CO2 汽提法尿素装置池式反应器液位调节阀故障判断及处理

侯立业

（中海石油华鹤煤化有限公司，黑龙江 鹤岗 154110）

1 概 述

中海石油华鹤煤化有限公司（简称华鹤煤化）520kt/a尿素装置采用荷兰斯塔米卡邦2000+TM工艺，高压系统用1台池式反应器替代池式反应冷凝器和尿素合成塔2台设备，即高压系统由池式反应器、CO2汽提塔、高压洗涤器3台设备组成，其工艺流程简图见图1（注：阀A—高压洗涤器气相放空调节阀，阀B—池式反应器液位调节阀，阀C—汽提塔液位调节阀）。其中，池式反应器是池式冷凝器和尿素合成塔的组合，含有U形管束的容器区间相当于一个池式冷凝器，管束中产生低压蒸汽，围绕管束外的气体部分冷凝，并有一定量的甲铵脱水生成尿素；池式反应器由10块导流板构成，分割成10个小室，在最后一个小室用液位调节阀来控制池式反应器的液位。CO2汽提塔利用底部进入的CO2气对顶部来自于池式反应器的混合液中的NH3进行汽提，CO2汽提塔的液位由其液位调节阀控制。高压洗涤器采用直通液氨冷凝的方式取代高温调节水换热冷凝，即利用高压甲铵泵提供的甲铵液实现NH3和CO2的冷凝，部分冷凝热被高压洗涤器底部的液氨吸收，通过高压洗涤器顶部气相放空调节阀保证高压系统压力的稳定。

图1 尿素装置高压系统工艺流程简图

华鹤煤化尿素装置高压系统与常规汽提法尿素装置高压系统相比，具有如下明显的优势：①工艺流程简洁，所用设备少，工艺步骤少，连续开工率高；②尿素合成反应多余的NH3在高压圈大部分得到回收；③高压氨泵及高压甲铵泵流量小、耗能低；④尿素合成系统的设备布局合理，整个系统主要靠重力为推动力，无需能量驱动，未转化的NH3和CO2在合成系统内部循环；⑤设备采用耐腐蚀性能更好的双相不锈钢，高压系统可实现无氧操作。不过，任何工艺系统不可能尽善尽美，诸如高压系统调节阀出现故障处理不及时时，同样会造成严重的后果。

池式反应器液位调节阀、CO2汽提塔液位调节阀、高压洗涤器气相放空调节阀等调节阀均为事故关型，调节阀执行机构的动力源均为压力约0.70MPa的仪表空气，仪表空气在经过减压机构、过滤机构后最终作用于调节阀的执行机构，助力阀杆的位移实现调节阀开度的调节，并同步设有开度反馈机构，用来指示实际开度与设定开度的偏差。生产中，一旦上述调节阀出现故障而全开或全关时，系统中相关工艺参数就会出现不同程度的波动——温度、压力等参数异常升高或降低，因此要求操作人员密切关注相关工艺参数的变化且作出准确判断，并据相应的故障原因及时对系统进行调整，力求保证尿素高压系统的稳定、安全运行。

2 池式反应器液位调节阀简介

华鹤煤化520kt/a尿素装置自2015年投产以来，高压系统总体运行稳定，其采用池式反应器替代池式冷凝器和尿素合成塔的工艺设计，无论是在系统能耗方面还是在操作弹性方面总体上均优于其他工艺。但华鹤煤化池式反应器液位调节阀生产中多次出现故障，导致高压系统出现大幅波动，甚至导致尿素装置封塔停车。

