合成氨裝置余熱鍋爐調節閥選型及應用

馬金偉，陳滿，張富，張向南，楊春天，高杰

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合成氨裝置余熱鍋爐調節閥選型及應用

馬金偉1，2，陳滿1，2，張富1，2，張向南1，2，楊春天1，2，高杰1，2

（1. 甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司，甘肅 蘭州 730070； 2. 上海藍濱石化設備有限責任公司，上海 201518）

目前，合成氨裝置轉化爐余熱鍋爐旁路調節閥多采用柱塞式調節閥，僅對旁路出口高溫工藝氣進行調節，存在調節精度差，可調范圍小、易失效等問題。針對上述問題提出一種可對高低溫工藝氣同時進行調節的多通道調節閥，本文對該調節閥從工藝選型、材料選擇及執行器選型方面進行敘述，并將其應用于實際生產中。實際應用表明，該調節閥能夠滿足余熱鍋爐對工藝氣的調節需求，保證了裝置長周期安全穩定運行。

余熱鍋爐；合成氨裝置；調節閥；執行器

余熱鍋爐系指那些利用工業過程中的余熱以產生蒸汽的鍋爐，其主要設備為鍋爐本體和氣包，輔助設備有給水預熱器和過熱器等[1]。余熱鍋爐工藝氣體的進出口溫度是余熱鍋爐控制系統的主要參數。流經余熱鍋爐的工藝氣體，其進出口溫度有嚴格的要求，特別是出口溫度超高或超低，不僅對工藝生產有影響，同時對設備管道都是不允許的。出口溫度超高，會使設備、管道及密封材料的強度下降，在壓力作用下可能發生事故。出口溫度偏低，不僅影響后面的工藝生產，同時如果氣體中含有腐蝕性成分，氣溫低于露點，則對材料有腐蝕作用[2]。

合成氨裝置其一段、二段轉化爐后均設有余熱鍋爐，且甲烷化器后端也設置有余熱鍋爐，此類余熱鍋爐具有以下特點：煙氣側具有中壓、高溫的特點，而蒸汽側為高壓、中溫的特點[3]。因此，該工位余熱鍋爐通常選用管殼式余熱鍋爐，管程內為高溫反應氣，殼程為低溫水汽，用于實現高溫反應氣與其冷卻介質進行間接換熱，使得水在設備內沸騰氣化，回收高溫介質中的熱能。但是，為保證后續反應的順利進行，要求流出余熱鍋爐的反應氣溫度保持穩定，不能因裝置負荷的變化而變化[4]。

目前工藝裝置中采用設置設備外部或內部可調節旁路的方法實現高溫氣體的流量調整，保證余熱鍋爐工藝氣體出口溫度的穩定。

采用設備外部旁路管線的方法，管線流通面積較大，使得高溫氣體流量的調節幅度及精度均能得到有效保證。但旁路管線的規格大，溫度高，其整體布置時熱膨脹補償問題難以解決，且處于高溫氣體環境的大規格調節裝置的設計、制造難度大，其運行可靠性也不易保證[5]。

目前較常用的是設備內部設置旁路管線的方法，換熱器管束設置軸向中心旁路管，旁路管末端安裝調節閥，閥桿及傳動機構軸向設置，高溫氣體的流量通過閥門開度控制，裝置結構緊湊。

通常在中心旁路管出口設置1臺柱塞式調節閥，通過調節高溫氣體的流量來實現整個工藝氣出口的溫度。但由于該類型調節閥僅對熱工藝氣進行單一調節，調節精度差，調節閥范圍小，一般當工藝氣流量低于70%設計負荷時，調節性能大幅度下降，對整體工藝氣出口溫度很難實現精確控制。同時，調節閥桿溫度受混合氣體控制，其軸向膨脹量與換熱器外壁差異較大，調節閥桿對傳動結構產生附加的溫差應力，相鄰連接結構的設計難度大；閥桿長度與出口管箱長度相當，軸向跨度長，其安裝、調試難度大，運行可靠性不易保證[6]。

針對上述問題，考慮設備結構緊湊度及經濟性的要求，選用內部設置旁路管線的方法，在未經換熱的高溫工藝氣出口（中心管旁路）及經過換熱管換熱后的低溫工藝氣出口處均設置蝶閥，對高低溫工藝氣進行控制，可實現對混合后工藝氣溫度的精確調節，滿足裝置各工況下的要求[7]。

