雙作用氣缸執(zhí)行機(jī)構(gòu)在合成氨減壓閥上的應(yīng)用

李杰春

（中國石油大慶石化公司設(shè)備維修中心）

中國石油大慶石化公司化肥廠的合成氨裝置是20世紀(jì)70年代引進(jìn)美國凱洛格公司的生產(chǎn)工藝，日產(chǎn)1 000 t液氨。 2005年8月10日，對合成氨裝置進(jìn)行了擴(kuò)能改造，改造后，日產(chǎn)1 500 t液氨。 合成氣壓縮機(jī)103-J是該裝置的重要設(shè)備之一，是合成氨裝置10.5 MPa高壓蒸汽的唯一用戶。正常生產(chǎn)時(shí)，合成氨裝置自產(chǎn)的高壓蒸汽經(jīng)合成氣壓縮機(jī)103-J高壓蒸汽透平做功后進(jìn)入3.8 MPa中壓蒸汽管網(wǎng)，是合成氨裝置3.8 MPa中壓蒸汽的主要來源。當(dāng)合成氣壓縮機(jī)103-J跳車或停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)， 高壓蒸汽即可通過旁路MIC-22液壓閥減壓，約50%產(chǎn)量的高壓蒸汽通過該閥進(jìn)入中壓蒸汽系統(tǒng)，確保高壓系統(tǒng)設(shè)備不被損壞的同時(shí)彌補(bǔ)因合成氣壓縮機(jī)103-J跳車而引起的中壓蒸汽供應(yīng)不足。 但我國大慶地區(qū)冬季環(huán)境溫度低，驅(qū)動(dòng)油流動(dòng)性變?nèi)酰瑢?dǎo)致錯(cuò)油閥不動(dòng)作。

1 合成氨裝置高壓蒸汽減壓工藝簡介

高壓蒸汽減壓系統(tǒng)即減壓站，是全廠的要害部分。 高壓蒸汽減壓時(shí)流速很快，振動(dòng)較劇烈，因此全部管線均煨成曲率半徑很大的流線型，同時(shí)也解決了管線熱膨脹的問題。 如圖1所示，3個(gè)減壓閥MIC-22、PRC-13A/B后的管線上各裝設(shè)3塊限流孔板，使通過減壓閥的壓差僅約3.5 MPa，再通過孔板逐步降壓，改善了閥的運(yùn)行條件。

圖1 高壓蒸汽減壓原理

合成氨裝置自產(chǎn)高壓蒸汽離開汽包時(shí)的溫度約315.7 ℃，進(jìn)入轉(zhuǎn)化爐101-B對流段內(nèi)兩排串聯(lián)的蒸汽過熱器， 出過熱器時(shí)蒸汽溫度上升至460 ℃左右，然后送往合成氣壓縮機(jī)103-J的高壓蒸汽透平。 正常操作時(shí)，全部高壓蒸汽都要經(jīng)過這個(gè)透平， 做功后以321 ℃左右的溫度排入3.8 MPa中壓蒸汽系統(tǒng)， 在合成氣壓縮機(jī)103-J透平脫扣跳車時(shí)， 設(shè)計(jì)流量50%左右的蒸汽經(jīng)減壓閥MIC-22排入3.8 MPa中壓蒸汽系統(tǒng)，其余則由分程控制調(diào)節(jié)閥PRC-13A/B減壓至3.8 MPa進(jìn)入中壓蒸汽系統(tǒng)，高壓蒸汽的減壓構(gòu)成了3.8 MPa蒸汽的來源。 如果合成氣壓縮機(jī)103-J不運(yùn)轉(zhuǎn)，高壓蒸汽則經(jīng)PIC-13的兩個(gè)調(diào)節(jié)閥A/B（分程調(diào)節(jié)）減壓以滿足中壓蒸汽的供應(yīng)。 假如在高負(fù)荷下中壓蒸汽還不夠用， 一部分高壓蒸汽可經(jīng)合成氣壓縮機(jī)103-J旁手動(dòng)調(diào)節(jié)旁路液壓閥MIC-22減壓，與經(jīng)過PIC-13減壓閥（A/B）的蒸汽合并使用。

