高壓變壓吸附制氫裝置程控閥內漏的分析和判斷

馬金林，何曉方，任國君

(萬華化學〔寧波〕有限公司 浙江寧波 315812)

高壓變壓吸附制氫裝置程控閥內漏的分析和判斷

馬金林，何曉方，任國君

(萬華化學〔寧波〕有限公司 浙江寧波 315812)

介紹了高壓變壓吸附制氫裝置的工藝流程及特點。針對該裝置在運行過程中出現的程控閥門內漏問題進行原因分析，并給出了在線判斷確定內漏閥門的方法及在日常運行中預防閥門出現內漏的措施。

變壓吸附；程控閥門；內漏；分析判斷

變壓吸附(PSA)制氫是利用吸附劑在高壓下對雜質的吸附容量大、低壓下吸附容量小的原理，在高壓吸附雜質，在低壓解析雜質，以實現對氫氣提純的過程。

由于PSA制氫技術具有自動化程度高、一次性投資和運行費用低、產品質量好等優點，因此得到了廣泛應用，目前國內有200多套裝置在運行。雖然投運的PSA制氫裝置數量較多，但由于氫氣分子量小，容易泄漏，國內PSA制氫裝置普遍存在系統壓力過低、處理氣量過小等缺點。通過近年來PSA工藝的不斷優化完善，特別是隨著我國對煉油油品品質要求的提高和氫能源的廣泛應用，需要大量使用高壓氫氣，促使PSA制氫裝置向高壓、大型化方向發展。

1 裝置基本情況

萬華化學(寧波)有限公司(以下簡稱萬華寧波公司)的PSA制氫工藝采用14- 2- 8的運行模式，即有14座塔運行、2座塔同時吸附、8次均壓的運行方式。該裝置設計壓力5.3 MPa(絕壓)，是目前國內運行壓力最高的PSA制氫裝置，處理氣量為60 000 m3/h(標態)，要求產品H2的體積分數>99.99%、(CO+CO2)體積分數<3×10-6，H2收率>93%。該裝置于2010年10月一次開車成功，經過5年多的運行，整體運行比較穩定。

程控閥是變壓吸附裝置最為核心的部件之一，其可靠運行直接關系到裝置的安全穩定。由于國內高壓變壓吸附制氫裝置運行經驗少，且程控閥容易泄漏，導致裝置降負荷甚至停車的案例較多，造成了較大的經濟損失。而且由于程控閥內漏量增大后，出現高壓竄低壓的情況，給裝置運行帶來了嚴重的安全風險。現結合萬華寧波公司的實際情況，重點介紹在不停車的情況下，在線查找PSA制氫裝置內漏程控閥的方法及日常運行中預防程控閥內漏的措施。

2 程控閥內漏的判斷

包括公用閥門在內，萬華寧波公司的PSA制氫裝置共有145只程控閥。在運行過程中，程控閥每隔20 min左右就需開關1次，前后壓差最大為1.4 MPa。長時間的頻繁開關、氣體和吸附劑粉塵的沖刷，加上閥門開關壓差大，容易引起閥門密封件的損壞，造成閥門內漏。在這145只閥門中，任何1只閥門內漏量增大后，輕者需降負荷運行，重者需裝置停車處理。由于閥門較多，如何在運行過程中準確判斷是哪只或哪幾只閥門出現泄漏，是PSA制氫裝置運行維護的難點。

以萬華寧波公司為例，共有14座吸附塔，每座塔對應10只閥門。若是在正常情況下，原料氣組分、系統壓力沒有大幅變動，而出口產品氣中雜質氣體含量持續上升，很有可能就是有閥門出現了內漏，可通過以下步驟迅速鎖定內漏的閥門。

(1)通過DCS系統把所有塔的壓力變化趨勢組合在一起，形成一個比較有規律的曲線圖，從中找出曲線最亂的塔。然后把該塔的壓力趨勢和產品氣出口雜質氣體含量進行對應，若雜質氣體含量在該塔處于高壓時也上升，就基本可確認該塔有閥門出現了泄漏。