本文以實際工程案例為例，從調節閥尺寸選型、閥體及閥芯選材、執行機構的選型等方面對該調節閥進行詳細闡述。

1 工況條件確定

調節閥應用工況條件主要包括流體壓力1、溫度1、閥前后壓差△、流量、允許噪音等。

以某項目甲烷化裝置余熱鍋爐設計參數為例進行說明。

表1 基礎設計參數

2 調節閥結構設計

該廢熱鍋爐采用內部中心旁路調節裝置，裝置結構緊湊；旁路及換熱管通道出口同時設置閥門，且閥門開度相互排斥，閥門動作時可同時調整換熱管及旁路管線的局部阻力系數和流通面積，提高了管程氣體出口溫度的調節幅度和調節精度；閥桿垂直懸掛于管箱內部，閥桿底端可自由膨脹，閥桿頂端與傳動結構的連接僅考慮傳遞扭矩的要求，無需考慮附加溫差應力的影響；閥桿及傳動機構位于混合氣體出口腔體，其溫度受溫度較低的混合氣體控制，閥門的設計難度小，運行環境的苛刻度小，可靠性好。

該調節結構如圖1-3所示。

圖1 調節閥結構圖1

圖2 調節閥結構圖2

圖3 調節閥結構圖3

1—擋 板；2—換熱管閥板；3—中心旁路管閥板；4—傳動桿；5—換熱管；6—中心旁路管；7—筒體；8—換熱管出口端備用通道；9—傳動機構

該調節裝置主要部件包括擋板、換熱管閥板、中心旁路管閥板、傳動桿和傳動機構。擋板與筒體連接形成換熱管出口腔體，與旁路管形成旁路出口腔體，且相互獨立；擋板另一側與筒體形成混合氣體出口腔體；換熱管閥板與擋板配合形成換熱管通道出口，中心旁路管閥板與擋板配合形成旁路管通道出口；換熱管閥板、中心旁路管閥板由傳動桿聯動，且開度相互排斥；根據操作條件的需要，擋板可增設換熱管出口端備用通道。

該閥門應用優勢：當中心旁路管閥板完全關閉時，換熱管閥板完全開啟，氣體完全通過換熱管參與換熱，出口氣體溫度最低；當需調整氣體出口溫度時，控制傳動裝置，使與其相連閥板開啟并調整至一定開度，同時，與換熱管閥板聯動且排斥的中心旁路管閥板開度同比例減少，通過上述措施，換熱管出口端介質流動的局部阻力系數增加，流通面積減少，旁路管內介質流動的局部阻力系數減小，流通面積擴大，換熱管內氣體流量減少，旁路管內氣體流量增加，出口氣體溫度相應提高；當換熱管閥板完全關閉時，中心旁路管閥板完全開啟，氣體完全通過旁路管，出口氣體溫度最高。

3 調節閥結構參數選擇

余熱鍋爐出口煙氣調節閥主要原理是通過改變未換熱煙氣的流量改變出口煙氣溫度，同時采用互斥閥板式調節閥，閥門開度的大小不僅影響熱煙氣的流量，同時影響換熱后煙氣的流量。因此，中心旁路閥板大小及換熱管閥板大小將直接影響調節閥的調節能力。

針對該特殊結構調節閥選型計算，主要是計算中心旁路尺寸大小及換熱管出口閥板尺寸。

3.1 中心管旁路尺寸選擇

余熱鍋爐中心管旁路管線大小是根據余熱鍋爐出口煙氣溫度的設定值計算得出，通過計算各工況下旁路煙氣流量與通過換熱管煙氣流量的比例關系。采用模擬數值分析的方法，設定中心旁路管線尺寸，對不同工況下煙氣流量及溫度變化進行模擬分析計算，保證煙氣出口溫度恒定，通過不斷優化計算，得到合理的中心管旁路尺寸[8]。

3.2 換熱管閥板尺寸選擇

煙氣經過換熱管后溫度降低，其降低值由換熱管的換熱面積決定，該部分煙氣溫度的高低與工況有關，隨進口煙氣的溫度和流量大小變化而變化。 為保證煙氣出口溫度恒定，需在換熱管出口設置調節閥板，進一步對經過換熱管的煙氣量進行控制，提高旁路調節的精度和響應速度。

換熱管旁路閥設置兩塊閥板，兩塊閥板同時動作，步調一致，與中心管閥板形成90°互斥。該閥板尺寸大小選擇需考慮通過換熱管的煙氣量的大小，煙氣側壓降的允許值及中心管的大小等參數。