設(shè)計(jì)MIC-22減壓閥是避免在合成氣壓縮機(jī)103-J由于事故而突然停車時(shí)，在這段時(shí)間里高壓蒸汽沒有去路，會(huì)導(dǎo)致蒸汽系統(tǒng)超壓，安全閥起跳甚至高壓蒸汽系統(tǒng)設(shè)備損壞等嚴(yán)重后果。 為此，設(shè)計(jì)一個(gè)油壓閥MIC-22，這個(gè)閥是油壓驅(qū)動(dòng)動(dòng)作的，力量較大，且信號傳遞快，因此開關(guān)及時(shí)。

正常情況下10.5 MPa高壓蒸汽通過合成氣壓縮機(jī)103-J前置高壓透平減壓，減壓閥MIC-22是全關(guān)的。在合成氣壓縮機(jī)103-J停車時(shí)通過聯(lián)鎖使它在約1 s的時(shí)間完全打開（因此又稱秒閥），從而保證高壓系統(tǒng)不超壓。 在這個(gè)閥已經(jīng)全開后，為保證中壓蒸汽管網(wǎng)壓力穩(wěn)定， 可以利用PRC-13A/B自動(dòng)調(diào)節(jié)蒸汽壓力， 但在條件動(dòng)蕩比較大時(shí)，可以手動(dòng)控制MIC-22閥門的開度。

2 MIC-22減壓閥控制策略

當(dāng)裝置開車或合成氣壓縮機(jī)103-J低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，高壓蒸汽需通過PRC-13 A/B控制回路進(jìn)行調(diào)節(jié)減壓后進(jìn)入中壓蒸汽系統(tǒng)。 當(dāng)MIC-22聯(lián)鎖投用時(shí)，MIC-22減壓閥不可手動(dòng)調(diào)節(jié)， 處于全關(guān)閉狀態(tài)，在合成氣壓縮機(jī)103-J因故跳車時(shí)觸發(fā)MIC-22聯(lián)鎖動(dòng)作，使MIC-22減壓閥瞬間全開，當(dāng)聯(lián)鎖動(dòng)作后MIC-22打到手動(dòng)狀態(tài)，可以手動(dòng)調(diào)節(jié)MIC-22減壓閥進(jìn)行蒸汽控制。

3 MIC-22減壓閥液動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)原理

MIC-22是Masoneilan公司生產(chǎn)的X7-20571AB型液動(dòng)調(diào)節(jié)閥， 閥門裝配ANNIN1000 系列氣動(dòng)-液壓缸執(zhí)行機(jī)構(gòu)，DCS來的4～20 mA電流信號經(jīng)電/氣轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成0.02～0.10 MPa的氣動(dòng)信號。 如圖2所示，氣動(dòng)信號在放大器內(nèi)與閥位反饋進(jìn)行比較， 二者不平衡時(shí)輸出一個(gè)位移量來驅(qū)動(dòng)錯(cuò)油閥， 錯(cuò)油閥調(diào)節(jié)液動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)上下缸的進(jìn)、出油量，使液動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)活塞（閥位）產(chǎn)生移動(dòng)， 當(dāng)閥位反饋與氣動(dòng)輸入信號平衡時(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)不動(dòng)，此時(shí)閥位與輸入信號對應(yīng)，達(dá)到定位目的。

圖2 MIC-22液動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作原理

油壓控制快開閥如果長期不動(dòng)作也會(huì)失靈，即不能及時(shí)打開。 同類化肥廠就發(fā)生過合成氣壓縮機(jī)103-J跳車，MIC-22減壓閥延誤達(dá)30 s才打開，致使高壓蒸汽總管超壓，安全閥起跳，而中壓蒸汽總管壓力又猛降，整個(gè)蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)大幅波動(dòng)，本來是僅限于氨合成系統(tǒng)的局部停車，卻擴(kuò)大到了全廠A級停車。

4 MIC-22減壓閥的液壓油系統(tǒng)

MIC-22減壓閥能否正確動(dòng)作，對于全廠安全生產(chǎn)是最為重要的一環(huán)。 MIC-22閥的液壓油來自合成氣壓縮機(jī)103-J的油路系統(tǒng)，MIC-22減壓閥專有一套小的油壓裝置， 作為潤滑-密封油系統(tǒng)正常油源的備用， 萬一因任何原因?qū)е聺櫥?密封油系統(tǒng)停止工作而使油不能供應(yīng)時(shí)，這套液壓油裝置就會(huì)啟動(dòng)操作MIC-22減壓閥把10.5 MPa蒸汽降壓后送至3.8 MPa蒸汽系統(tǒng)。這套系統(tǒng)主要包括一個(gè)液壓油冷卻器、一臺備用油泵和一個(gè)附屬的用活塞操作的蓄壓器。蓄壓器大約可儲備約38 L備用液壓油，足夠把減壓閥MIC-22的油缸頂開，讓蒸汽通過降壓。

