焦爐煤氣制氫工藝中程控閥內(nèi)漏故障的分析

李山虎，舒 暢，張 函，楊子壯，趙 冬

（鞍鋼股份能源管控中心，遼寧鞍山 114000）

引言

程控閥是計算機程序遠程控制，通過氣動、液動等方式驅(qū)動的切斷閥。氣動程控閥以運行維護成本低、無可視污染、無環(huán)保風險而被廣泛應用。氣動程控截止閥是一種由氣動驅(qū)動、法蘭連接的二位切斷閥，密封性能優(yōu)良、啟閉快、壽命長、反饋靈活可靠，適合用作自動化程序控制[1]，在鞍鋼制氫得到普遍應用。氣動程控截止閥的密封性、判漏和處理也得到了深入關注。

1 程控閥內(nèi)漏造成的影響

1.1 質(zhì)量影響

焦爐煤氣制氫核心工藝為TSA（變溫吸附工藝）、PSA（變壓吸附工藝）。TSA 包括100#工序（煤氣壓縮及除萘）、200#工序（煤氣預處理）、400#工序（氫氣精制），均包含加熱、冷卻步序；PSA 即300#工序（變壓吸附工序）。上述步序功能均依靠程控閥的啟閉實現(xiàn)。焦爐煤氣制氫工藝見圖1。

對于TSA變溫吸附：加熱、冷卻是吸附塔實現(xiàn)再生功能，保證吸附過程高效、穩(wěn)定、連續(xù)的基礎。而程控閥內(nèi)漏是造成再生塔再生時間過長、加熱溫度低、冷卻溫度高的重要原因。再生塔再生不徹底一方面直接造成吸附劑未有效脫附、吸附容量大大降低，嚴重影響吸附效果；另一方面被迫延長再生時間，導致在線吸附塔吸附時間過長和超負荷運行，原料氣雜質(zhì)穿透吸附床層乃至吸附劑中毒，降低吸附容量和使用壽命；還可能影響下段工序，如在400#工序威脅產(chǎn)品氫氣露點等質(zhì)量指標。

圖1 焦爐煤氣制氫工藝簡圖

對于PSA 變壓吸附：程控閥內(nèi)漏可造成解吸氣壓力升高、吸附塔沖洗不徹底，直接影響產(chǎn)品氫氣純度。

1.2 產(chǎn)量影響

TSA：100#、200#工序程控閥內(nèi)漏會造成原料氣順解吸氣進入解吸氣管網(wǎng)，造成原料氣減少，影響氫氣產(chǎn)量。

PSA：300#工序是焦爐煤氣制氫工藝的核心、也是影響氫氣產(chǎn)量最關鍵一環(huán)。300#工序簡圖見圖2。程控閥內(nèi)漏會影響300#吸附壓力，影響氫氣產(chǎn)量，嚴重時會造成吸附塔不產(chǎn)氫，具體影響如下：

（1）非吸附狀態(tài)吸附塔出入口程控閥（1、2 閥）內(nèi)漏，會減少吸附塔處理量，影響吸附塔壓力，制約氫氣產(chǎn)量。

（2）吸附塔3 閥內(nèi)漏，會影響終升、一均步序吸附塔，導致來源氣或產(chǎn)品氫氣進入解吸氣，制約氫氣產(chǎn)量。

（3）吸附塔4 閥內(nèi)漏，會造成順放氣、沖洗氣進入解吸氣，制約氫氣產(chǎn)量。

（4）吸附塔5 閥內(nèi)漏，會造成二均、三均對應吸附塔高壓氣串入低壓解吸氣，制約氫氣產(chǎn)量。

（5）吸附塔6 閥內(nèi)漏，會造成各個步序高壓氣串入低壓氣，制約氫氣產(chǎn)量。

TSA、PSA 工序程控閥內(nèi)漏，都會直接影響來源氣量或產(chǎn)品氫氣量，導致吸附塔產(chǎn)氫量減少，甚至不產(chǎn)氫。

1.3 檢修成本影響

程控閥內(nèi)漏除增加閥門修復成本及檢修更換成本外，更換閥門還需配合停運壓縮機系統(tǒng)及制氫裝置，直接影響制氫系統(tǒng)連續(xù)運行；更換程控閥更換周期雖短，但涉及系統(tǒng)泄壓、置換處理煤氣、氫氣、堵盲板等問題，大大增加了檢修周期和檢修成本。