(2)單獨對該塔的壓力趨勢進行分析，找出具體的泄漏閥門。一般情況下，壓力趨勢在塔均壓完成之后都會形成一條水平的直線，如果有閥門泄漏的話，壓力趨勢或向上或向下。若壓力趨勢向上，是高壓閥門出現了泄漏；若壓力趨勢向下，則是低壓閥門出現了泄漏；若壓力趨勢有上有下，一定是中間的某只程控閥門出現了泄漏。

(3)為了進一步確認泄漏的閥門，可以把有“嫌疑”的塔切出，觀察其余塔的壓力變化趨勢。一般將有閥門泄漏的塔切出系統后，其余塔的壓力變化趨勢會好轉，出口的工藝氣中雜質氣體含量也會降低。切出的吸附塔中氣體通過現場泄壓閥全部泄放至火炬并觀察該塔最終壓力，按照壓力與閥門的對應表就能找到具體的泄漏閥門。

(4)若該塔不止1只閥門出現泄漏，該塔切出之后，系統壓力會上升至高壓閥門對應的壓力，但系統壓力波動會較大。此時需觀察在該塔切出前后系統運行塔的壓力變化，若是在均壓過程中切出后的壓力比切出高，則對應的閥門就有可能泄漏，需予以重點關注。

3 程控閥內漏原因及處理措施

3.1 程控閥內漏原因

高壓PSA制氫裝置的程控閥使用業績較少，相關經驗缺乏。萬華寧波公司使用的程控閥主要有氣鎖液壓程控球閥和金屬硬密封液壓三偏心蝶閥，球閥使用在管徑≤DN 100 mm的管道上，蝶閥使用在管徑>DN 100 mm的管道上。

實際運行情況表明，三偏心蝶閥的使用效果較好，裝置運行3年之后，整體更換了金屬密封圈。氣鎖液壓程控球閥在使用中出現的問題較多，該閥采用液壓驅動，閥體采用中分結構，閥球采用動態密封結構，用1.4 MPa的氮氣進行隔離，目的是減少球閥在開關過程中密封閥座與球體間的摩擦。但在運行過程中，球閥中的高壓氮氣壓力不易調節，調節過大則閥門開關比較困難，易出現“抱死”等情況；調節過小則閥門出現比較嚴重的內漏，影響裝置運行。

另外，以下幾種情況也可能會造成閥門密封面的損傷，從而引起閥門泄漏：①吸附劑質量差，粉化后的粉塵對閥門的密封圈產生嚴重磨損，易引起閥門內漏；②吸附劑裝填量不足，吸附劑頂部與出口絲網空隙較大，均壓過程吸附劑因壓力的頻繁升降而導致粉化加劇，從而引起閥門密封圈的磨損；③裝置建設階段管道吹掃不到位，管道內殘留的鐵銹、渣引起閥門密封面磨損，導致閥門內漏。

3.2 程控閥內漏處理措施

(1)應對吸附劑質量進行充分評估，除了考察吸附容量外，還需對吸附劑的機械強度等指標進行重點關注，務必選用質量較好的吸附劑。

(2)吸附劑必須嚴格按照設計要求裝填充足，運行2年后須停車檢查吸附劑沉降情況，及時補充吸附劑，以減輕吸附劑沉降引起的粉化加劇問題。

(3)在原始開車初期，需對管道逐根進行吹掃，達到吹掃打靶標準。

(4)在完成檢修任務后，需對氣鎖液壓程控球閥逐只檢查確認，調整密封氮氣用量，防止由于密封氮氣的問題而出現閥門內漏或開關滯后等現象。

Analysis and Judgement of Inner Leakage of Program- Controlled Valve in High Pressure Swing Adsorption Hydrogen Production Unit

MA Jinlin, HE Xiaofang, REN Guojun

(Wanhua Chemical 〔Ningbo〕 Co., Ltd., Ningbo 315812, China)

The process flow and characteristics of high pressure swing adsorption hydrogen production unit are introduced. In connection with inner leakage problem of program- controlled valve of the unit in operation, causes are analyzed, on line checking method of inner leakage of program- controlled valve of the unit and measures for preventing valve from inner leaking in daily operation are given.

pressure swing adsorption; program- controlled valve; inner leakage; analytical judgment

TQ51

B

1006- 7779(2017)01- 0042- 02

2016- 07- 13)

本文作者的聯系方式：xfhe@whchem.com