合成氣壓縮機(jī)103-J油箱的油泵出口是液壓油的正常來源。 由電動(dòng)備用泵從潤滑油油箱直接抽出的油作為輔助油源。當(dāng)合成氣壓縮機(jī)103-J正在運(yùn)轉(zhuǎn)，而供MIC-22減壓閥用的液壓油供應(yīng)不上時(shí)，液壓油回路的壓力（正常7.7 MPa）就要下降。這時(shí)，低油壓開關(guān)就自動(dòng)啟動(dòng)備用泵供油，直到油箱油泵恢復(fù)正常供應(yīng)為止。 如備用油泵也跳車或由于其他原因而不能運(yùn)轉(zhuǎn)，蓄壓器中的液壓油就作為第2套備用系統(tǒng)自動(dòng)壓入油路推動(dòng)油缸的活塞一直到壓縮機(jī)停下。

當(dāng)液壓油壓降至6.9 MPa時(shí)，MIC-22備用油泵自啟動(dòng)，當(dāng)油壓升到8.4 MPa時(shí)，MIC-22備用油泵自停。

5 替換液動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的原因分析

原液動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是Masoneilan公司20世紀(jì)70年代的產(chǎn)品， 液動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和定位器結(jié)構(gòu)特殊，與其他儀表不能通用，Masoneilan公司目前也已經(jīng)不生產(chǎn)該產(chǎn)品，配件難以采購也不好加工。 為了能自由推動(dòng)錯(cuò)油閥，氣動(dòng)定位器和氣缸需要整體移動(dòng)。 因此，連接氣動(dòng)放大器的風(fēng)線管只能采用軟管，不能使用鋼管。 1999年的大火就將放大器的軟管和橡膠件燒壞，氣缸活塞也被損壞。 此閥是全廠唯一的液動(dòng)閥，沒有備件。 當(dāng)時(shí)，用換下的舊件加上燒損的零件，克服大量困難修復(fù)了此閥，一直使用至今。

為了保證MIC-22減壓閥可靠運(yùn)行，還單獨(dú)為其配備了一套油泵系統(tǒng)和油壓聯(lián)鎖系統(tǒng)，保證液壓油能滿足減壓閥驅(qū)動(dòng)的要求，油路復(fù)雜且隱患多。

從足球來看，它是當(dāng)時(shí)在中國發(fā)展得最好的西方近代體育項(xiàng)目。最能說明問題的如1923年澳洲橄欖球總會(huì)代表亨利·美勒，已“發(fā)現(xiàn)華人的足球程度可以與澳大利亞人抗衡，遂改變計(jì)劃，決定邀請中國的足球隊(duì)訪問澳大利亞。”[12]又如1923年“被稱為世界海禁最嚴(yán)的澳洲，凡是外國人入境均需要護(hù)照。”但是澳洲足球總會(huì)早在中國足球隊(duì)到達(dá)之前就已溝通好，準(zhǔn)免查驗(yàn)[13]。所以，以李惠堂為代表的樂華足球隊(duì)，成了1928年中國出訪東南亞的首選。

MIC-22減壓閥的開關(guān)是靠8 MPa潤滑油驅(qū)動(dòng)的，從潤滑油泵到MIC-22減壓閥的錯(cuò)油閥是由直徑25 mm的鋼管連接。1999年，MIC-22減壓閥的錯(cuò)油閥到液動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)入口的一個(gè)金屬波紋管裂開，8 MPa的潤滑油噴到高壓蒸汽管線上引發(fā)大火，將MIC-22閥上部管廊的電纜全部燒斷，造成全廠停工搶修，經(jīng)濟(jì)損失巨大。

