PSA提氫裝置程控閥運行故障分析及處理措施

秦 杰

(潞安化工集團太原化工新材料有限公司，山西 清徐 030400)

1 PSA工藝流程

1)吸附過程：原料氣自吸附塔下部進入正處于吸附狀態的吸附塔內，在多種吸附劑的吸附作用下，N2、Ar、CH4、CO及CO2等組分被吸附。純度大于99.9%的產品氫氣自吸附塔上部流出，作為半產品氣送往下道工序。

2)第1次壓力均降過程：吸附結束后，吸附塔停止進入原料氣，順著吸附的方向將塔內的較高壓力的氣體放入其他已完成沖洗再生并已進行多次均壓升步驟的較低壓力的吸附塔中，進行第1次均壓降。該過程不僅是降壓過程，也是回收床層死角空間氫氣的過程。

3)第2次壓力均降過程：第1次壓力均降過程后，繼續順著吸附的方向將塔內較高壓力的氣體均入其他已完成多次壓力均升的較低壓力的吸附塔中，進行第2次均壓降。

4)第3次至第5次壓力均降過程：以此類推進行第3次至第5次壓力均降過程。

5)順放過程：在壓力均降過程結束后，繼續順著吸附的方向進行降壓，使吸附劑的吸附前沿進一步向出口端擴散，同時為其他塔提供沖洗用氣。

6)逆放過程：在順向放壓過程結束后，逆著吸附的方向進行降壓，使被吸附的N2、CO等雜質減壓解吸出來。逆放氣作為解吸氣經過混合罐緩沖后送出界區。

7)沖洗過程：在逆放過程結束后，利用順放氣對吸附塔進行逆向沖洗，使吸附的N2、CO等雜質進一步解吸出來，沖洗進入混合罐緩沖后送出界區。

8)第5次壓力均升過程：在沖洗過程完成后，用來自其他吸附塔剛結束第4次均壓降的較高壓力氣體對該吸附塔進行第5次均升。這一過程與均壓降過程相對應，不僅是升壓過程，更是回收其他吸附塔層死角空間有效氣體組分的過程。

9)第1次至第4次壓力均升過程：以此類推進行第1次至第4次壓力均升過程。

10)產品氣升壓過程：在第1次均升過程完成后，為了使吸附塔可以平穩地切換至下一次吸附，并保證產品氣質量及輸出壓力在切換的過程中不發生波動，需要通過升壓調節閥緩慢而平穩地用產品氣將吸附塔壓力升至吸附壓力。

2 PSA程控閥結構特點

PSA裝置采用的程控閥由四川同盛提供，其結構由氣缸、閥桿、閥芯、密封圈、圓柱銷、壓板、閥體等組成。閥桿與閥芯連接為圓柱銷連接，閥芯本體下端通過壓板固定有密封圈，壓板通過連接螺栓與閥芯本體固定連接，通過螺栓的下端面高于壓板的下端面，采用這種結構形式，高速的氣流會均勻通過連接螺栓，不會在連接螺栓的后面形成渦流，使氣流對密封圈的沖刷強度降低，有效延長了密封圈的使用壽命，避免變壓吸附裝置出現內漏和竄氣[1-2]。

3 程控閥故障原因分析

該閥門閥桿與閥芯為圓柱銷連接，由于其特殊的連接方式閥桿與閥芯之間有一定的活動量，在程序正常運行中閥門動作頻繁，閥門在開關過程中管道壓力的變化極易導致閥桿與閥芯位置磨損，長時間便導致圓柱銷發生疲勞斷裂，閥門開關故障及密封面磨損，嚴重則導致閥桿彎曲變形，使閥芯與閥座不同心，密封失效，閥門內漏，系統發生高竄低事故。從歷次閥門故障來看，大部分出現問題的程控閥集中在04/05閥，因在一個吸附周期內，升壓與降壓時該閥門開關最為頻繁，故其故障率也是最高。

由于設計上管道僅有一道程控閥密封，當閥門發生故障時，無法切出系統檢修，只能系統停車泄壓置換合格后方可檢修，給檢修造成被動，給裝置的聯運帶來隱患。

4 程控閥處理措施

裝置自2016年9月投料運行以來，已經多次發生由于圓柱銷斷裂而導致的系統停車事故。為了徹底解決此項隱患，方便閥門切出系統檢修，在原有04/05程控閥管道上增加了手動球閥，當閥門出現故障后，中控操作工可第一時間切塔運行，并通知現場關閉手動球閥泄壓置換，以便更換圓柱銷等檢修。該處理從塔切出系統至閥門檢修完畢塔并入系統，間隔僅1 h，為裝置的穩運提供了保障。

