Shell气化装置泄压阀气路改造与控制优化

宋太浩

（河南省中原大化集团有限责任公司）

Shell煤气化工艺是当前世界最先进的煤气化技术之一，工艺流程复杂，它凭借先进的设计理念和多重安全的控制方案促进了煤化工行业的快速发展［1］。 Shell气化装置12单元为煤粉加压输送单元，主要是将11单元磨制干燥好的微米级煤粉，逐级加压输送至Shell气化炉内进行气化反应生成合成气。 气化炉炉膛压力为3.8MPa，煤粉需要从常压状态煤粉仓V-1201送至煤粉锁斗V-1204进行加压。 其中V-1204为变压罐，实现常压接煤粉，再加压至4.5MPa与给煤罐V-1205对接后将煤粉下至V-1205中，从而满足给气化炉供煤的需要，完成无扰输送煤粉任务。

V-1204可靠的充泄压是保证煤粉周期加压输送的关键，关系整个气化装置的稳定运行。 煤粉锁斗V-1204泄压球阀12XV-0122在全压差时打开泄压，气缸力矩大，动作频率高（下煤周期约1h）。V-1204泄压分3个阶段来完成：泄压阀12XV-0122为全压差（即4.5MPa）时打开；压力泄放至2.2MPa时打开12XV-0118，关闭12XV-0122；压力泄放至0.15MPa时打开12XV-0120、12XV-0121。最终实现V-1204泄压至常压并与V-1201进行对接。

1 锁斗泄压阀案例分析

1.1 锁斗泄压阀事故过程

首道泄压阀12XV-0122为进口Flowserve气动固定球阀，可实现全压差打开。 该阀门气缸扭力大，在生产过程中故障率高，常见故障有阀门卡涩、不动作及气缸活塞脱开等。 在第1次出现气缸活塞脱开后，由于装置正在运行，时间紧，采取了焊接的方案， 将活塞和活塞备紧螺帽直接焊接。在线运行3天后，再次脱开。 第2次处理时，考虑到直接焊接导致焊接面脱开， 属于应力强度不够，对焊接方案进行了重新设计，在气缸轴上用砂轮机打磨出一圈凹槽后进行焊接处理，使焊肉与轴形成一体，相当于一个限位焊接销［2］。

1.2 活塞脱开的受力分析与设计缺陷

要分析气缸活塞脱开的原因，需要了解气缸的构造和受力情况。 气缸为双作用拨叉式气缸，活塞由备紧螺帽固定，螺纹位于气缸轴车加工变细端。 根据生产运行情况分析，阀门打开过程中，在前后压差为4.5MPa时开阀，此时气缸的受力最大。 气源从气缸右侧进气，推动活塞运动带动拨叉转动使阀门打开。 阀门打开时，活塞备紧螺帽不受活塞产生的推力。 气缸轴采用车细变径设计，足可以承受活塞气源推力和活塞启动力。 因此，不再对阀门打开时的受力进行分析计算。 此处着重分析阀门关闭时的气缸活塞和螺栓受力情况。

活塞脱开的原因是气缸轴螺杆丝纹产生塑性变形，导致活塞备紧螺帽脱开。 主要侧重分析计算阀门关闭时，活塞备紧螺帽的受力情况。 鉴于缺少进口阀门气缸轴的各项参数信息，无法具体确定其强度等级，只进行粗略性计算和定性判断。 不考虑气缸做功效率、活塞启动力、气缸进气量与排气量产生的运动速度惯量及活塞变形对备紧螺帽应力变化的影响等因素［3］。

气缸为气源推动活塞运动，活塞端面螺帽为变载受力。 为保证在活塞受力时，活塞和轴的结合面不出现缝隙，防止气缸窜气，气缸活塞在设计气源压力下受到的推力F计算如下：

式中 D——气缸活塞直径，56cm；

g——重力加速度，9.8N/kg；

p——气源压力， 设计压力5.5bar （1bar=0.1MPa）。

经计算，活塞所受气源推力F约为132 700N。假定螺栓的刚度Cb与被连接件活塞的刚度Cm相同，则螺栓受到的总拉力F2为：

式中 F0——备紧螺帽预紧力，因密封性要求，F0=（1.5～1.8）F，选择F0=1.5F。

按照式（1）计算螺栓受到的总拉力F2约为265 400N。

对气缸活塞备紧丝强度进行核算，因缺少该阀轴的各项参数信息，取轴丝帽性能等级中的高强度等级8.8来进行验证，即螺栓公称抗拉强度σb=800MPa，其屈服应力强度σs=640MPa。 只从定性角度分析，不再进行疲劳强度校核计算，直接取安全系数s=3，则许用拉应力［σ］为：

式中 d1——螺杆危险截面小径，约为42mm。

按照式（2）计算得出轴螺杆在阀门关闭时的应力强度：σ=191.7MPa≤［σ］=213.3MPa。

从上述数据可以看出，实际计算结果已经非常接近许用拉应力［σ］，没有充足余量。但在理论数据上是可以接受的， 这也是阀门能在运行几年后，才开始出现活塞脱开的原因。 原Flowserve阀门实际活塞备紧螺帽为非标准件，螺帽厚度小于0.5d1，属于超薄螺帽。 该结构螺帽承载能力极其有限，而非上述计算耐受应力强度。超薄螺帽多用于非承力结构的连接，螺纹一般为细牙［4］，因此该气缸结构存在较大设计缺陷，不能承载活塞推动力，特别是每小时开关一次这样频繁变载力的场合。

