Shell氣化裝置泄壓閥氣路改造與控制優化

宋太浩

（河南省中原大化集團有限責任公司）

Shell煤氣化工藝是當前世界最先進的煤氣化技術之一，工藝流程復雜，它憑借先進的設計理念和多重安全的控制方案促進了煤化工行業的快速發展［1］。 Shell氣化裝置12單元為煤粉加壓輸送單元，主要是將11單元磨制干燥好的微米級煤粉，逐級加壓輸送至Shell氣化爐內進行氣化反應生成合成氣。 氣化爐爐膛壓力為3.8MPa，煤粉需要從常壓狀態煤粉倉V-1201送至煤粉鎖斗V-1204進行加壓。 其中V-1204為變壓罐，實現常壓接煤粉，再加壓至4.5MPa與給煤罐V-1205對接后將煤粉下至V-1205中，從而滿足給氣化爐供煤的需要，完成無擾輸送煤粉任務。

V-1204可靠的充泄壓是保證煤粉周期加壓輸送的關鍵，關系整個氣化裝置的穩定運行。 煤粉鎖斗V-1204泄壓球閥12XV-0122在全壓差時打開泄壓，氣缸力矩大，動作頻率高（下煤周期約1h）。V-1204泄壓分3個階段來完成：泄壓閥12XV-0122為全壓差（即4.5MPa）時打開；壓力泄放至2.2MPa時打開12XV-0118，關閉12XV-0122；壓力泄放至0.15MPa時打開12XV-0120、12XV-0121。最終實現V-1204泄壓至常壓并與V-1201進行對接。

1 鎖斗泄壓閥案例分析

1.1 鎖斗泄壓閥事故過程

首道泄壓閥12XV-0122為進口Flowserve氣動固定球閥，可實現全壓差打開。 該閥門氣缸扭力大，在生產過程中故障率高，常見故障有閥門卡澀、不動作及氣缸活塞脫開等。 在第1次出現氣缸活塞脫開后，由于裝置正在運行，時間緊，采取了焊接的方案， 將活塞和活塞備緊螺帽直接焊接。在線運行3天后，再次脫開。 第2次處理時，考慮到直接焊接導致焊接面脫開， 屬于應力強度不夠，對焊接方案進行了重新設計，在氣缸軸上用砂輪機打磨出一圈凹槽后進行焊接處理，使焊肉與軸形成一體，相當于一個限位焊接銷［2］。

1.2 活塞脫開的受力分析與設計缺陷

要分析氣缸活塞脫開的原因，需要了解氣缸的構造和受力情況。 氣缸為雙作用撥叉式氣缸，活塞由備緊螺帽固定，螺紋位于氣缸軸車加工變細端。 根據生產運行情況分析，閥門打開過程中，在前后壓差為4.5MPa時開閥，此時氣缸的受力最大。 氣源從氣缸右側進氣，推動活塞運動帶動撥叉轉動使閥門打開。 閥門打開時，活塞備緊螺帽不受活塞產生的推力。 氣缸軸采用車細變徑設計，足可以承受活塞氣源推力和活塞啟動力。 因此，不再對閥門打開時的受力進行分析計算。 此處著重分析閥門關閉時的氣缸活塞和螺栓受力情況。

活塞脫開的原因是氣缸軸螺桿絲紋產生塑性變形，導致活塞備緊螺帽脫開。 主要側重分析計算閥門關閉時，活塞備緊螺帽的受力情況。 鑒于缺少進口閥門氣缸軸的各項參數信息，無法具體確定其強度等級，只進行粗略性計算和定性判斷。 不考慮氣缸做功效率、活塞啟動力、氣缸進氣量與排氣量產生的運動速度慣量及活塞變形對備緊螺帽應力變化的影響等因素［3］。

氣缸為氣源推動活塞運動，活塞端面螺帽為變載受力。 為保證在活塞受力時，活塞和軸的結合面不出現縫隙，防止氣缸竄氣，氣缸活塞在設計氣源壓力下受到的推力F計算如下：

式中 D——氣缸活塞直徑，56cm；

g——重力加速度，9.8N/kg；

p——氣源壓力， 設計壓力5.5bar （1bar=0.1MPa）。

經計算，活塞所受氣源推力F約為132 700N。假定螺栓的剛度Cb與被連接件活塞的剛度Cm相同，則螺栓受到的總拉力F2為：

式中 F0——備緊螺帽預緊力，因密封性要求，F0=（1.5～1.8）F，選擇F0=1.5F。

按照式（1）計算螺栓受到的總拉力F2約為265 400N。

對氣缸活塞備緊絲強度進行核算，因缺少該閥軸的各項參數信息，取軸絲帽性能等級中的高強度等級8.8來進行驗證，即螺栓公稱抗拉強度σb=800MPa，其屈服應力強度σs=640MPa。 只從定性角度分析，不再進行疲勞強度校核計算，直接取安全系數s=3，則許用拉應力［σ］為：

式中 d1——螺桿危險截面小徑，約為42mm。

按照式（2）計算得出軸螺桿在閥門關閉時的應力強度：σ=191.7MPa≤［σ］=213.3MPa。

從上述數據可以看出，實際計算結果已經非常接近許用拉應力［σ］，沒有充足余量。但在理論數據上是可以接受的， 這也是閥門能在運行幾年后，才開始出現活塞脫開的原因。 原Flowserve閥門實際活塞備緊螺帽為非標準件，螺帽厚度小于0.5d1，屬于超薄螺帽。 該結構螺帽承載能力極其有限，而非上述計算耐受應力強度。超薄螺帽多用于非承力結構的連接，螺紋一般為細牙［4］，因此該氣缸結構存在較大設計缺陷，不能承載活塞推動力，特別是每小時開關一次這樣頻繁變載力的場合。