池式反应器液位调节阀为奥地利（斯塔米卡邦）进口气动调节阀，属于高压角阀，以压缩空气为动力源，以气缸为执行器，并借助于阀门定位器、转化器、保位阀、电磁阀附件来驱动阀门的开关，阀体材质采用防腐蚀性能较好的316L尿素级不锈钢及Safurex（双相不锈钢）。正常生产时，池式反应器液位调节阀投自控，调节阀阀位与生产负荷在一定程度上呈正比例关系，在生产负荷保持不变的稳定运行过程中，阀门开度调整幅度较小。实际生产表明，池式反应器液位调节阀具有操作灵敏度高、控制简单等优点，但同时也存在缺点，那就是没有设计带现场手轮，当阀门出现故障时，不能通过手轮进行限位操作，且仪表气源（仪表空气）在进入执行机构时没有加装过滤装置，使得阀门发生故障的风险加大。

正常情况下，池式反应器液位调节阀通常设计带有手轮，因为有了手轮可以不考虑为其设计副线，但实际生产中有两点必须考虑：第一，池式反应器液位调节阀流通的介质为尿液和甲铵液的混合液，出于生产安全方面的考虑，当高压系统联锁封塔停车时，池式反应器液位调节阀需快速关闭，及时切断工艺物料，避免相关系统（特别是管道、阀门）发生结晶堵塞，若其带有手轮，可能因发生“空档”而影响调节阀的开关，进而影响到整个系统的安全；第二，出于成本考虑，若调节阀不带手轮，则可设计副线，但设计副线无疑也会增加成本。基于以上两方面的原因，最有效的方式是尽可能保证池式反应器液位调节阀的工作状态稳定、可靠。

3 池式反应器液位调节阀故障判断

池式反应器液位调节阀发生故障最直接的表现是池式反应器出现满液和空液两种现象。需要说明的是，池式反应器满液或空液并不能说都是液位调节阀故障所致，是否为调节阀故障所致，需通过相关工艺参数的变化以及调节阀实际开度与仪表阀位反馈值的偏差规律综合进行判断。

首先，池式反应器液位调节阀是否发生了故障可以从相关工艺参数的变化来判断。池式反应器液位调节阀突然关小或逐渐全关会造成CO2汽提塔以及后续工段断料，CO2汽提塔因为突然的受料量减少，其液位会迅速下降，用于CO2汽提塔加热的高压蒸汽耗量也会迅速下降，由约62t/h降至5t/h，由于高压蒸汽量的退出需要一定的时间，此时汽提塔底部就会发生严重超温，温度高达180℃甚至更高，蒸汽自控调节阀会因蒸汽用量突然降低、高压蒸汽来不及退回管网中而发生蒸汽安全阀超压启跳。同时，CO2汽提塔底部进入的CO2会因为汽提塔液位的降低而发生“短路”，即大量的CO2气没有通过汽提塔列管而直接进入低压精馏后系统，造成低压系统超压。与此同时，池式反应器的气相温度会由178℃逐渐升高，若池式反应器已经完全满液，其气相温度会超过185℃，同时高压洗涤器气相出口温度也会由约105℃升高至150℃甚至更高，池式反应器下液温度会较快上涨，低压吸收塔因负荷增大而满液超压。在池式反应器液位逐渐上涨的过程中，高压系统压力会逐渐上涨，但压力上涨比较缓慢，一旦池式反应器满液到高压洗涤器中，高压系统压力会快速上涨，甚至达到封塔停车联锁值15.5MPa，若压力仍继续上涨，高压系统的3个安全阀会启跳泄压（高压洗涤器气相放空调节阀、池式反应器液位调节阀、汽提塔液位调节阀的启跳压力分别为15.9MPa、16.1MPa、16.4MPa）。而池式反应器液位调节阀开大或全开会造成池式反应器空液，此时系统主要表现为高压系统压力出现突降，CO2汽提塔壳侧蒸汽压力上升而流量下降，蒸汽系统发生大幅波动。2019年8月12日04：08华鹤煤化尿素装置满负荷运行时池式反应器液位调节阀发生故障（阀位逐渐关小至全关）时高压系统的主要工艺数据见表1。

