PSA提氢装置程控阀运行故障分析及处理措施

秦 杰

(潞安化工集团太原化工新材料有限公司，山西 清徐 030400)

1 PSA工艺流程

1)吸附过程：原料气自吸附塔下部进入正处于吸附状态的吸附塔内，在多种吸附剂的吸附作用下，N2、Ar、CH4、CO及CO2等组分被吸附。纯度大于99.9%的产品氢气自吸附塔上部流出，作为半产品气送往下道工序。

2)第1次压力均降过程：吸附结束后，吸附塔停止进入原料气，顺着吸附的方向将塔内的较高压力的气体放入其他已完成冲洗再生并已进行多次均压升步骤的较低压力的吸附塔中，进行第1次均压降。该过程不仅是降压过程，也是回收床层死角空间氢气的过程。

3)第2次压力均降过程：第1次压力均降过程后，继续顺着吸附的方向将塔内较高压力的气体均入其他已完成多次压力均升的较低压力的吸附塔中，进行第2次均压降。

4)第3次至第5次压力均降过程：以此类推进行第3次至第5次压力均降过程。

5)顺放过程：在压力均降过程结束后，继续顺着吸附的方向进行降压，使吸附剂的吸附前沿进一步向出口端扩散，同时为其他塔提供冲洗用气。

6)逆放过程：在顺向放压过程结束后，逆着吸附的方向进行降压，使被吸附的N2、CO等杂质减压解吸出来。逆放气作为解吸气经过混合罐缓冲后送出界区。

7)冲洗过程：在逆放过程结束后，利用顺放气对吸附塔进行逆向冲洗，使吸附的N2、CO等杂质进一步解吸出来，冲洗进入混合罐缓冲后送出界区。

8)第5次压力均升过程：在冲洗过程完成后，用来自其他吸附塔刚结束第4次均压降的较高压力气体对该吸附塔进行第5次均升。这一过程与均压降过程相对应，不仅是升压过程，更是回收其他吸附塔层死角空间有效气体组分的过程。

9)第1次至第4次压力均升过程：以此类推进行第1次至第4次压力均升过程。

10)产品气升压过程：在第1次均升过程完成后，为了使吸附塔可以平稳地切换至下一次吸附，并保证产品气质量及输出压力在切换的过程中不发生波动，需要通过升压调节阀缓慢而平稳地用产品气将吸附塔压力升至吸附压力。

2 PSA程控阀结构特点

PSA装置采用的程控阀由四川同盛提供，其结构由气缸、阀杆、阀芯、密封圈、圆柱销、压板、阀体等组成。阀杆与阀芯连接为圆柱销连接，阀芯本体下端通过压板固定有密封圈，压板通过连接螺栓与阀芯本体固定连接，通过螺栓的下端面高于压板的下端面，采用这种结构形式，高速的气流会均匀通过连接螺栓，不会在连接螺栓的后面形成涡流，使气流对密封圈的冲刷强度降低，有效延长了密封圈的使用寿命，避免变压吸附装置出现内漏和窜气[1-2]。

3 程控阀故障原因分析

该阀门阀杆与阀芯为圆柱销连接，由于其特殊的连接方式阀杆与阀芯之间有一定的活动量，在程序正常运行中阀门动作频繁，阀门在开关过程中管道压力的变化极易导致阀杆与阀芯位置磨损，长时间便导致圆柱销发生疲劳断裂，阀门开关故障及密封面磨损，严重则导致阀杆弯曲变形，使阀芯与阀座不同心，密封失效，阀门内漏，系统发生高窜低事故。从历次阀门故障来看，大部分出现问题的程控阀集中在04/05阀，因在一个吸附周期内，升压与降压时该阀门开关最为频繁，故其故障率也是最高。

由于设计上管道仅有一道程控阀密封，当阀门发生故障时，无法切出系统检修，只能系统停车泄压置换合格后方可检修，给检修造成被动，给装置的联运带来隐患。

4 程控阀处理措施

装置自2016年9月投料运行以来，已经多次发生由于圆柱销断裂而导致的系统停车事故。为了彻底解决此项隐患，方便阀门切出系统检修，在原有04/05程控阀管道上增加了手动球阀，当阀门出现故障后，中控操作工可第一时间切塔运行，并通知现场关闭手动球阀泄压置换，以便更换圆柱销等检修。该处理从塔切出系统至阀门检修完毕塔并入系统，间隔仅1 h，为装置的稳运提供了保障。