2 閥門故障處理與氣路優化改造

已從氣缸活塞受力得知閥門設計存在缺陷。進口閥門設計者可能考慮到閥門關閉時，閥前后無壓差，所受力矩較小。 但未意識到閥門關閉到位后，活塞由于沒有在氣缸端蓋處，對活塞未設計到位限位頂絲，此時氣源產生的推力對螺桿螺帽應力最大，導致活塞脫開。 筆者所在團隊給出第1種改造方案： 在氣缸端蓋上加裝閥門活塞限位頂絲來抵消應力。 鑒于加工難度和如何減少到位時撞擊等問題，未實施。 第2種改造方案：對閥門控制氣路進行改造，也是目前在生產上實現的方案。 改造實現的功能是閥門開關到位后，電磁閥失電，氣缸排氣，活塞不再受氣源產生的推力，從而有效消除進口氣缸的設計缺陷［5］。 閥門原設計氣路控制如圖1所示，氣源經過濾器減壓閥分3路，一路給兩位五通電磁閥供氣，作為對開、關兩個氣動換向閥（也稱氣控閥）的先導氣動信號；另外兩路作為進氣動換向閥的動力氣源，實現氣缸兩側排進氣，推動活塞動作。 對這種控制方式進行氣路分析， 當前狀態是兩位五通電磁閥線圈2帶電（線圈1失電），先導氣經B口去控制下側氣動換向閥主氣路進氣，實現閥門打開。 若閥門開到位，即使線圈2再失電，由于兩位五通電磁閥的保位作用， 也無法實現電磁閥B口的先導控制氣排氣， 即氣缸下側開路會一直帶氣， 直到線圈1帶電，氣缸上側關路進氣，開路排氣，閥門關閉。 原氣控方案現場實物如圖2所示。

圖1 閥門原設計氣路控制

圖2 閥門原氣控方案現場實物

改造后的氣路控制方案是采用兩個兩位三通電磁閥取代兩位五通電磁閥， 具體方案如圖3所示。 若上側電磁閥1帶電，先導氣控制上側氣動換向閥切換，主氣路從氣缸上側關路進氣，推動活塞閥門關閉。待閥門關到位時，通過對DCS控制程序進行修改，自動實行關電磁閥失電，這時控制的先導氣切換排氣， 帶動關路氣動切換閥切換，使關路側氣缸內的氣源排氣，這樣可實現閥門關到位后，將氣缸內的氣排掉，不再使活塞長時間受力。 同樣，閥開到位也可以實現相同功能。由于閥門是球閥，不會導致閥門在氣缸不帶氣的情況下有其他附加受力而誤動作。 閥門氣路改造后的實物如圖4所示。

圖3 閥門改造后的氣路控制

圖4 閥門氣路改造后現場實物

3 DCS順控程序中嵌入閥門開關邏輯控制

Shell煤氣化工藝煤粉輸送加壓單元控制方案比較復雜、安全可靠性高。 根據近十幾年Shell氣化爐生產運行經驗，筆者所在公司先后為國內外十幾家氣化裝置提供開車技術支持，如韓國釜山、山西潞安及山東明水等項目，對Shell原有的控制方案進行了修改和優化。 針對本次改造，在12單元順控程序12KS0001里嵌入閥門開關反饋復位程序，如圖5所示。 BO01為DCS輸出給12XV-0122開電磁閥的控制，輸出為“1”，電磁閥帶電（24V），氣缸開側進氣；輸出為“0”，電磁閥失電，氣缸開側排氣。 BO02為DCS輸出給12XV-0122關電磁閥的控制，輸出為“1”，氣缸關側進氣，閥門關閉；輸出為“0”，電磁閥失電，氣缸關側排氣［6］。

圖5 閥門12XV-0122開關邏輯控制

BI01、BI03為 順 控 程 序12KS0001 發 出 去 閥門12XV-0122 的 開 關 指 令，BI02、BI04 為12XV-0122閥位開關位置反饋。 從圖5中可以看出，當BI01發送開命令時BO01為“1”，當檢測到開到位信號時BI02為“1”，即閥門開到位延時5s后，RS觸發器復位，BO01輸出變為“0”，開電磁閥失電，開側氣缸排氣，閥開保持；此狀態下，BI03關，處于“0”，即12KS0001順控程序未輸出閥門關命令。 閥門12XV-0122關邏輯控制同上，不再詳細闡述。

4 閥門氣路控制改造的運行效果

Shell氣化裝置煤粉加壓輸送單元有A、B兩個系列，涉及高差壓放空的閥門有12XV-0122、0222和12XV-0118、0218這4臺閥門， 均已進行控制氣路改造和DCS控制程序重新編程， 實現閥門開關信號到位后，在順控程序中增加功能塊，使對應電磁閥失電，將氣缸的氣排掉，防止螺桿備緊螺帽長時間處于受應力狀態。

5 結束語

筆者所在團隊在生產中發現進口閥門氣缸的設計缺陷，通過理論推算進行了驗證。同時在國內首次以創新理念對閥門氣路進行改造， 并通過DCS控制系統實現控制方案的優化， 解決制約閥門可靠運行的瓶頸問題，創造了較大經濟效益。對這些重要閥門氣路控制改造以來， 未再出現活塞脫開的故障，實現了裝置的長周期運行。