4 閥體材質選擇

由于該調節閥的閥板、閥桿等整體均處于煙氣中，且由于經過中心旁路的煙氣溫度幾乎未進行換熱，溫度很高，為保證整個調節閥的穩定運行，不僅需要考慮調節閥材質的耐高溫性能，同時還需考慮材料的熱膨脹系數。

5 調節閥執行機構選型

余熱鍋爐中心調節閥主要用于調節余熱鍋爐出口煙氣溫度，一般選用自動控制調節，需配置對應的執行機構。常用調節閥執行機構有電動執行器、氣動執行器及液壓執行器，具體采用何種類型執行器與設備所處現場條件及項目整體規劃有關[9]。對于執行器的選型一般考慮以下幾個方面：

1）執行器的行程：該調節閥屬于角行程調節閥，調節范圍為：0~90°；

2）執行器扭矩：扭矩的選擇不僅需要考慮驅動調節閥轉動所需的扭矩，還需考慮調節閥填料密封在高溫環境下對調節閥桿的摩擦力矩。

3）其他因素：選用氣動執行器時，通常選用氣動活塞式執行結構，且其作用方式為氣開式[10]。

6 選型結果

通過對以上各個參數的分析，通過選型計算，該項目調節閥相關選型參數如表2所示：

表2 基礎設計參數

目前，該項目余熱鍋爐已經投產，根據現場運行情況，該余熱鍋爐出口煙氣溫度滿足設計要求，該調節閥運行狀況良好，未出現調節失靈、卡塞等現象，滿足裝置長周期運行的要求。

7 結語

本文針對當前廣泛應用的柱塞式調節閥存在單一熱側工藝氣調節精度差，性能不穩定等缺陷，提出一種新結構的調節閥，并對該調節閥從規格、材質及執行器等方面進行分析，為該工位調節閥選型及實際應用提供了參考依據。通過分析應用表明，該調節閥能夠同時對冷熱工藝氣進行調節，具有調節精度高，性能穩定的特點，且結構簡單，易于生產制造，為該類型調節閥在工業中推廣應用奠定了基礎。

［1］古大田, 方子風. 廢熱鍋爐[M]. 北京: 化學工業出版社, 2002．

［2］王金. 轉化器廢熱鍋爐調節閥設計及應用[J]. 閥門, 2010, 3: 7-8.

［3］李國志. 制氫轉化爐余熱鍋爐節能技術改造[J]. 煉油技術與工程, 2013, 1 (43): 55-57

［4］方子風. 廢熱鍋爐的設計[M]. 上海: 上海科學技術出版社, 1987.

［5］王士國. 余熱鍋爐的熱力回收計算分析[J]. 裝備制造技術, 2010 (8): 61-64.

［6］程孝福. 廢熱鍋爐的結構設計[J]. 壓力容器, 2009, 26 (6): 13-18.

［7］陳慰盛. 高溫煙氣調節閥: 中國, 20120069852.2[P]. 2012-02-28.

［8］李衛華, 崔利. 基于Matlab/Simulink 動態建模的600MW機組給水全程控制系統優化[J]. 熱力發電, 2009, 38 (12): 82-87.

［9］王曉梅.淺談調節閥的選型[J].中小企業管理與科技, 2008, 21: 178-179.

［10］劉晨暉, 尹肇邦. 氣動調節閥的特性及選擇（下）[J]. 化工自動化及儀表, 2013 (5): 328-332.

Type Selection and Application of Control Valves for Waste Heat Boiler in Ammonia Plant

1,2,1,2,1,2,1,2,1,2,1,2

（1. Lanpec Technologies Limited, Gansu Lanzhou 730070, China；2. Shanghai Lanbin Petrochemical Equipment Co.,Ltd., Shanghai 201518, China）

At present, there are several problems about the plunger valve of ammonia plant waste heat boiler, such as only adjusting the high temperature gas, low regulating precision, and narrow adjustment range, and so on. According to above problems, a new control valve, which can adjust hot and cool gas simultaneously, has been used. In this paper, the control valve was introduced from the aspects of process selection,material selection and actuator selection, and its actual application was discussed. The practical application shows that the control valve can satisfy the process requirement of waste heat boiler, the safe and stable operation of the plant is ensured by using this valve.

waste heat boiler; ammonia plant; control valve; actuator

馬金偉（1987-），男，工程師，碩士，甘肅省白銀市人，2012年畢業于遼寧石油化工大學控制理論與控制工程專業，研究方向：石油化工自控儀表設計。

2017-04-21

TQ 052

A

1004-0935（2017）11-1097-04