硫磺回收再熱器蒸汽疏水閥選型優化探討

林萬洲 侯開紅 蘇曉杰

（中國石油西南油氣田 川東北作業分公司羅家寨生產作業區設施工程中心）

0 引言

某高含硫天然氣凈化廠硫磺回收裝置由荷蘭Jacobs公司承擔基礎設計，共有3套相同規模的硫磺回收裝置，分別與3套脫硫裝置匹配。該裝置采用二級轉化常規克勞斯（Claus）工藝，設計硫回收率為93.4%，單套裝置硫磺產量約為402.8 t/d（最大約為460 t/d）。硫磺回收裝置中一級再熱器通過中壓蒸汽（4.0 MPa，252 ℃）對來自一級硫磺冷卻器的過程氣加熱，升溫后的過程氣進入一級反應器，換熱后的蒸汽進入一級再熱器出口設置的兩組并聯的雙金屬片式疏水閥，實現蒸汽的自動阻汽排水。

1 基本情況

硫磺回收裝置中，該疏水閥用于一級再熱器設備疏水，工藝所需排量為2 450 kg/h（工況為4.0 MPa、252 ℃）。一級再熱器的過程氣進、出口設計溫度分別為193、246 ℃，蒸汽進、出口溫度設計為252 ℃。疏水閥選用熱靜力雙金屬片式疏水閥，一級再熱器出口設置了兩組并聯雙金屬片式疏水閥。

雙金屬片式疏水閥的基本原理是通過溫度來決定疏水閥的開閉，使用雙金屬作為感溫元件，根據蒸汽和凝結水的溫差來達到開閉疏水閥的目的[1]，該閥門主要由閥體、閥蓋、閥座、閥瓣、閥桿和雙金屬片等組成。疏水閥開始工作時，凝結水在低溫狀態下進入疏水閥，閥孔開啟，所有低溫凝結水及大量進入疏水閥的空氣排出。當凝結水溫度升高到一定程度后，雙金屬片就會受熱變形產生作用力，當作用力大于疏水閥內壓力時，閥瓣就會關閉，閥門終止排水。當凝結水在管道內散熱且溫度下降后，雙金屬片的變形程度也減小，當作用力小于疏水閥內的壓力時，閥瓣重新打開，凝結水被排出。

2 閥門故障

經查，出現故障的雙金屬片式疏水閥共6只，型號為SH900FG(L)，疏水閥具有內置過濾器，最高工作壓力為4.48 MPa，最高允許壓力為6.20 MPa。當疏水閥發生故障時，需將3臺一級再熱器的疏水閥閥前甩頭開啟用于排水，方能維持過程氣溫度≥201 ℃，未開閥前甩頭排水時過程氣溫度僅約190 ℃。而一級反應器設計進口溫度為246 ℃，一級再熱器出口溫度過低時，硫磺回收轉化率偏低，硫磺產量降低，使尾氣處理裝置的酸性氣增加，SCOT負荷增大，排放的尾氣中SO2含量增加，嚴重時可能會造成尾氣排放超標。同時，凝結水經閥前甩頭排出，現場采用臨時接水槽將水引入排污系統，這增加污水處理負荷，造成水資源、能量浪費。這也不符合GB/T 12712—1991《蒸供熱系統凝結水回收及蒸汽疏水閥技術管理要求》標準中規定的用汽設備產生的凝結水必須回收，且回收率不得小于60%的規定[2]。

3 原因分析

3.1 操作排查

為了確認故障疏水閥的實際工作狀態，將6只疏水閥均通過開啟疏水閥前切斷閥和閥后甩頭，關閉后切斷閥和閥前甩頭，來觀察疏水閥閥后甩頭的排水情況，結果排出的是均蒸汽，未見間歇性排出凝結水。但由于實際運行時凝結水處于約252 ℃的飽和狀態，排出時瞬間系統壓力降低變為常壓，凝結水便開始氣化形成閃蒸汽[3]。因此難以單從以上操作來判斷疏水閥是否處于正常狀態。

3.2 過濾器檢查

打開一級再熱器的6只疏水閥的閥前Y型過濾器進行檢查，除了1臺過濾器濾網堵塞外，其余濾網未發現被臟污堵塞的情況。復位后，關閉一級再熱器的所有疏水閥的前甩頭，恢復正常流程，一級再熱器過程氣出口溫度可在短期內升至220 ℃左右，但無法長時間維持，溫度將逐漸下降，操作甩頭進行現場排水后，過程氣溫度仍僅約為200 ℃。因此，基本可排除管線被堵塞造成換熱效果不佳的可能。

