透平旁路閥的應用

葉勝利

(東華工程科技股份有限公司，合肥 230024)

高壓蒸汽是化工裝置中的重要驅動源。在某些場合的驅動源選擇中，如大型離心壓縮機組的驅動，更傾向于采用蒸汽透平，以達到節能降耗的目的。驅動大型離心機組需要高熱焓的蒸汽，蒸汽的熱焓高，即意味著蒸汽的溫壓高，蒸汽管網的危險系數也隨之提高。因此，在化工裝置中，各級蒸汽管網的動態平衡以及無擾動轉換至關重要。

1 應用場合

以天然氣為原料的某甲醇裝置中，合成氣壓縮機透平蒸汽來源于高壓蒸汽管網，管網系統如圖1所示。

圖1 蒸汽管網系統示意

圖1中，PIC為減壓控制回路，PV閥為透平旁路閥，在管網正常運行中，透平旁路閥的執行機構A定量跟蹤FIC-006的給定流量，即透平的實時蒸汽消耗量與經過透平旁路閥蒸汽流量之和。PIC-003通過控制執行機構B實現高壓管網壓力的微調。當透平跳車時能在0.5 s內快速打開透平旁路閥，將透平消耗的蒸汽等量切換至旁路閥，此時的蒸汽量為原旁路流量與透平跳閘時透平流量之和，透平旁路閥也沒有完全打開，實現透平跳車時高壓蒸汽快速、無擾動地從透平切換至旁路系統，確保高、中壓蒸汽管網壓力穩定、無擾動。

如果不能實現上述控制功能，在透平跳車時，旁路閥將會在瞬間全部打開，使高壓蒸汽快速排放至中壓蒸汽管網，導致鍋爐汽包水位急劇下降甚至“干鍋”而發生事故，同時高壓蒸汽的快速排放會導致中壓蒸汽管網的壓力迅速升高，極易造成中壓蒸汽管網超壓事故。可見，旁路閥運行正常與否直接影響到整套裝置的安全生產。

該裝置工藝條件苛刻，Tmax=525℃，pmax=11.5 MPa，透平旁路閥前后壓差大；控制回路復雜，有溫度控制、壓力控制、減壓閥的閥位跟蹤及聯鎖控制等；精度要求高、速度快。因此，需設置一套安全、可靠的控制設備來滿足該裝置工藝控制的復雜要求，以確保裝置正常運行。

2 閥門結構形式

閥門采用角形結構形式，閥體呈流線型弧形，整體鍛造，適應旁路高低溫冷熱交替運行要求；閥體選用了高強度，耐高溫、高壓的合金鋼；閥體、閥座均使用斯鈦萊合金材料，做硬化處理，耐磨、耐沖刷。采用雙頭氣動執行機構，調節精度高，動作速度快。

高壓蒸汽通過4級減壓襯套，平穩降壓，噪聲低，減輕高壓降產生的沖擊及噪聲，在3%～100%任何調節開度下，在閥體1 m以外，噪聲可保證低于85 dB。

3 使用過程

3.1 開車工況

透平啟動前，主氣門及透平調節門均處于關閉狀態，鍋爐正常運行后，操作人員將依據高壓蒸汽管網的升壓曲線，通過管網壓力控制器手動慢啟透平旁路閥。當高壓蒸汽達到透平啟動的工況參數條件時，開啟透平主氣門，并通過透平調節門依據透平升速曲線逐步開啟透平調節門，同時，通過執行機構B手動緩慢關小透平旁路閥(此時已有蒸汽通過透平，執行機構A的定位器所收到的控制信號是透平進口流量與通過透平旁路閥流量之和所對應的閥位信號，實現流量的跟蹤與定位；執行機構B的定位器則接收到高壓蒸汽管網壓力控制信號，對透平旁路閥進行調節)。透平正常運行后將壓力控制器切換至自動控制狀態。

3.2 正常工況

執行機構A始終跟蹤透平進口瞬時流量及此時透平旁路閥閥位的變化，以透平進口瞬時流量信號與透平旁路閥流量之和所對應的閥位信號不斷修正其限位位置。執行機構B接收來自DCS的高壓蒸汽管網壓力控制信號，實時控制閥門開度，使高壓管網蒸汽壓力穩定。

3.3 減負荷工況

透平減負荷時，高壓蒸汽管網壓力將會隨之升高，執行機構B將依據控制信號開大透平旁路閥開度，使剩余高壓蒸汽通過透平旁路閥減壓至中壓蒸汽管網。此時，中壓蒸汽管網的溫度也會隨之升高，減溫閥將依據中壓蒸汽溫度控制信號開大減溫閥，增大噴水量，使中壓蒸汽溫度穩定在340℃。

3.4 事故工況

透平故障時，執行機構B接收到故障聯鎖信號，迅速打開電磁閥，放出氣缸內儀表空氣，壓縮彈簧將在0.5 s內完全釋放并帶動閥桿(閥芯)至執行機構A的閥位定位處，使高壓蒸汽全部通過透平旁路閥減壓至中壓蒸汽管網，完成無擾動切換后，由于通過透平的蒸汽量為0，執行機構A將直接接收高壓蒸汽流量控制信號，對高壓蒸汽進行自動控制。而執行機構B由于氣缸已放空將不再起控制作用。