表1 池式反应器液位调节阀故障时高压系统的主要工艺数据

其次，池式反应器液位调节阀是否发生了故障可以从阀门实际开度与仪表阀位反馈值的偏差来判断。池式反应器液位调节阀带有阀位变送器，阀位变送器的作用是将气动执行机构输出轴的转角（0～90°）线性地转换成4～20mADC信号，用以指示阀位，并实现阀门开度的反馈；同时，阀位变送器具有足够的线性度和线性范围，使执行机构输出轴紧跟调节器的输出信号运转，阀位信号会单独从定位器引出至DCS，反馈阀位值与实际OP值偏差设定在1.2%左右，当DCS中实际阀位与反馈阀位值出现较大偏差时，意味着调节阀实际阀位可能出现了问题，具体表现为其自控状态下阀位逐渐开大（或关小），而池式反应器液位却逐渐升高（或降低），最终调节阀阀位开到100% （或关到0%），池式反应器液位没有降低（或升高）反而继续升高（或降低）。此外，反馈阀位值偏差由于控制器需要模拟计算，因计算时间滞后的原因，反馈阀位值与实际OP值偏差还会由1.2%逐渐变大。

总之，通过将高压系统相关工艺参数的变化以及池式反应器液位调节阀实际开度与仪表阀位反馈值偏差较大的特征相结合，综合分析可判断出池式反应器液位调节阀是否出现了故障。

4 池式反应器液位调节阀故障原因分析

（1）仪表空气压力异常。池式反应器液位调节阀为气动调节阀，仪表空气压力要保持在0.65～0.75MPa且稳定，才能保证调节阀工作正常。在原因查找过程中发现，当池式反应器液位调节阀出现故障时，若空气压缩机工况异常，仪表空气压力频繁波动，会造成调节阀动作迟钝、缓慢或动作幅度较大；同时，检查现场仪表空气管线还发现仪表空气的活接头、阀门等部件密封性能较差，有漏气泄压现象，现场仪表空气压力表示数为0.32～0.40MPa。

（2）阀门定位器工作不正常。池式反应器液位调节阀带有阀门定位器，定位器前仪表空气管线上安装有空气过滤减压阀，其作为一种气动薄膜调节压力的辅助装置，内部主要由主阀和导阀组成，通过这两部分的相互作用来调节弹簧压力，从而实现气体减压和稳压的功能。但由于工艺管线中流动的介质为尿液、甲铵液等，这些介质具有强腐蚀性和易结晶的特点，长时间运行会因阀门密封不良而导致少量工艺介质外漏，在空气滤网上形成结晶，长时间的积累导致大部分滤网被完全堵死，仪表空气无法过滤减压，继而影响阀门定位器的正常工作，最终因仪表空气中断而致调节阀发生故障（全关）。

（3）调节阀部分附件腐蚀老化。池式反应器液位调节阀自投用以来没有进行过拆卸检查，长时间的工作加上调节阀所控制的介质具有强腐蚀性和冲刷性，必然对调节阀附件和部分结构造成影响。直至2019年尿素装置大修期间，拆检池式反应器液位调节阀发现，阀芯、阀座、膜片及O型圈均发生了不同程度的损坏，阀芯因冲刷腐蚀而产生严重磨损，阀座因尿液、甲铵液渗入固定阀座用的螺纹内表面造成腐蚀而松弛；期间对池式反应器液位调节阀的阀座端面进行了打磨处理，阀芯由于腐蚀较严重，更换了新的阀芯，同时还更换了密封润滑脂。

5 池式反应器液位调节阀故障处理及维护保养

5.1 故障处理

池式反应器液位调节阀出现故障后，必然出现阀门异常关小甚至全关或者开大甚至全开的情况，不同的情况处理方式有所不同：若池式反应器液位调节阀出现全开，封塔停车的风险很大，往往只有封塔才能处理好；若池式反应器液位调节阀出现全关，可通过系统大幅减负荷等手段进行调整，有一定的调整余地；若池式反应器液位调节阀只是关小或开大，并没有全关或全开，可根据相关调节阀阀位与生产负荷一定程度上的线性对应关系（见表2）进行手动操作。

