高压变压吸附制氢装置程控阀内漏的分析和判断
2017-02-04马金林何晓方任国君
马金林,何晓方,任国君
(万华化学〔宁波〕有限公司 浙江宁波 315812)
高压变压吸附制氢装置程控阀内漏的分析和判断
马金林,何晓方,任国君
(万华化学〔宁波〕有限公司 浙江宁波 315812)
介绍了高压变压吸附制氢装置的工艺流程及特点。针对该装置在运行过程中出现的程控阀门内漏问题进行原因分析,并给出了在线判断确定内漏阀门的方法及在日常运行中预防阀门出现内漏的措施。
变压吸附;程控阀门;内漏;分析判断
变压吸附(PSA)制氢是利用吸附剂在高压下对杂质的吸附容量大、低压下吸附容量小的原理,在高压吸附杂质,在低压解析杂质,以实现对氢气提纯的过程。
由于PSA制氢技术具有自动化程度高、一次性投资和运行费用低、产品质量好等优点,因此得到了广泛应用,目前国内有200多套装置在运行。虽然投运的PSA制氢装置数量较多,但由于氢气分子量小,容易泄漏,国内PSA制氢装置普遍存在系统压力过低、处理气量过小等缺点。通过近年来PSA工艺的不断优化完善,特别是随着我国对炼油油品品质要求的提高和氢能源的广泛应用,需要大量使用高压氢气,促使PSA制氢装置向高压、大型化方向发展。
1 装置基本情况
万华化学(宁波)有限公司(以下简称万华宁波公司)的PSA制氢工艺采用14- 2- 8的运行模式,即有14座塔运行、2座塔同时吸附、8次均压的运行方式。该装置设计压力5.3 MPa(绝压),是目前国内运行压力最高的PSA制氢装置,处理气量为60 000 m3/h(标态),要求产品H2的体积分数>99.99%、(CO+CO2)体积分数<3×10-6,H2收率>93%。该装置于2010年10月一次开车成功,经过5年多的运行,整体运行比较稳定。
程控阀是变压吸附装置最为核心的部件之一,其可靠运行直接关系到装置的安全稳定。由于国内高压变压吸附制氢装置运行经验少,且程控阀容易泄漏,导致装置降负荷甚至停车的案例较多,造成了较大的经济损失。而且由于程控阀内漏量增大后,出现高压窜低压的情况,给装置运行带来了严重的安全风险。现结合万华宁波公司的实际情况,重点介绍在不停车的情况下,在线查找PSA制氢装置内漏程控阀的方法及日常运行中预防程控阀内漏的措施。
2 程控阀内漏的判断
包括公用阀门在内,万华宁波公司的PSA制氢装置共有145只程控阀。在运行过程中,程控阀每隔20 min左右就需开关1次,前后压差最大为1.4 MPa。长时间的频繁开关、气体和吸附剂粉尘的冲刷,加上阀门开关压差大,容易引起阀门密封件的损坏,造成阀门内漏。在这145只阀门中,任何1只阀门内漏量增大后,轻者需降负荷运行,重者需装置停车处理。由于阀门较多,如何在运行过程中准确判断是哪只或哪几只阀门出现泄漏,是PSA制氢装置运行维护的难点。
以万华宁波公司为例,共有14座吸附塔,每座塔对应10只阀门。若是在正常情况下,原料气组分、系统压力没有大幅变动,而出口产品气中杂质气体含量持续上升,很有可能就是有阀门出现了内漏,可通过以下步骤迅速锁定内漏的阀门。
(1)通过DCS系统把所有塔的压力变化趋势组合在一起,形成一个比较有规律的曲线图,从中找出曲线最乱的塔。然后把该塔的压力趋势和产品气出口杂质气体含量进行对应,若杂质气体含量在该塔处于高压时也上升,就基本可确认该塔有阀门出现了泄漏。
(2)单独对该塔的压力趋势进行分析,找出具体的泄漏阀门。一般情况下,压力趋势在塔均压完成之后都会形成一条水平的直线,如果有阀门泄漏的话,压力趋势或向上或向下。若压力趋势向上,是高压阀门出现了泄漏;若压力趋势向下,则是低压阀门出现了泄漏;若压力趋势有上有下,一定是中间的某只程控阀门出现了泄漏。
(3)为了进一步确认泄漏的阀门,可以把有“嫌疑”的塔切出,观察其余塔的压力变化趋势。一般将有阀门泄漏的塔切出系统后,其余塔的压力变化趋势会好转,出口的工艺气中杂质气体含量也会降低。切出的吸附塔中气体通过现场泄压阀全部泄放至火炬并观察该塔最终压力,按照压力与阀门的对应表就能找到具体的泄漏阀门。