如圖2所示，執行機構A的限位是通過耦合彈簧的儲能實現的，當執行機構B接受到透平跳車信號后，在氣源卸放和耦合彈簧儲存能量共同作用下，使整個閥桿向右移動至執行機構A限定的位置，從而實現了閥門快開至時刻跟蹤的位置。

圖2 閥門工作原理示意

3.5 重新開工工況

執行機構B接收到透平復位信號后，自動關閉氣缸的排氣電磁閥，進入透平啟動前的工作狀態，然后重復“開車工況”動作過程。

4 存在的問題及解決方法

1) 在裝置開車初期，轉化爐已運行，但產出的工藝氣還不能直接進入合成塔，即此時合成氣壓縮機并未運行，轉化廢鍋產生的蒸汽全部進入高壓蒸汽管網，雖然此時蒸汽流量并不大，但經過長時間流量的累積，高壓蒸汽管網仍可能達到很高的壓力，特別是在管網升壓的末期，壓力升高較快，當發現PIC-003控制器輸出逐漸加大，但高壓蒸汽管網壓力并未下降的時候，此時需要將FIC-006控制回路置手動，手動輸入較大的SP值，方可將執行機構A的限位位置后移，避免高壓蒸汽管網超壓。

2) 當透平跳車信號觸發后，減壓閥的給定開度將由PIC控制器的輸出切換至加法器輸出的運算開度。此時加法器的信號源采用的是FIC的流量追蹤信號和PIC的控制器輸出信號。因信號線路衰減等因素，此時減壓閥的實際閥位與PIC的輸出值會有微小偏差。當跳車信號觸發后，如果給定的開度信號仍是FIC的流量追蹤信號與PIC控制器輸出信號之和，將會破壞掉原PIC控制回路的動態平衡。因此，建議將PIC控制器輸出信號改為PV閥位回訊信號，以更好地實現管網無擾動切換的要求。閥門的控制原理如圖3所示。

圖3 閥門控制原理示意

5 與其他方案比較

以上方案的核心是通過閥門雙頭氣動執行機構間的耦合彈簧兩側執行力的計算，從閥門硬件上實現了對蒸汽透平消耗汽量的動態跟蹤，從而保證了在透平事故工況下，高壓蒸汽定量無擾動切換的實現。

目前在類似工況下，也有采用DCS對透平消耗蒸汽量對應的閥位進行動態跟蹤，當發生透平跳車后，觸發一RDO信號將旁路閥的壓力控制回路強制至手動狀態，并要求閥門在1 s之內開至DCS跟蹤的閥位開度，維持5 s左右，壓力控制回路手動控制切換至自動控制。該方案的核心是氣路附件中的放大器與特殊閥門定位器的搭配，要求在開車前調試過程中認真記錄閥門從全關至全開的時間，反復驗證。在開車實際運行中，也應根據閥門的閥位開度反饋時間趨勢曲線進行閥門快開性能驗證。

6 結束語

綜上所述，透平旁路閥在該裝置的蒸汽動力平衡中起著極其重要的作用，是整個蒸汽管網的調節核心，該閥運行的好壞直接影響到蒸汽管網的穩定，進一步影響到裝置的正常運行。

參考文獻：

[1] 陸德民，張振基，黃步余.石油化工自動控制設計手冊[M].3版.北京： 化學工業出版社，2000.

[2] 胡壽松.自動控制原理[M].4版.北京： 科學出版社，2001.

[3] 蔣慰孫，俞金壽.過程控制工程[M].2版.北京： 中國石化出版社，2004.

[4] 黃步余，李麗華.SH 3005—1999 石油化工自動化儀表選型設計規范[S].北京： 中國石化出版社，1999.

[5] 全國化工自控設計技術中心站.HG/T 20507—2000 自動化儀表選型設計規定[S].北京： 全國化工工程建設標準編輯中心，2001.

[6] 全國化工自控設計技術中心站.HG/T 20505—2000 過程測量和控制儀表的功能標志及圖形符號[S].北京： 全國化工工程建設標準編輯中心，2001.

[7] 惲春，葉向東.SH/T 3092—1999 石油化工分散控制系統設計規范[S].北京： 中國石化出版社，1999.

[8] 武勝林.蒸汽減壓站自控系統的巧設計[J].石油化工自動化，2002，38(01)： 2-6.

[9] 張有貴，王瓏.蒸汽減壓方式的分析與優化[J].上海節能，2001(05)： 34-35.

[10] 戚元勛.煤代油改造合成氣壓縮機驅動方式選擇[J].大氮肥，2001，24(06)： 408-411.

[11] 景濤，程超，蔣建農，等.布朗合成氨工藝的蒸汽平衡[J].大氮肥，2001，31(02)： 113-116.

[12] 裴丹，朗強.1000 MW超超臨界機組旁路系統探討[J].東北電力技術，2007，(12)： 26-28.