3.3 解體檢查

2017年-2019年期間，該裝置陸續更換了6只型號相同的新疏水閥，但新閥門投用后，一級再熱器出口過程氣溫度仍無明顯上升。對拆卸下來的舊閥進行解體檢查，閥內部件未見明顯損壞，雙金屬片存在一定銹蝕，內置濾網較為干凈，如圖1所示。而換上新的疏水閥后，系統仍然達不到設計要求，需打開其中一只疏水閥的前甩頭，才能勉強維持過程氣溫度。

圖1 解體后的雙金屬片式疏水閥

3.4 廠家咨詢

咨詢廠家后可知，SH-900FG系列雙金屬片式疏水閥屬于過熱蒸汽疏水閥，無法排出飽和凝結水，只能排出過冷水（飽和水冷卻至飽和溫度以下10～40℃），因此開機的時候閥前端會積水，待水冷卻后再打開閥，這類閥門只能用于管線的過熱蒸汽疏水不能用于設備疏水。

4 改進措施

據了解，并沒有適用于所有場合的通用型疏水閥，各種疏水閥的工作原理不同，應用的場合也不相同[4]。一般認為，最適合換熱器類設備疏水的閥門為機械型疏水閥，其能做到有水即排，保證設備或蒸汽輸送管道內沒有積液，可使換熱設備的換熱效果達到最佳，并防止蒸汽管道內存有積液，甚至造成水擊現象[5]。機械型疏水閥包括自由浮球式、倒吊桶式和杠桿浮球式等。

自由浮球式疏水閥是將空心浮球無約束地放置在疏水閥的閥體內部，利用浮力原理，當凝結水進入疏水閥內部時，空心浮球可以自由上升或下降，通過空心浮球和閥座孔的接觸來實現開、閉閥動作[6]。某品牌JH7.2R-B系列自由浮球式疏水閥的結構如圖2所示，該閥門具備以下優點：閥嘴始終低于凝結水液位，不會導致蒸汽泄漏；采用高精磨浮球，浮球全表面都與閥座的接觸，不會產生集中磨損，使用壽命較長；頂部設置雙金屬片式自動空氣排放閥，能排放低于100 ℃的空氣，可耐高溫，確保設備快速啟動；配備可拆卸閥蓋、閥嘴，無需將整閥從管線上拆下，可實現在線維護。

圖2 自由浮球式疏水閥JH-B結構簡圖

查閱全廠蒸汽平衡圖得知，一級再熱器蒸汽出口凝結水排量需滿足2 450 kg/h（4.0 MPa，252 ℃），疏水閥背壓約為0.55 MPa，經重新選型，確定選用JH7.2R-B型號（46閥嘴）的自由浮球式疏水閥，其排量-壓差曲線可見圖3。當壓差為4.6 MPa時，疏水閥排量約為2 700 kg/h；當壓差為3.45 MPa（實際最大壓差）時，排量接近2 500 kg/h。該疏水閥單只投用時，基本就能滿足裝置的設計要求。但常見疏水閥選用時，考慮正常的負荷情況下還必須考慮負荷安全系數（1.5），而換熱器的疏水閥安全系數推薦值為2[5]。2只自由浮球式疏水閥JH7.2R-B并聯投用，即可滿足管線的工藝要求。

圖3 JH7.2R-B疏水閥排量-壓差曲線

5 使用效果

據統計，JH7.2R-B疏水閥投用后，在其他工藝參數不變的情況下，過程氣經一級再熱器后溫度差顯著增大，具體可見表1，過程氣溫度差為47～49 ℃，已接近設計值（53 ℃）。一級再熱器出口過程氣溫度較設計值仍偏低的主要原因為入口過程氣溫度較設計值偏低約12～14 ℃，一級再熱器換熱效率下降和飽和中壓蒸汽品質差可能也對其產生了一定影響。這說明自由浮球式疏水閥在該工況下具有良好的阻汽排水性能，確保設備內無冷凝水積存，從而維持穩定的工藝溫度。

表1 自由浮球式疏水閥投用前后參數對比表

自由浮球式疏水閥投用后，無需開啟甩頭排水，就可實現凝結水密閉回收，據粗略估算，1～3列裝置可節約凝結水43.2×103kg/d，全年可節約12 960 t凝結水。由于凝結水現場排放后進入污水處理單元，因此也降低了污水處理單元的負荷量。另外，硫磺回收裝置二級再熱器疏水閥也存在同樣問題，且設備工況相近，之后也將考慮采用同型號自由浮球式疏水閥替換原雙金屬片式疏水閥，實現節能降耗的目標。

6 結論

JH-B系列自由浮球式疏水閥具備可連續、瞬時排放，排量大，工作穩定等特點，特別適用于蒸汽換熱器等凝結水排量大的疏水工況。同時，閥門結構簡單，易損件少，可實現在線維護。該類疏水閥應用在硫磺回收裝置上后，有效改善了一級再熱器的換熱效果，使出口過程氣溫度得到了提升，實現了凝結水零排放，年節約凝結水量近1.3萬t，節能減排意義顯著。