容易出現(xiàn)脫氯劑的穿透或失效，偶爾會(huì)伴隨大量氯離子帶入 182PSA 的入口及內(nèi)部。同時(shí)，182PSA 的另外一股原料氣是加氫后的低分氣，該原料中含大量的氨根，氨根與重整氣攜帶的氯離子容易反應(yīng)，生成氯化銨結(jié)晶，該結(jié)晶固體極易堵塞 182PSA 入口過濾網(wǎng)以及各吸附塔入口的程控閥內(nèi)部，從而容易導(dǎo)致 PSA 系統(tǒng)出入口壓差增大以及 PSA 程控閥開關(guān)異常。

      根據(jù)以上分析，結(jié)合兩套 PSA 出現(xiàn)的故障記錄，可以看出 PSA 程控閥故障頻率最高的是電磁閥故障及閥檢信號(hào)故障，其次是閥門填料泄漏，而閥門內(nèi)漏、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)故障的出現(xiàn)情況較少。因此，降低程控閥的故障率的關(guān)鍵就是減少電磁閥故障、閥檢信號(hào)故障及優(yōu)化程控閥運(yùn)行環(huán)境。

04 降低PSA 程控閥故障率的措施

4.1 日常巡檢與定期檢查 

      (1) 可通過加強(qiáng)日常巡檢、定期氣密、報(bào)警監(jiān)控，從而可及時(shí)發(fā)現(xiàn)程控閥是否出現(xiàn)泄漏情況。對(duì)閥桿輕微的填料密封，可通過定期緊固壓蓋螺栓的方式得到有效初步控制；對(duì)泄漏嚴(yán)重、難以控制的，檢查應(yīng)立即匯報(bào)，做好防護(hù)，聯(lián)系維保人員，按照應(yīng)急方案處置。

      (2) 定期檢查 PSA 系統(tǒng)電磁閥，查看有無串氣、漏氣、堵塞等現(xiàn)象；對(duì)有串氣、漏氣現(xiàn)象的電磁閥做好臺(tái)賬記錄；對(duì)比較嚴(yán)重的，擇機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)更換，防止后續(xù)出現(xiàn)因氣壓不足，電磁閥故障導(dǎo)致閥門開關(guān)異常、PSA 切塔等事故發(fā)生。

4.2 維保巡查與現(xiàn)場(chǎng)檢修

      (1) 聯(lián)合儀表人員，加強(qiáng)對(duì)兩套 PSA 裝置的定期巡查，檢查所有程控閥的螺栓、法蘭、接頭、頂絲、探頭、消音器、防雨帽、儀表管線等附件有無異常，并做好臺(tái)賬記錄，對(duì)發(fā)現(xiàn)的問題，及時(shí)處理；加強(qiáng) PSA 儀表供風(fēng)總管氣源三聯(lián)管路的日常巡檢，增加儀表風(fēng)線過濾系統(tǒng)及油霧潤(rùn)滑系統(tǒng)，確保 PSA 儀表用氣無液滴、無雜質(zhì)，保證程控閥氣缸活塞的潤(rùn)滑性能。

      (2) 定期聯(lián)系裝置儀表人員，對(duì)兩套 PSA 系統(tǒng)的安全柵、保險(xiǎn)絲進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢查。對(duì)超過建議使用年限的，在不影響 PSA 運(yùn)行的前提下，擇機(jī)進(jìn)行更換，并做對(duì)應(yīng)的臺(tái)賬記錄；對(duì)接線松動(dòng)的，定期進(jìn)行緊固。當(dāng) PSA 某塔或者某系列出現(xiàn)故障而自動(dòng)或手動(dòng)切出，處理相應(yīng)問題的時(shí)候，可根據(jù)前期記錄臺(tái)賬，同時(shí)進(jìn)行其他程控閥的檢查、維修、更換工作，消除隱患。

4.3 壓力調(diào)控與技術(shù)改進(jìn)

       (1) 在原用氣基礎(chǔ)壓力上，提高 PSA 儀表風(fēng)總管壓力 0.1 MPa，補(bǔ)償程控閥氣缸輸出摩擦力增大、推力不足的損失，滿足 PSA 程控閥正常開關(guān)的需求。

      (2) 適當(dāng)?shù)涂厝珡S氫氣管網(wǎng)壓力，可降低 PSA 的 5 號(hào)程控閥在終充步序啟閉時(shí)候的前后壓差，避免出現(xiàn)因壓差過大，氣缸力矩不夠，閥門無法正常開關(guān)的情況。

      (3) 為保證 182 穩(wěn)定運(yùn)行，可考慮將 182PSA 入口分液罐過濾網(wǎng)改為管道過濾器，并分兩組，可進(jìn)行切換清理。同時(shí)，加強(qiáng)與上游重整裝置的聯(lián)系，根據(jù)重整氣原料的定期化驗(yàn)分析結(jié)果，定期更換脫氯劑，從根源上減少氯離子含量，從而避免銨鹽的大量生成。

05 結(jié)語(yǔ)

      中海油氣 (泰州) 石化有限公司制氫裝置的兩套 PSA 系統(tǒng)承擔(dān)著泰州石化全廠生產(chǎn)工藝氫氣的重任，當(dāng)出現(xiàn) PSA 系統(tǒng)的生產(chǎn)事故時(shí)，會(huì)有大量的解析氣放空及氫氣管網(wǎng)的波動(dòng)，甚至容易導(dǎo)致制氫裝置發(fā)生聯(lián)鎖事故，進(jìn)而帶來更大程度的生產(chǎn)波動(dòng)。因此，保證兩套 PSA 的穩(wěn)定運(yùn)行，就是保證全廠氫氣管網(wǎng)的穩(wěn)定，這對(duì)全廠各用氫裝置而言至關(guān)重要。對(duì)上文分析總結(jié)出的 PSA 程控閥出現(xiàn)的各類故障，泰州石化制氫裝置經(jīng)過討論分析，有針對(duì)性、計(jì)劃性地展開了相應(yīng)的整改和應(yīng)對(duì)措施，從根本上降低了兩套 PSA 系統(tǒng)內(nèi)程控閥出現(xiàn)故障的概率，保證了全廠氫氣管網(wǎng)的穩(wěn)定，促進(jìn)了全廠用氫裝置的平穩(wěn)生產(chǎn)，有力助推了泰州石化高質(zhì)量運(yùn)行。