(4)若该塔不止1只阀门出现泄漏,该塔切出之后,系统压力会上升至高压阀门对应的压力,但系统压力波动会较大。此时需观察在该塔切出前后系统运行塔的压力变化,若是在均压过程中切出后的压力比切出高,则对应的阀门就有可能泄漏,需予以重点关注。
3 程控阀内漏原因及处理措施
3.1 程控阀内漏原因
高压PSA制氢装置的程控阀使用业绩较少,相关经验缺乏。万华宁波公司使用的程控阀主要有气锁液压程控球阀和金属硬密封液压三偏心蝶阀,球阀使用在管径≤DN 100 mm的管道上,蝶阀使用在管径>DN 100 mm的管道上。
实际运行情况表明,三偏心蝶阀的使用效果较好,装置运行3年之后,整体更换了金属密封圈。气锁液压程控球阀在使用中出现的问题较多,该阀采用液压驱动,阀体采用中分结构,阀球采用动态密封结构,用1.4 MPa的氮气进行隔离,目的是减少球阀在开关过程中密封阀座与球体间的摩擦。但在运行过程中,球阀中的高压氮气压力不易调节,调节过大则阀门开关比较困难,易出现“抱死”等情况;调节过小则阀门出现比较严重的内漏,影响装置运行。
另外,以下几种情况也可能会造成阀门密封面的损伤,从而引起阀门泄漏:①吸附剂质量差,粉化后的粉尘对阀门的密封圈产生严重磨损,易引起阀门内漏;②吸附剂装填量不足,吸附剂顶部与出口丝网空隙较大,均压过程吸附剂因压力的频繁升降而导致粉化加剧,从而引起阀门密封圈的磨损;③装置建设阶段管道吹扫不到位,管道内残留的铁锈、渣引起阀门密封面磨损,导致阀门内漏。
3.2 程控阀内漏处理措施
(1)应对吸附剂质量进行充分评估,除了考察吸附容量外,还需对吸附剂的机械强度等指标进行重点关注,务必选用质量较好的吸附剂。
(2)吸附剂必须严格按照设计要求装填充足,运行2年后须停车检查吸附剂沉降情况,及时补充吸附剂,以减轻吸附剂沉降引起的粉化加剧问题。
(3)在原始开车初期,需对管道逐根进行吹扫,达到吹扫打靶标准。
(4)在完成检修任务后,需对气锁液压程控球阀逐只检查确认,调整密封氮气用量,防止由于密封氮气的问题而出现阀门内漏或开关滞后等现象。
Analysis and Judgement of Inner Leakage of Program- Controlled Valve in High Pressure Swing Adsorption Hydrogen Production Unit
MA Jinlin, HE Xiaofang, REN Guojun
(Wanhua Chemical 〔Ningbo〕 Co., Ltd., Ningbo 315812, China)
The process flow and characteristics of high pressure swing adsorption hydrogen production unit are introduced. In connection with inner leakage problem of program- controlled valve of the unit in operation, causes are analyzed, on line checking method of inner leakage of program- controlled valve of the unit and measures for preventing valve from inner leaking in daily operation are given.
pressure swing adsorption; program- controlled valve; inner leakage; analytical judgment
TQ51
B
1006- 7779(2017)01- 0042- 02
2016- 07- 13)
本文作者的联系方式:xfhe@whchem.com