对二甲苯装置吸附塔程控阀选型及使用原则探讨

秦文戈

（中国石化 海南炼油化工有限公司，海南 洋浦 578101）

0 引言

对二甲苯联合装置中的吸附分离单元是从混合二甲苯原料中回收高纯度PX的一种经济、连续的吸附分离方法，吸附分离装置是芳烃成套技术大型工业化的核心装置。目前PX工艺包主要有美国UOP技术的旋转阀工艺、法国IFP技术的多程控阀工艺和中石化自主知识产权的多程控阀工艺。中石化自主工艺包是利用顺控程序控制多台程控阀按照既定逻辑程序开关来实现的模拟移动床吸附分离工艺。在与吸附塔相关的工艺控制参数中，吸附塔压力和进出吸附塔各股物料的流量是最为关键的控制参数，而程控阀的开关时间及稳定性和上述两个参数紧密相关。因此，程控阀的选型、调试、投用及运行维护对吸附分离装置的长周期稳定运行尤为重要。本文以中石化多程控阀工艺的海南炼化600000t/年对二甲苯装置为基础，探讨程控阀的选型及使用原则。

1 程控阀的选型原则

程控阀为模拟移动床吸附分离工艺中的关键核心设备，每年需开关16000次左右，必须具备高等级的密封性、快速恒定的响应时间、长周期的稳定性和可靠性。目前IFP工艺的吸附分离装置主要采用Segault、Flowserve Argus、Hartmann品牌的气动球阀，中石化自主工艺包技术的海南炼化首套大型化工业装置采用的是Hartmann品牌的气动程控球阀。根据装置平稳运行的经验，总结程控阀的设计选型上应遵循以下基本原则。

1）泄漏等级

吸附分离装置对产品纯度要求很高，要求程控阀结构形式为球阀，阀芯和阀座采用金属硬密封的密封形式，泄漏等级为Class Ⅵ级（双向硬密封）。所有程控阀均应在制造厂按API598及ANSI/FCI 70-2规定进行密封性测试[4]。

2）执行机构

程控阀的执行机构一般采用气缸式双作用执行机构，应尽可能选用双作用齿轮齿条式气缸，其在0～90°行程均为线性输出扭矩，能较好地保证阀门之间的平稳切换[3]。程控阀的扭矩必须按程控阀规格书所提供的最大关闭压差计算，没有提供最大关闭压差值的以程控阀入口压力值作为程控阀最大关闭压差值进行计算，正常情况下工厂的仪表风压为0.7～0.8MPa，为安全考虑，执行机构应满足在0.35MPa风压条件下，气动执行机构的输出最小扭矩必须大于阀门所需最大扭矩的1.25倍。阀位回讯器防护等级应不低于IP66，且阀位回讯器应具备耐踩踏和轻微碰撞的机械防护能力。

3）全行程时间要求

定义从控制系统发出开阀（关阀）命令开始计时，直到控制系统接收到现场阀位回讯器传回的阀开（阀关）信号为止，这期间控制系统所记录下的时间为程控阀开阀（关阀）全行程时间，要求阀门的关断时间小于2s，且1.5～3s可调，重复精度为正负0.1s[5]。

4）气路系统

阀门的气路管线和吸附塔上仪表风管线应采用不锈钢材质，且吸附塔应设置独立的储气罐，储气罐的容量应保证系统仪表气源中断期间，满足3个床层程控阀至少完成两个往复全行程动作所需的储气容量。

2 程控阀调试

程控阀采用金属硬质密封，工艺管道中微小的机械杂质易造成密封面损坏和阀杆划伤，进而造成阀门密封性能下降，工艺物料泄漏，导致产品质量不合格。程控阀密封面损坏或阀杆划伤易造成阀门转动部件摩擦力增大，严重者造成阀门无法开关到位甚至抱死，使控制系统进入容错程序，造成进出吸附塔工艺物料流量波动和吸附塔压力波动，影响装置稳定运行。所以在装置开工前的程控阀调试阶段，吸附塔床层管线必须进行酸洗处理，严格控制酸洗质量，确保管线中没有机械杂质，进油前保持氮封。

