制氫II 套PSA 程控閥故障及改進措施

馬文禮，胡 月，劉俊生，樊安寧，張宗領，劉 鵬

（1.中石油克拉瑪依石化有限責任公司，新疆克拉瑪依 834003；2.神華新疆化工有限公司，新疆烏魯木齊 831400）

0 引言

變壓吸附提純技術是當下煉油化工中普遍使用的從氣體中提取氫氣的一種方法，主要原理是利用吸附劑對氣體的吸附具有選擇性[1]。裝置的壓力變化直接影響提純氫氣的產量和質量，而作為控制壓力變化的程控閥門是整個制氫裝置的主要設備，因此程控閥的運行工況將直接影響提純氫氣的純度。

1 制氫Ⅱ套PSA 系統運行說明

某石化公司制氫Ⅱ套PSA（Pressure Swing Adsorption，變壓吸附）系統共有8 臺吸附塔A～H 組成，正常時2 臺始終處于吸附狀態，其余6 臺處于再生的不同階段。8 臺吸附塔的整個吸附與再生工藝切換過程，均是通過68 臺程控閥門按一定的工藝步序和順序進行開關來實現的。閥門功能和作用如下：1#為中變氣進口閥；2#為產品氣出口閥；3#為一均、終升閥；4#為二均、三均閥；5#為沖洗入口閥；6#為順放閥；7#為逆放閥；8#為沖洗出口閥；09A、90B 為產品氣升壓公共閥；10A、10B 為順放公共閥。正常狀態“8→2→3”流程PSA 的D、E、F 塔閥門動作狀態如表1 所示。其中，符號A 表示吸附。

從表1 可以看出，在“8→2→3”正常狀態下，兩塔同時吸附，吸附時間=2×（T1+T2+T3），如切除一塔后，運行狀態改為“7→1→3”模式，吸附時間=1×（T1+T2+T3），吸附時間自動縮短以保證產品質量，如E 塔的1#閥（以下簡稱“E1 閥”）出現故障未開情況，E 塔的進料是處于切斷狀態，當E 塔與D 塔、F 塔配合進行兩塔吸附時，實際只有D 塔和F 塔處于單塔吸附狀態，在加工量為1700 Nm3/h 時，單塔吸附時吸附時間較長可以滿足產品質量要求，而在裝置滿負荷狀態下（4300 Nm3/h）便會因吸附時間過長而出現CO 穿透的情況。

2 PSA 程控閥故障簡述

2019 年11 月，由于該公司甲醇廠需要停工消缺，安排90萬噸/年制氫Ⅱ套裝置進行開工，11 月23 日10:30 裝置引原料，13:05 脫硫氣取樣合格后并入轉化和中變，15:30 轉化中變取樣合格后并入PSA 系統，至17：40 第一次工業氫取樣，23:00 連續兩個工業氫合格后氫氣并入系統，兩次分析CO 分別為0.9%和0.4%。24 日0:00 開始提量，由1700 Nm3/h 提至4100 Nm3/h，24日13：00 甲醇斷氫時加工量已提至4300 Nm3/h 滿負荷。

16:30 分，工業氫分析顯示，CO 含量1405 mg/m3，車間立即安排再次取樣復查，確定為CO 含量超標，裝置緊急降量，縮短PSA 吸附時間，同時公司安排3 套高壓加氫和45 萬噸/年加氫裝置停工循環，PSA 調整后每2 h 取樣一次進行復查，CO 含量均不合格。至25 日10:00，科技處人員發現PSA 程控閥中E1 閥始終不開啟，與車間人員對接后判斷為E1 閥處于校驗狀態，CO超標原因可以斷定是由E1 程控閥未開啟導致。

3 故障原因分析

3.1 直接原因

由于PSA 程控閥E1 處于校驗狀態，在PSA 程序運行中始終未打開，E1 閥又是中變氣進PSA 的進口控制閥，就造成當程序運行至D 塔和E 塔、E 塔和F 塔兩塔吸附時，只有D 塔和F塔單塔工作，而且執行的是“8→2→3”程序，雖是單塔吸附但是執行的吸附時間為2×（T1+T2+T3），滿負荷吸附時出現CO 穿透，造成質量超標。D 塔和E 塔兩塔吸附在正常與異常情況下，E1閥色塊顯示不一樣：正常時為綠色，故障狀態下為紅色。

3.2 間接原因

（1）車間管理疏漏，由于PSA 系統自動化程度很高，所有程控閥全部由程序控制，PSA 系統的油溫、油壓、閥門開關不到位都設置有報警，鑒于高度依賴自動化的報警系統，因此造成了管理人員并未重視對PSA 程控閥的逐一確認，導致疏漏。

（2）車間對于現場工作的交接落實存在紕漏，E1 閥打校驗狀態原因和時間均未被記錄，交接工作落實不到位。

表1 正常狀態8→2→3 流程PSA 的D、E、F 塔閥門動作狀態表

（3）開工操作卡片上未對PSA 系統投運前的檢查和運行開始后的狀態檢查進行具體規定，在開工組織程序上錯過了發現程控閥E1 處于故障狀態的時機。

（4）CO 分析超標問題出現后，車間管理人員也從各方面尋找原因，包括對各塔的吸附曲線進行了排查。E1 閥是中變氣進PSA 的進口閥，該塔的各級均壓和終升閥門均為正常狀態。圖1為2019 年11 月24 日E1 閥故障時的E 塔壓力曲線（實際顯示為藍色），它與正常時完全一致，這也讓車間在判斷故障原因時未將程控閥納入考慮范圍。

圖1 E1 程控閥故障下的E 塔壓力曲線

4 改進措施

（1）生產車間在管理層面上要舉一反三，在開停工組織形式上進行改進，不能流于形式、避重就輕，做到日常生產和開停工過程均受控。

（2）日常工作交接班要進行改進，對于現場未處理問題不但要做到班長崗位記錄詳細交接，還要列入技術干部日常工作，短期內無法處理的問題列入車間問題臺賬進行跟蹤處理，以免現場問題交接出現紕漏而影響裝置安全生產。

（3）完善制氫Ⅱ套開工操作卡，操作卡中必須規定PSA 投運前的系統檢查具體項目，包括PSA 油箱油位、PSA 系統調節閥試運、蓄能器檢查、程控閥投運狀態等。PSA 系統投運后要對程序逐步確認，程控閥門開關狀態，PSA 油溫油壓等全面檢查并確認[2]。

（4）制氫Ⅱ套裝置目前只有一套氫氣在線分析儀表，是氫氣純度的在線分析，后面增加一套CO 在線分析儀表，以便對工業氫組分做在線監控。

（5）當開工過程中出現問題時，應立即停止繼續推進，車間立即組織技術人員從可能的各個方面進行原因排查，以盡快將裝置轉入正常生產軌道，防止此生事故的發生。

5 結語

本文通過制氫Ⅱ套開工過程PSA 氫氣純度不足，CO 超標問題，從各個角度分析原因最終找出程控閥故障，并提出一些程控閥故障的管理經驗及改進措施，希望能為相關石化企業判斷程控閥故障提供借鑒和參照。