水力除焦控制阀常见问题分析及改进

杨安龙

（中国石油化工股份有限公司安庆分公司，安徽安庆 246000）

0 引言

延迟焦化装置是将重质低价值油品，经深度热裂化反应，转化为高价值的液体和气体产品，同时生成石油焦。是国内外炼油厂提高轻质油回收率和生产石油焦的主要加工装置之一[1]。而水力除焦系统是延迟焦化装置的重要组成部分，主要包括高压水泵、除焦控制阀、润滑油系统、气动阀、绞车及滑轮组、水涡轮减速器、自动切换联合钻孔切焦器、塔顶盖自动装卸机、塔底盖装卸机、钻杆组件等[2]。其中除焦控制阀作为水力除焦系统的关键设备，其性能好坏，直接影响到除焦系统的安全稳定运行。

水力除焦系统的工作模式完全由除焦控制阀控制，文献[3]中针对除焦控制阀对系统的重要性，探讨了使用变速水泵与除焦控制阀的共同控制方式。由此，深入研究除焦控制阀性能意义重大。从工艺角度出发，结合除焦控制阀结构特点和工作原理，分析其常见问题及改进技术。

1 工艺流程及工作原理

1.1 工艺流程

延迟焦化是将重质油经加热炉急速加热达到焦化所需高温后，立即进入焦炭塔内进行深度热裂化反应，使生焦反应不在炉管内进行而延迟到焦炭塔内反应。

当焦炭塔中结焦达一定程度后，需要进行清焦作业。清焦采用水力除焦法，先在焦层中央用钻机打一个洞，从顶部一直打到底，然后通入高压水，利用水的冲击力将焦炭打下并由底部排出[4]。即由高压水泵输送的高压水（12～30 MPa），经上水线，除焦控制阀，水龙带，钻杆到水力切焦器喷嘴，由切焦器喷嘴喷出的高压水形成高压射流，利用高压射流强大的冲击力，将石油焦切割下来。钻杆不断升降和转动，直到将焦除完。

1.2 工作原理及结构特点

图1 水力除焦控制阀结构示意

水力除焦控制阀主要由阀体、阀芯、阀座、支架、驱动装置等组成，驱动装置可以是电动或气动。某炼油厂的水力除焦控制阀如图1 所示[5，6]。除焦控制阀安装在高压水泵出口管道上，阀门关闭时阀芯在最下端，高压水经多级节流降压后从旁流出口排出，这时允许高压水泵在最小流量下启动或停泵。阀芯在中间位置时，一部分高压水经多级节流降压后排出，另一部分高压水经另一组多级节流降压后通过高压管道进入焦炭塔内的除焦器，其作用是用小流量、低压力的水对高压管道进行预充满，防止产生水锤现象[5]。阀门全打开时阀芯在上端，高压水经阀体通过高压管道进入焦炭塔内的除焦器，进行水力除焦操作。

2 常见问题分析及改进

2.1 阀门堵塞或阀芯卡滞

某炼油厂开工试车中发现，除焦控制阀阀杆上下运动时有卡涩及异声，影响整个除焦进程[7]。还曾有某厂因除焦控制阀笼套/孔板堵塞，造成管道异常振动[8]。水力除焦作业所用高压水中含有粉状焦炭颗粒，水力除焦控制阀的阀芯与消能室、阀芯与阀座之间的配合均为精密配合，若在加工制造阶段未控制好尺寸精度，或因阀门运行维护不当，极有可能造成磨损卡涩等问题。此外，由于部分除焦控制阀采用多级笼套/背压孔板减压，若设计取值不当，也会因焦炭颗粒造成阀门堵塞。为解决上述问题，可从3 个方面分析。

①应确保供货阀门在加工制造过程中的尺寸精度合格，不同零件配合面之间应选用不同材质并设置硬度差，减少多级笼套/背压孔板的孔数并适当增大孔径或直接避免采用这类减压结构；②在除焦控制阀前或高压水泵进水口处增加一个过滤器，用以过滤水中的焦炭颗粒，防止固体介质进入除焦控制阀内部；③平时的运行维护过程或检修期间，注重阀门的维护工作。

2.2 预充水压偏低及泵出口压力波动

进行除焦作业前，为防止产生水锤现象，一般先通过除焦控制阀，用小流量、低压力的水对高压管道进行预充满，达到一定压力后，再把除焦控制阀全开，进行水力除焦作业。在装置试车过程中，发现在进行高压管道预充满作业时，除焦控制阀已达到预充位，其阀后的预充压力可迅速达到并且超过设定值，随后缓慢下降并且低于设定值，且不再变化[4，9]。多次操作，情况依然存在。分析认为，可能是由于除焦控制阀阀位不稳定或者阀门开度设定值偏低导致。阀位不稳定则与除焦控制阀的控制精度以及驱动装置的稳定性相关，应确保驱动装置的刚度足够，并在设计制造过程中确保除焦控制阀的精度。针对阀门开度的设定值偏低，通过现场控制系统将输入值适当增大即可。

在将除焦控制阀阀位开度略调大后，阀后预充压力变化急剧，对管道的冲击力变大，并且在除焦控制阀开启过程中，高压水泵出口压力波动幅度一度高达60%[5]，对高压水泵的长周期运行带来不利影响。分析认为，这是由于除焦控制阀的快开流量特性所导致的。通过对除焦控制阀阀芯流量孔的型线进行改型设计，将其流量特性修改为近似线性，由此避免了除焦控制阀在开启过程中引起高压水泵出口压力的大幅度波动。

2.3 密封面/节流面冲蚀破坏

水力除焦控制阀在旁路循环及预充状态时，其工作压差可高达数十兆帕，运行过程极易发生冲刷汽蚀等破坏现象。对此，可通过多级减压[10]、对冲消能[11]、转移破坏[5]等方法解决。

除焦控制阀旁路流道可采用防堵塞多级串联刻槽式阀内件，并在旁路流道的出口处增设喷嘴，以增加回流口的背压，保护阀芯与消能室相互配合的节流面及副阀座密封面。

针对除焦控制阀在预充状态时的工况，可在阀芯供水段的密封面下部设置喷射消能孔，利用介质相互对冲消能，达到减压效果。并且在供水口小开度时，将节流处转移到主阀座密封面下游，即将破坏处转移至远离密封面处，有利于除焦控制阀的长周期稳定运行。如图2 所示，水力除焦控制阀在预充状态时，冲蚀破坏发生在阀芯内部（远离密封面处）。

图2 水力除焦控制阀预充状态破坏位置

3 结语

水力除焦控制阀作为水力除焦系统的关键设备，影响着系统装置的长周期稳定运行。安庆石化延迟焦化装置用水力除焦控制阀，自2008 年研制使用以来，经过持续改进[5，6，11]，已达到近10 年未下线的长周期运行水平。该型水力除焦控制阀阀芯刚度大，导向坚固、可靠，最大限度地减轻了由加工误差或介质颗粒刮擦引起的阀芯卡阻的可能性[6]；固有流量特性为近似线性，使阀门随开度增大流量逐渐加大，避免阀后管道受冲击；在保护阀座密封面的同时，将高压差流体产生的破坏转移至节流面下游；主阀座、消能室和阀芯均可快速更换，方便阀门的维修与保养。