1）准备工作

程控阀安装时要保证气动执行机构与仪表连接管线之间无应力，防止由于应力的原因造成阀门回讯器故障或工作不正常；须将气路管线充分吹扫干净后，再进行仪表风管线与执行机构连接。

2）程控阀冷态调试

在吸附分离控制系统上对每个程控阀进行手动开关操作，以测试每个程控阀的位置是否安装正确，阀位回讯状态是否正确；通过现场调整过滤减压阀出风压力或弹簧预紧螺钉，将程控阀的开关时间调整在1.5～2s；在控制系统上将每个程控阀置自动，使所有程控阀在程序控制下空负荷运转，以初步考验程控阀的稳定性和阀门开关时间的重复性。

表1 阀位回讯状态表Table 1 Valve position status table

3）热态调试

在程控阀保持全开的状态下，对吸附塔充液、排气、升温后，在吸附塔公共吸入口阀门保持全开状态下对程控阀进行热态调试。热态工况下程控阀所处工艺物流的温度、压力与实际生产接近，所以需要在此工况下对每个阀门的动作时间进行最终调试。程控阀的口径须与工艺物料的流量匹配，对一套600000t/年的芳烃装置来说，最大程控阀的口径为DN250，最小冲洗程控阀的口径为DN80。正常情况下程控阀的口径越小开关时间越短，为了实现同一物流阀门的同步开关，需要将同一物流的阀门开关时间调整到同一时间上，正常情况下通过调整过滤减压阀出风压力、弹簧预紧螺钉或调节执行机构排气量来调整阀门开关时间。理想情况下将所有程控阀门的开关时间调整在2～2.5s之间，阀门开关时间太短，在阀门的开关过程中对程控阀执行机构气缸和阀体的冲击太大，容易降低阀门的使用寿命。

3 程控阀相关控制参数设定

正常生产过程中，程控阀的运行维护涉及控制系统和现场阀门两部分。对于控制系统来说，主要就是投用维护设定和开关时间报警设置。正常情况下所有程控阀门都处于投用状态，阀门的开关由控制系统控制，只有在阀门出现故障的时候，在控制系统上将阀门置维护并进行手动开关调试。在开关调试过程中，应关闭与其相连的一道工艺手阀，防止在开关调试过程中造成工艺物流波动。在投用之前，一定要确认程控阀已处于关闭状态，并将其上下游流程打通以后，在控制系统近两步序内没有对此阀门有开关操作的情况下投用。

程控阀的开关状态，开关时间报警设置

程控阀带有两个阀位回讯开关，位号分别为XZSO（阀开）和XZSC（阀关），阀位回讯状态见表1。

每台程控阀都有阀门开阀和关阀设定时间（TME），该时间定义为正常阀位信号返回的允许时间。“正常”属于阀门命令发出后，阀位回讯器应有的状态；“故障”属于异常状态；“动作”属于临时状态[2]，阀门动作开始时会处于此状态。