2 程控閥內(nèi)漏判斷方法

程控閥內(nèi)漏不僅增加了檢修成本，還對產(chǎn)品氫氣質(zhì)量及產(chǎn)量產(chǎn)生極大影響，因此如何及早發(fā)現(xiàn)程控閥內(nèi)漏、準確判斷故障程控閥，及時處理意義重大。

2.1 程控閥離線查漏

程控閥離線查漏即制氫系統(tǒng)停運，利用氮氣介質(zhì)（0.4-0.5 MPa）對程控閥密封性進行排查。離線判斷以其操作簡單，不威脅生產(chǎn)運行等優(yōu)點，在備用制氫系統(tǒng)或系統(tǒng)檢修等停運狀態(tài)下采用。離線查漏基本判斷原則（此原則逐步遞進，均以上一原則無故障為前提）：

（1）在各工序入口連接氮氣介質(zhì)，系統(tǒng)程控閥全關，打開氮氣，監(jiān)視吸附塔壓力變化，普查系統(tǒng)1閥有無內(nèi)漏。

（2）單塔充壓，系統(tǒng)程控閥全關，監(jiān)視吸附塔壓力變化，普查系統(tǒng)2閥有無內(nèi)漏。

（3）單塔充壓，打開單塔任一程控閥，全關其余吸附塔程控閥，監(jiān)視吸附塔壓力變化，判斷同一管路其余吸附塔程控閥有無內(nèi)漏（此方法輪替進行，逐塔試驗）。

（4）無法準確判斷單塔兩個內(nèi)漏閥時，應輔助現(xiàn)場聽聲判斷等非常規(guī)方法。

（5）結合現(xiàn)場經(jīng)驗，若吸附塔入口閥、再生氣出口閥受介質(zhì)影響，則表明內(nèi)漏可能性偏高。

2.2 程控閥在線查漏

100#、200#、400#因工藝簡單、程控閥數(shù)量少，故障判斷較為簡單，如吸附塔壓力波動大，結合實際經(jīng)驗多為入口閥內(nèi)漏，不多加敘述。以下重點分析再生氣出入口程控閥的內(nèi)漏判斷。

圖2 300#工序簡圖

再生氣出入口程控閥內(nèi)漏多根據(jù)再生溫度異常、再生時間過長判斷。根據(jù)再生工藝原理：故障程控閥對應吸附塔再生過程，再生溫度、再生時間均正常，進而判斷故障程控閥所對應吸附塔。故障吸附塔判斷內(nèi)漏閥門需生產(chǎn)配合調(diào)整，防止系統(tǒng)憋壓，再輔助程控閥離線查漏（生產(chǎn)氣介質(zhì)）方式原則即可準確判斷處理。

