低温环境下提高变压吸附液压程控阀的运行可靠度

马晓伟 杜胜利 贾亮 杨继广（中石油克拉玛依石化有限责任公司）

变压吸附（PSA)，是吸附分离技术中的一项用于分离气体混合物的新技术[1]。程控阀是变压吸附装置的关键设备，在正常运行过程中，每一个吸附塔都必须经过各个不同的步序，在既定的程序中完成气体混合物的分离，而这些步序就是通过程控阀每年几万到几十万次频繁开关、切换来实现。但是在实际运行过程中，尤其是在环境温度低于-20℃时，程控阀频繁出现开关不到位，发出延迟报警现象，严重时出现阀卡情况，返炉驰放气大幅波动，导致转化炉负压联锁启动，发生较大生产波动，影响经济效益[2-3]。通过对相关单位及程控阀生产厂家调研，冬季气温低时北方炼厂普遍存在程控阀出现开关延迟频繁报警现象，一直都困扰着操作与技术人员。通过创新的方法、技术，尽可能消除程控阀故障报警及因程控阀故障导致的切塔次数，从根本上解决低温环境下变压吸附液压程控阀运行可靠性不佳的问题。

1 流程简述

某石化公司12 000 Nm3/h制氢装置，PSA单元的任务是对制氢装置所生产的中变气进行净化提纯，所产的工业氢气作为产品送出装置。其解吸气经过稳定压力和组成后连续供作转化炉的燃料。

来自造气单元的原料气压力2.2 MPa、温度40℃，进入界区后，自塔底进入吸附塔A～H中正处于吸附工况的塔（始终同时有两台），在其中多种吸附剂的依次选择吸附下，一次性除去氢以外的几乎所有杂质，获得纯度大于99.9%的产品氢气，经压力调节系统稳压后送出界区。当吸附剂吸附饱和后，通过程控阀门切换至其它塔吸附，吸附饱和的塔则转入再生过程。在再生过程中，吸附塔首先经过连续4次均压降压过程尽量回收塔内死空间氢气，然后通过顺放步序将剩余的大部分氢气放入顺放气罐，再通过逆放和冲洗两个步序使被吸附杂质解吸出来。逆放解吸气进入解吸气缓冲罐，冲洗解吸气直接进入解吸气混合罐，混合稳压后送往造气工段，用作燃气。变压吸附装置流程见图1。

图1 变压吸附装置流程Fig.1 Flow of pressure swing adsorption device

2 工作原理

液动程控蝶阀的控制系统由液压油源，电磁阀液压执行器，电气控制系统、位置传感器等控制组件构成[4]。输入的开阀、关阀等阀门动作信号通过电气控制转换元件转换成电磁阀的驱动信号，用电磁阀的通断来控制液压执行器的输出，从而达到控制蝶阀动作的目的，并通过位置传感器所检测到的信号来判断阀门是否动作到位[5]。液压程控阀的工作原理见图2。

图2 液压程控阀的工作原理Fig.2 Working principle of hydraulic program-controlled valve

3 存在问题及分析

3.1 存在问题

液压程控阀是变压吸附装置中关键设备，它稳定运行，才能确保工艺流程的顺利进行及产品连续稳定输出[6-8]。但是在实际运行过程中，尤其是在环境温度低于-20℃时，就会频繁出现程控阀在开关动作时不畅，发出延迟报警的现象，给装置安全运行带来以下影响：

1）装置报警次数大幅增加。低温天气条件下，日均产生程控阀开关延迟报警上百次，操作人员需要投入大量时间进行处理，不但增加现场人员工作量，更可能造成监盘人员对其它报警参数的疏漏，为装置运行埋下隐患。

2）程控阀频繁出现开关不到位易造成阀门卡死情况。使返炉驰放气压力大幅波动，导致转化炉负压联锁启动，造成较大的生产波动。另外，程控阀故障极易影响装置产品质量，威胁下游用氢单位的正常生产。

3）程控阀出现故障后如需彻底检查、维修，必须进行切塔操作，造成装置收率降低，不仅投入维修费用高，影响经济效益，还可能造成装置严重的操作波动。

3.2 问题分析

因果链分析见图3，确定了低温环境下，液压程控阀开关延迟的关键问题，造成程控阀频繁出现开关不到位的主要原因。

图3 因果链分析Fig.3 Causal chain analysis

1）驱动程控阀所需液压油流程长，分支多，液压油在低温环境下运行，加速热量散失，导致油品流动性变差，液压力大幅降低，无法完成程控阀正常开关所需的驱动力，造成程控阀在开关动作时不畅。

2）液压油系统在低温下运行保障性不佳，使得液压油在流程末端无法达到正常操作温度，油质变黏稠，造成开关程控阀动作时不畅，发出延迟报警。为排除故障，消除报警，进行切塔操作，引起操作波动。