程控阀属于可动设备，受其结构形式、机械性能、动作方式等内在因素的限制，在阀门运行时有可能产生故障。关阀时，如果程控阀运行时间超过了阀门设定的关阀时间，而阀门仍处于“动作”状态，该情况属于“关故障”。开阀时，如果阀门运行时间超过了阀门设定的开阀时间，而阀门仍处于“动作”状态，该情况属于“开故障”。一旦控制系统接收到阀门的故障信息，将进入既定的容错程序，容错程序的执行必将引起进出物料流量和吸附塔压力的波动，所以在参数设定时，既要考虑由于仪表风压或其他条件的变化造成开关阀时间的增加，但最终还是能完成开关操作情况，也要考虑真正故障原因使阀门无法完成开关操作，需要尽快通知控制系统进入容错程序，避免吸附塔压力的剧烈波动情况。由于吸附塔压力波动最大的时刻为泵送压送调节阀在进行区域转换时，也就是物料从一个吸附塔的塔底床层向另一个塔顶床层切换时，如果程控阀出现打不开或关不上情况，而泵送和压送环路继续按照既定程序进行区域转换时，将引起单个吸附塔进出物料流量偏离正常值，物料平衡严重失衡，将引起吸附塔压力的剧烈波动，可能对吸附塔内构件造成严重的损伤和损坏。通过实践摸索，需要将吸附塔顶床层和底床层程控阀的故障判断设置时间（TME）适当减小。根据海南炼化实际现场情况，总结并设置TME时间为4～5s。如果考虑控制系统二级容错情况，建议将顶部两个床层和底部两个床层阀门故障时间减小；对于中间床层的阀门，由于在进行床层切换时不存在区域转换和流量控制设定值的变化，且上下两个床层的差压相对较低，进出物料的流量调节阀在自动情况下可以跟踪调整，所以对中间床层的阀门故障时间可以根据实际情况适当增大，降低故障频率。

4 程控阀典型故障原因分析

1）由于机械杂质原因造成阀门内漏和开关不到位。在阀门设计合理、阀体和阀座材质使用正确的情况下，部分装置开工初期易出现阀门内漏和开关不到位现象，主要原因是在开工前吸附塔相关管线酸洗效果和床层分配管线清洁度不好，或开工初期吸附塔进料、解吸剂过滤器没有达到过滤要求，在吸附塔进行冷态和热态冲洗时，由于阀门的开关动作使杂质进入程控阀的阀座底部、阀杆及密封面导致阀门内漏和开关不到位。一旦出现此类情况，需要整体切除本床层阀门，将阀门下线处理或更换阀门。此类故障对工艺生产影响较大。

2）阀位回讯器故障。在程控阀实际已完全打开或关闭的情况下，由于阀位回讯器故障，导致控制系统出现阀门故障报警。主要是由于回讯器破损或防护等级没有达到标准造成回讯器受潮或进水，引起回讯器失灵。程控阀回讯器采用感应式接近限位开关，可以不与目标物接触的情况下，检测到靠近传感器的金属目标物，利用磁感应原理，将阀门位置信号反馈到传感器，再由传感器传送至控制系统[1]。在实际生产过程中，阀位回讯器与执行机构本体之间会由于设计、选型材质及装配原因造成回讯器固定不牢，在仪表保护套管应力和阀门快速开关引起的震动下，易造成感应目标偏离感应区，无法检测到感应目标，在阀门正常开关的情况下出现开超时和关超时，进而触发控制系统的容错程序。控制系统的容错模式易造成吸附塔压力的波动及产品纯度的下降。

5 结论

程控阀是多阀对二甲苯吸附分离工艺的关键核心设备，其阀门数量多、开关频次高，相对于旋转阀工艺来说同步性差、故障点多。因此，在工程设计及开工调试阶段，需要提高程控阀的设计选型标准、严格执行出厂检验标准、提高安装质量。在装置投用之前，要确保吸附分析系统的清洁度，并通过反复调试使阀门的开关时间一致，提高程控阀的同步性，并结合阀门实际的开关时间优化吸附系统的各项控制参数，尽可能降低程控阀的故障频次，实现装置安稳长运行。

[1]陆德民,张振基,黄步余.石油化工自动控制设计手册[M].北京:化学工业出版社,2000.

[2]徐义亨.工业控制工程中的抗干扰技术[M].上海:上海科学技术出版社,2010.

[3]陆培文.实用阀门设计手册[M].北京:机械工业出版社,2007.

[4]何衍庆,邱宣振,杨洁,等.控制阀工程设计与应用[M].北京:化学工业出版社,2005.

[5]何衍庆,黎冰,黄海燕.工业生产过程控制[M].北京:化学工业出版社,2010.