2 阀门故障处理与气路优化改造

已从气缸活塞受力得知阀门设计存在缺陷。进口阀门设计者可能考虑到阀门关闭时，阀前后无压差，所受力矩较小。 但未意识到阀门关闭到位后，活塞由于没有在气缸端盖处，对活塞未设计到位限位顶丝，此时气源产生的推力对螺杆螺帽应力最大，导致活塞脱开。 笔者所在团队给出第1种改造方案： 在气缸端盖上加装阀门活塞限位顶丝来抵消应力。 鉴于加工难度和如何减少到位时撞击等问题，未实施。 第2种改造方案：对阀门控制气路进行改造，也是目前在生产上实现的方案。 改造实现的功能是阀门开关到位后，电磁阀失电，气缸排气，活塞不再受气源产生的推力，从而有效消除进口气缸的设计缺陷［5］。 阀门原设计气路控制如图1所示，气源经过滤器减压阀分3路，一路给两位五通电磁阀供气，作为对开、关两个气动换向阀（也称气控阀）的先导气动信号；另外两路作为进气动换向阀的动力气源，实现气缸两侧排进气，推动活塞动作。 对这种控制方式进行气路分析， 当前状态是两位五通电磁阀线圈2带电（线圈1失电），先导气经B口去控制下侧气动换向阀主气路进气，实现阀门打开。 若阀门开到位，即使线圈2再失电，由于两位五通电磁阀的保位作用， 也无法实现电磁阀B口的先导控制气排气， 即气缸下侧开路会一直带气， 直到线圈1带电，气缸上侧关路进气，开路排气，阀门关闭。 原气控方案现场实物如图2所示。

图1 阀门原设计气路控制

图2 阀门原气控方案现场实物

改造后的气路控制方案是采用两个两位三通电磁阀取代两位五通电磁阀， 具体方案如图3所示。 若上侧电磁阀1带电，先导气控制上侧气动换向阀切换，主气路从气缸上侧关路进气，推动活塞阀门关闭。待阀门关到位时，通过对DCS控制程序进行修改，自动实行关电磁阀失电，这时控制的先导气切换排气， 带动关路气动切换阀切换，使关路侧气缸内的气源排气，这样可实现阀门关到位后，将气缸内的气排掉，不再使活塞长时间受力。 同样，阀开到位也可以实现相同功能。由于阀门是球阀，不会导致阀门在气缸不带气的情况下有其他附加受力而误动作。 阀门气路改造后的实物如图4所示。

图3 阀门改造后的气路控制

图4 阀门气路改造后现场实物

3 DCS顺控程序中嵌入阀门开关逻辑控制

Shell煤气化工艺煤粉输送加压单元控制方案比较复杂、安全可靠性高。 根据近十几年Shell气化炉生产运行经验，笔者所在公司先后为国内外十几家气化装置提供开车技术支持，如韩国釜山、山西潞安及山东明水等项目，对Shell原有的控制方案进行了修改和优化。 针对本次改造，在12单元顺控程序12KS0001里嵌入阀门开关反馈复位程序，如图5所示。 BO01为DCS输出给12XV-0122开电磁阀的控制，输出为“1”，电磁阀带电（24V），气缸开侧进气；输出为“0”，电磁阀失电，气缸开侧排气。 BO02为DCS输出给12XV-0122关电磁阀的控制，输出为“1”，气缸关侧进气，阀门关闭；输出为“0”，电磁阀失电，气缸关侧排气［6］。

图5 阀门12XV-0122开关逻辑控制

BI01、BI03为 顺 控 程 序12KS0001 发 出 去 阀门12XV-0122 的 开 关 指 令，BI02、BI04 为12XV-0122阀位开关位置反馈。 从图5中可以看出，当BI01发送开命令时BO01为“1”，当检测到开到位信号时BI02为“1”，即阀门开到位延时5s后，RS触发器复位，BO01输出变为“0”，开电磁阀失电，开侧气缸排气，阀开保持；此状态下，BI03关，处于“0”，即12KS0001顺控程序未输出阀门关命令。 阀门12XV-0122关逻辑控制同上，不再详细阐述。

4 阀门气路控制改造的运行效果

Shell气化装置煤粉加压输送单元有A、B两个系列，涉及高差压放空的阀门有12XV-0122、0222和12XV-0118、0218这4台阀门， 均已进行控制气路改造和DCS控制程序重新编程， 实现阀门开关信号到位后，在顺控程序中增加功能块，使对应电磁阀失电，将气缸的气排掉，防止螺杆备紧螺帽长时间处于受应力状态。

5 结束语

笔者所在团队在生产中发现进口阀门气缸的设计缺陷，通过理论推算进行了验证。同时在国内首次以创新理念对阀门气路进行改造， 并通过DCS控制系统实现控制方案的优化， 解决制约阀门可靠运行的瓶颈问题，创造了较大经济效益。对这些重要阀门气路控制改造以来， 未再出现活塞脱开的故障，实现了装置的长周期运行。