5 DCS監控及操作要點

PSA裝置采用10-2-5/P時序工藝，即10個吸附塔，兩塔在線吸附，5次均壓。當某個程控閥故障時，可采用切塔方式將故障閥門對應塔切出變更為9-2-5/P或8-1-5/P方式運行。程控閥出現問題的關鍵是必須馬上判斷出故障的閥門，并迅速切出系統，否則將會出現高竄低現象，導致系統停車。現將可能遇到的情況總結如下：

5.1 01閥故障

未開：會導致吸附塔變為一塔吸附，中間產品氣壓力、流量驟降。解決辦法：切塔，待PSA裝置停車后置換合格進行檢修。

未關死(內漏、閥頭掉落等原因)：影響原料氣總管壓力，與之相對應的均升時吸附塔壓力會偏高，會使沖洗氣、解析氣等管線與罐體的壓力偏高。解決辦法：切塔，觀察閥門是否能關死，必要時手動關閥，待PSA裝置停車后處理。

5.2 02閥故障

未開：會導致吸附塔變為一塔吸附，中間產品氣壓力、流量驟降。解決辦法：切塔，待PSA裝置停車后置換合格進行檢修。如無必要盡量不讓儀表手動開閥，否則會導致中間產品氣量驟降引起產品氫氣壓力波動。

未關死(內漏、閥頭掉落等原因)：會導致中間產品氣壓力、流量驟降，與之相對應的均升吸附塔壓力會偏高，會使沖洗氣、解析氣等管線與罐體的壓力升高。解決辦法：切塔，觀察閥門是否能關死，必要時手動關閥待PSA停車后處理。

5.3 03閥故障

未開：導致沖洗氣緩沖罐壓力不降，解析氣緩沖罐及混合罐壓力升高，最終導致本吸附塔再生不徹底，影響產品氫氣純度。解決辦法：切塔，手動將吸附塔內壓力卸至微正壓，待PSA停車后處理。

未關死(內漏、閥頭掉落等原因)：導致沖洗氣緩沖罐內壓力偏低，解析氣緩沖罐及混合罐壓力下降，最終導致其余吸附塔再生不徹底，影響產品氫氣純度。解決辦法：切塔，必要時手動關閥待PSA停車后處理。期間必須嚴密監控產品氫氣純度，必要時PSA減負荷運行。

5.4 04閥故障

未開：均升階段時會導致本吸附塔不能正常進行四均升、三均升、二均升最終導致本吸附塔壓差過大不能正常進入吸附階段；均降階段會導致與其相對應的吸附塔不能正常進行二均降、三均降、四均降，最終導致與其相對應的吸附塔壓差過大不能正常進入吸附階段。解決辦法：切塔，現場關閉手閥，泄壓后處理。

未關死(內漏、閥頭掉落等原因)：均升階段時會導致本吸附塔在一均升、終升階段時壓力下降，最終可能導致本吸附塔壓差過大不能正常進入吸附階段；均降階段會導致其余吸附塔在進行二均升/均降、三均升/均降、四均升/均降時壓力異常，均升吸附塔壓力偏低，均降吸附塔壓力偏高。解決辦法：切塔，現場手動關閉手閥，泄壓后處理。

5.5 05閥故障

未開：均升階段時會導致本吸附塔不能正常進行一均升、終充，最終導致本吸附塔壓差過大不能正常進入吸附階段；均降階段會導致本吸附塔不能正常進行均降且與其相對應吸附塔不能正常進行均升，最終導致多個吸附塔壓力異常，吸附塔不能正常進入吸附階段。解決辦法：切塔，現場手動關閉手閥，泄壓后處理。

未關死(內漏、閥頭掉落等原因)：均升階段時會導致中間產品氣壓力下降，其余吸附塔壓力異常。

PSA吸附塔2個以上程控閥同時出現問題的幾率較小，大概率是由于壓差大導致。根據以往經驗，均是由05閥引起，如再發現2個以上程控閥(01閥和02閥)出現故障首先考慮是由05閥引起，具體位置則由時序表上對應查詢。緊急處理需立即到現場關小原料氣進氣閥并開原料氣放空閥減小壓差后01閥與02閥可恢復正常工作。

均降階段會導致與其相對應吸附塔在進行終充工作時不斷泄壓，最終導致正在進行吸附工作的塔壓差過大，01閥與02閥徹底關死，中間產品氣壓力流量驟降，沖洗氣、解析氣壓力飆升。解決辦法：切塔，現場手動關閉手閥，泄壓后處理。

6 結語

PSA裝置04/05程控閥增加手動球閥后，極大減少了整個裝置的停車次數，為系統的穩定運行提供了保障，下一步將通過改造將程控閥閥芯與閥桿改為固定式連接方式來徹底改變程控閥運行短板。