5 DCS监控及操作要点

PSA装置采用10-2-5/P时序工艺，即10个吸附塔，两塔在线吸附，5次均压。当某个程控阀故障时，可采用切塔方式将故障阀门对应塔切出变更为9-2-5/P或8-1-5/P方式运行。程控阀出现问题的关键是必须马上判断出故障的阀门，并迅速切出系统，否则将会出现高窜低现象，导致系统停车。现将可能遇到的情况总结如下：

5.1 01阀故障

未开：会导致吸附塔变为一塔吸附，中间产品气压力、流量骤降。解决办法：切塔，待PSA装置停车后置换合格进行检修。

未关死(内漏、阀头掉落等原因)：影响原料气总管压力，与之相对应的均升时吸附塔压力会偏高，会使冲洗气、解析气等管线与罐体的压力偏高。解决办法：切塔，观察阀门是否能关死，必要时手动关阀，待PSA装置停车后处理。

5.2 02阀故障

未开：会导致吸附塔变为一塔吸附，中间产品气压力、流量骤降。解决办法：切塔，待PSA装置停车后置换合格进行检修。如无必要尽量不让仪表手动开阀，否则会导致中间产品气量骤降引起产品氢气压力波动。

未关死(内漏、阀头掉落等原因)：会导致中间产品气压力、流量骤降，与之相对应的均升吸附塔压力会偏高，会使冲洗气、解析气等管线与罐体的压力升高。解决办法：切塔，观察阀门是否能关死，必要时手动关阀待PSA停车后处理。

5.3 03阀故障

未开：导致冲洗气缓冲罐压力不降，解析气缓冲罐及混合罐压力升高，最终导致本吸附塔再生不彻底，影响产品氢气纯度。解决办法：切塔，手动将吸附塔内压力卸至微正压，待PSA停车后处理。

未关死(内漏、阀头掉落等原因)：导致冲洗气缓冲罐内压力偏低，解析气缓冲罐及混合罐压力下降，最终导致其余吸附塔再生不彻底，影响产品氢气纯度。解决办法：切塔，必要时手动关阀待PSA停车后处理。期间必须严密监控产品氢气纯度，必要时PSA减负荷运行。

5.4 04阀故障

未开：均升阶段时会导致本吸附塔不能正常进行四均升、三均升、二均升最终导致本吸附塔压差过大不能正常进入吸附阶段；均降阶段会导致与其相对应的吸附塔不能正常进行二均降、三均降、四均降，最终导致与其相对应的吸附塔压差过大不能正常进入吸附阶段。解决办法：切塔，现场关闭手阀，泄压后处理。

未关死(内漏、阀头掉落等原因)：均升阶段时会导致本吸附塔在一均升、终升阶段时压力下降，最终可能导致本吸附塔压差过大不能正常进入吸附阶段；均降阶段会导致其余吸附塔在进行二均升/均降、三均升/均降、四均升/均降时压力异常，均升吸附塔压力偏低，均降吸附塔压力偏高。解决办法：切塔，现场手动关闭手阀，泄压后处理。

5.5 05阀故障

未开：均升阶段时会导致本吸附塔不能正常进行一均升、终充，最终导致本吸附塔压差过大不能正常进入吸附阶段；均降阶段会导致本吸附塔不能正常进行均降且与其相对应吸附塔不能正常进行均升，最终导致多个吸附塔压力异常，吸附塔不能正常进入吸附阶段。解决办法：切塔，现场手动关闭手阀，泄压后处理。

未关死(内漏、阀头掉落等原因)：均升阶段时会导致中间产品气压力下降，其余吸附塔压力异常。

PSA吸附塔2个以上程控阀同时出现问题的几率较小，大概率是由于压差大导致。根据以往经验，均是由05阀引起，如再发现2个以上程控阀(01阀和02阀)出现故障首先考虑是由05阀引起，具体位置则由时序表上对应查询。紧急处理需立即到现场关小原料气进气阀并开原料气放空阀减小压差后01阀与02阀可恢复正常工作。

均降阶段会导致与其相对应吸附塔在进行终充工作时不断泄压，最终导致正在进行吸附工作的塔压差过大，01阀与02阀彻底关死，中间产品气压力流量骤降，冲洗气、解析气压力飙升。解决办法：切塔，现场手动关闭手阀，泄压后处理。

6 结语

PSA装置04/05程控阀增加手动球阀后，极大减少了整个装置的停车次数，为系统的稳定运行提供了保障，下一步将通过改造将程控阀阀芯与阀杆改为固定式连接方式来彻底改变程控阀运行短板。