表2 生产负荷与相关调节阀阀位线性对应关系

表2给出的经验操作阀位具有一定的参考意义，但并不绝对准确，仅供参考，具体操作中要结合工艺参数的变化作出及时的调整。正常生产中，如果判断出池式反应器液位调节阀出现故障，应立即将池式反应器液位调节阀打到手控模式，并调节到对应负荷阀位后进行微调，将池式反应器气相温度控制在177～179℃、下液温度控制在185～187℃，调整时避免大幅操作，每次微调阀位0.5%并观察，观察到上述2个温度点温度在上升表明液位在上涨，此时应将池式反应器液位调节阀阀位开大控制液位的上涨，反之则关小阀门。同时，结合CO2汽提塔相关工艺参数进行调整，如果CO2汽提塔下液温度高于173℃，表明CO2汽提塔液位较高，也就间接反映出池式反应器液位调节阀开度过大；若CO2汽提塔出液温度低于165℃且低压循环系统压力突升，表明CO2汽提塔空液且CO2窜入了低压循环系统，也就间接反映出池式反应器液位调节阀开度过小，此时要立即全开池式反应器液位调节阀建立液封，但全开时间不能过长——一般池式反应器液位调节阀全开10～20s，然后就需要调整其阀位与生产负荷相匹配，以防CO2汽提塔满液。此外，要密切关注高压系统的氨碳比和水碳比，指标出现偏差要及时调整，避免系统组分失调。在维持系统稳定运行的同时，利用高压冲洗水泵出口压力高于高压系统压力3.0MPa的工况条件，将高压冲洗水打到池式反应器液位调节阀阀前，利用高压冲洗水泵的高压头，在短时间稀释尿液的同时对调节阀进行冲洗，将调节阀阀芯和阀体内的结晶冲洗掉，消除调节阀卡涩带来的影响。

当判断出池式反应器液位调节阀故障是因仪表空气异常所致，要检查确认仪表空气压力异常的原因并进行相应的处理：若是空气管线漏气，要在最短的时间内处理好；若是接头有漏点，一定要选择如聚四氟乙烯的胶带进行接口螺纹的密封，其他仪表元件一并检查确认；若是空气减压阀滤网堵塞，重新更换通透性优良的滤网。需注意的是，仪表人员检查处理调节阀故障时，一定要快速、有效，否则会给整个系统带来不可挽回的损失。

5.2 维护保养

要保障池式反应器液位调节阀的良好运行，其维护保养也很关键。维护保养一定要精心、严谨，以使其使用寿命和启闭可靠性得到保证。具体做法为：①阀杆螺纹经常与阀杆螺母摩擦，要涂一点黄甘油、二硫化钼或石墨粉，起润滑作用；②注意保持调节阀的清洁，对阀杆加保护套，以防雨、雪、尘土、锈污；③经常检查并保证调节阀及相关部件的完好性；④保证调节阀固定螺母不会脱落，否则会因阀杆等部件发生过多磨损而影响调节阀的可靠性和可开启性；⑤阀杆，特别是螺纹部分，要经常擦拭，已经被尘土污染的润滑脂要及时更换，因为尘土中含有硬杂物，容易磨损螺纹和阀杆表面，影响调节阀的使用寿命。

6 结束语

池式反应器液位调节阀作为斯塔米卡邦2000+TM工艺尿素装置中的重要调节阀之一，其重要性不言而喻，但其在生产过程中难免会发生各种故障，因此，生产操作中及时准确地判断出池式反应器液位调节阀故障原因并采取相应的处理措施及维护保养良好非常重要，以最大程度地降低事故发生的可能性，确保尿素装置的安全、稳定、长周期运行。