300#工序程控閥數(shù)量多、步序復雜，內(nèi)漏存在疊加效應，故而為程控閥在線查漏的重難點。

表1 變壓吸附工藝對應步序壓力參數(shù)及程控閥動作表

300#程控閥內(nèi)漏判斷原則（結合表1 各步序壓力及程控閥動作）：

（1）301程控閥（影響氫氣產(chǎn)量及純度）

①故障程控閥對應吸附塔的吸附步序不受影響。

②該塔對應一均、二均、三均各步序均壓后，壓力仍有明顯上升。

③該塔終升步序升壓快，對應終升調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)參與度降低。

④該塔非吸附步序，造成吸附塔產(chǎn)氫量降低。

⑤該塔沖洗步序造成沖洗壓力升高。

（2）302 程控閥（影響氫氣產(chǎn)量，不影響氫氣純度）

302程控閥內(nèi)漏判斷原則與301閥相同。

（3）303程控閥

①故障程控閥對應吸附塔的一均、終升步序不受影響。

②該塔吸附步序，會造成終升步序吸附塔終升過快，一均步序吸附塔均壓后，壓力仍有明顯上升。

③該塔二均、三均步序均壓后，壓力仍有明顯上升，而對應一均塔均壓后壓力仍有明顯下降，對應終升塔升壓變緩。

④該塔沖洗時，沖洗壓力偏高，對應終升塔升壓變緩。

（4）304程控閥

①故障程控閥對應吸附塔的順放、沖洗步序不受影響。

②該塔對應一均、二均、三均步序均壓后，壓力仍有明顯下降。

③該塔高壓步序過程解吸氣壓力明顯升高。

（5）305程控閥

①故障程控閥對應吸附塔的二均、三均步序不受影響。

②該塔吸附、終升、一均時，會導致其余二均、三均塔均壓后的壓力明顯上升。

③該塔三均時，均壓后壓力明顯上升，而對應一均塔均壓后壓力明顯下降。

④該塔沖洗步序時，對應二均、終升塔壓力會受影響。

（6）306程控閥

①故障程控閥對應吸附塔的逆放、沖洗步序不受影響。

②該塔吸附步序，期間產(chǎn)氫量降低。

③該塔終升步序，會造成終升升壓變緩，終升調(diào)節(jié)閥開度變大。

④該塔涉及一均、二均、三均步序均壓后，壓力仍有明顯下降。

程控閥內(nèi)漏可根據(jù)上述原則，結合吸附壓力曲線，推演判斷。對于部分程控閥內(nèi)漏具有疊加效應或吸附工藝不同增加判斷難度等特殊情況，應配合現(xiàn)場聽聲查漏，或切除疑似故障塔、在保證生產(chǎn)不間斷前提下進行判漏[2]。

3 氣動程控截止閥常見故障及處理

氣動程控截止閥常見的故障較多，常見有：

（1）因密封副有雜質(zhì)、密封環(huán)壓傷或損壞、平衡活塞密封組件損壞而造成閥門內(nèi)漏。通常需程控閥分解，清理雜物、修整更換密封環(huán)、更換密封組件解決故障。

（2）因支架密封組件損壞、支架導向套磨損、閥桿磨損而造成閥桿處外漏。修復或更換支架密封組件、支架導套、閥桿即可。

（3）因?qū)蛱酌芊饨M件或檢測密封組件損壞而造成氣缸外漏。僅需更換導向套密封組件或者更換檢測密封組件。

（4）因電磁閥故障、氣源故障、活塞卡澀、活塞密封組件損壞而造成氣缸無動作或動作緩慢。需修復或更換電磁閥，檢查氣路，修復或更換活塞及密封組件。

（5）因生產(chǎn)介質(zhì)攜帶雜質(zhì)、密封件磨損、限位失靈造成閥門開關不到位。需檢查清理雜物、更換密封件及限位即可解決。

（6）因閥檢故障、反饋回路故障、電池閥故障、驅(qū)動氣源故障造成閥位反饋故障。需計量專業(yè)配合，對閥位反饋功能點逐一檢查恢復。

盡管氣動程控截止閥性能好，但對氣體介質(zhì)清潔度要求較高，制氫裝置100#、200#工藝來源氣、再生氣出口介質(zhì)雜質(zhì)含量較高，采用氣動蝶閥可降低故障率。

程控閥門一定要注意維護保養(yǎng)，儲存過程要防潮、防塵，保證閥門的密封性能；安裝過程嚴格執(zhí)行安裝標準；使用前要嚴格吹掃，定期檢查閥門使用情況及密封情況；維護檢修嚴格執(zhí)行標準[3]

4 結語

（1）程控閥內(nèi)漏可造成多方面影響。如，可在TSA造成再生時間過長、再生不徹底、吸附劑超負荷運行；可在PSA影響產(chǎn)品氫氣純度和氫氣產(chǎn)量；增加檢修成本。

（2）程控閥內(nèi)漏判斷可分為離線和在線。前者利用氮氣對吸附塔沖壓，觀測程控閥密封性；后者需根據(jù)各步序壓力及程控閥動作 設 定，結合 實際壓力變化和產(chǎn)氫量綜合判斷。

（3）程控閥故障原因較多，多數(shù)情況下無需整體更換，通過清污、更換密封組件、調(diào)整閥位反饋，可解決多數(shù)問題。