3）阀速调节不精准，由于PSA液压油系统在低温情况下导致油品流动性变差，造成程控阀开关动作延迟，通过调整程控阀阀速，一定程度上减少了程控阀开关延迟报警，由于阀速调整工具不匹配，导致阀速调节困难，仍然不能完全消除报警，影响系统的稳定运行。

4 技术改造方案

4.1 液压油与采暖水换热流程改造

通过自主设计，对液压油换热器流程进行改造，利用泵房现有的采暖水流程为液压油换热器增加热介质，实现一台换热器的两种用途，冬季运行期间将换热器循环水切换至采暖水，对液压油进行升温，投入小，效果好。液压油换热器流程改造见图4。

图4 液压油换热器流程改造Fig.4 Process transformation of hydraulic oil heat exchanger

4.2 研发阀速调节精准工具

根据现场调节阀速出现的困难，研制了油路开关调节及阀速调节专用工具，与阀速调节操作指南配合使用，达到了程控阀开关速度精准调节的目的，此工具使用方法简单，提高了工作效率，降低了劳动强度。阀速调节精准工具见图5。

图5 阀速调节精准工具Fig.5 Precise tool for valve speed adjustment

4.3 液压油升级

根据液压油的分类及技术要求，对比结合液压设备工作环境和工况来看，应该选择L-HV或L-HS系列的液压油。L-HV和L-HS均为黏度指数大于130的低倾点抗磨液压油。但HV油主要以矿物油作为基础油，HS以低温性能更优良的合成烃作基础油。决定将PSA液压油更换为L-HS22。低温液压油技术参数见表1。

表1 低温液压油技术参数Tab.1 Technical parameters of low temperature hydraulic oil

4.4 变压吸附系统程序升级

为优化变压吸附操作，消除PSA由于程序原因导致装置停工的隐患，提高产品质量，将PSA各塔步序进行修改，由8-2-4升级为8-2-3。此次程序升级改善了PSA切塔时操作波动，相较原来的程序在塔切入、切出操作时更为平缓，对操作影响减小，适当延长了各程控阀开、关的动作时间，并增加了修改报警值的快捷方式，在一定程度上减少程控阀开关动作时的报警[9]。

4.5 液压油远端流程增加热水伴热

针对液压油系统低温下运行保障性不佳问题，导致液压油在流程末端温度损失严重，无法达到正常操作温度，油质变黏稠，液压力大幅降低，造成程控阀在开关动作时不畅[10]。有选择性的在液压油流程末端增加热水伴热，实施后有效提高了回油温度，维护方便。

5 效果评价

5.1 实用性

1）液压油回油温度得到提高。液压油回油温度变化情况对比见图6。液压油回油温度是反映流程末端液压油运行情况的重要指标，从图6可以明显看出，方案实施后液压油回油温度较之前有近10℃的提升。

图6 液压油回油温度对比Fig.6 Comparison of return oil temperature of hydraulic oil

2）程控阀报警次数大大减少。程控阀日均报警对比见图7。报警次数增多使操作人员投入大量时间精力进行处理，易造成监盘人员对其余报警参数的疏漏，为装置运行埋下隐患。攻关前后分别对低温环境下程控阀故障报警次数进行采集，可以看出方案实施后报警数量较往年降低约90%，达到预期效果。

图7 程控阀日均报警对比Fig.7 Comparison of daily average alarm of program-controlled valve

3）程控阀精准调节，提高效率。以往每次调节阀速前后需花费时间近1 h，员工劳动强度大，效率低，使用油路开关调节及阀速调节专用工具，每次调节仅需15 min左右即可达到效果，此工具使用方法简单方便，实现了对程控阀开关速度精准调节，极大的提高了工作效率。

5.2 创新性

1）实现了一台换热器的两种用途，依据温度情况灵活使用，冬季运行期间将换热器循环水切换至采暖水，对液压油进行升温，投入小，效果好。

2）首次将L-HS22液压油应用到程控阀上，并且获得了成功。

3）由选择性的对液压油远端流程增加热水伴热，并没有增加系统的复杂性，实施后有效提高了液压油回油温度。

6 结论

1）以2020年发生过至少2起PSA程控阀故障造成装置紧急停工事件为依据，如果PSA程控阀故障不采取改造措施及时消除，效益核算按照此故障频率分析，该装置紧急停工后再开工直至产品合格的周期为半天左右，一年内PSA程控阀故障导致装置紧急停工的次数明显减少[11-12]。

2）采用专用调节工具，阀速调节由原来的多次反复调节，实现了阀速的精准调节，一次调节时间由原来的1 h降到15 min左右，提高了工作效率，降低了劳动强度。

3）冬季程控阀延迟开关报警日均由原来的上百次降为几次，没有出现过程控阀卡死现象，驰放气进转化炉燃烧稳定，消除了装置隐患，保证了装置的长周期稳定运行。