由于該減壓閥平時(shí)是靜止?fàn)顟B(tài)，冬季潤滑油流動(dòng)性差， 在試驗(yàn)聯(lián)鎖時(shí)錯(cuò)油閥有時(shí)不動(dòng)作，MIC-22減壓閥經(jīng)常打不開或延時(shí)才打開，需要對潤滑油路進(jìn)行加熱才能保證MIC-22減壓閥正常動(dòng)作，成為安全隱患。

6 雙作用氣缸執(zhí)行機(jī)構(gòu)在MIC-22上的應(yīng)用

打破原MIC-22液動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的布局，原液動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)還有一套液壓油系統(tǒng)和相應(yīng)的油壓聯(lián)鎖，導(dǎo)致故障點(diǎn)多，改為氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)后可省去繁瑣的液壓油系統(tǒng)，使其更合理、更優(yōu)化的同時(shí)減少了故障點(diǎn)。 將MIC-22液動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)改為氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，閥體不變，聯(lián)鎖動(dòng)作形式不變，使其運(yùn)行更加安全可靠。

根據(jù)MIC-22減壓閥原設(shè)計(jì)工藝要求、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的改造需求， 攻關(guān)組同Masoneilan公司深入交流， 最終選定Masoneilan 86系列雙作用氣缸執(zhí)行機(jī)構(gòu)，帶儲氣罐，并配有智能定位器SVI2AP。該執(zhí)行機(jī)構(gòu)的技術(shù)特點(diǎn)如下：

a. 閥門在0%～100%行程范圍內(nèi)可以任意開關(guān)， 聯(lián)鎖動(dòng)作時(shí)能夠在1.2 s內(nèi)由全關(guān)到全開位置；

b. 氣源故障時(shí)閥位開，保證閥門達(dá)到Ⅴ級泄漏量；

c. 聯(lián)鎖采用事故安全型；

d. 智能閥門定位器防爆等級EXiaIICT5，防護(hù)等級IP65，耐溫范圍-40～60 ℃；

e. 執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶手動(dòng)機(jī)構(gòu)，能夠使閥門在全行程范圍內(nèi)任意開關(guān)；

f. 執(zhí)行機(jī)構(gòu)風(fēng)線管采用不銹鋼管， 主風(fēng)線采用3/4″（1″=2.54 cm）白鋼管，螺紋連接，控制風(fēng)線采用?12.7 mm×1 mm白鋼管，卡套式連接。

將原液動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)改造為Masoneilan 86系列雙作用氣缸執(zhí)行機(jī)構(gòu)并配置儲氣罐，配智能定位器SVI 2 AP-22123121、大流量過濾減壓閥、放大器、換向閥、止回閥及放空閥等，通過氣路配置實(shí) 現(xiàn)聯(lián)鎖動(dòng)作要求，如圖3所示。

圖3 改造后的MIC-22減壓閥氣路

化肥廠2014年冬季立項(xiàng)攻關(guān)解決MIC-22液動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)不動(dòng)作問題，2015年儀表和工藝組成的攻關(guān)組一同考察調(diào)研同類型化肥企業(yè)，考察后攻關(guān)組制定詳細(xì)的技術(shù)方案，經(jīng)多次論證確定最終方案。 2016年初，氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)到貨后，攻關(guān)組在大慶石化公司機(jī)械廠控制閥維修車間進(jìn)行調(diào)試，初次試驗(yàn)調(diào)節(jié)閥全行程時(shí)間為2 s，達(dá)不到秒閥的技術(shù)要求。 攻關(guān)組對部分氣路進(jìn)行優(yōu)化，由于事故狀態(tài)下該閥具有調(diào)節(jié)功能，把聯(lián)鎖動(dòng)作放在DCS中實(shí)現(xiàn)，當(dāng)聯(lián)鎖邏輯動(dòng)作時(shí)，給智能定位器一個(gè)強(qiáng)制20 mA信號，將閥門快速打開，同時(shí)減掉部分氣動(dòng)元件、縮短閥門動(dòng)作的時(shí)間。 改造后，測試減壓閥全行程時(shí)間在1.2 s內(nèi)，滿足裝置生產(chǎn)要求。 2017年3月30日擇機(jī)更換，2017年4月1日開始運(yùn)行，運(yùn)行至今沒發(fā)現(xiàn)任何問題。

合成氣壓縮機(jī)103-J出現(xiàn)問題跳車，MIC-22調(diào)節(jié)閥在1.5 s時(shí)間內(nèi)不打開，將造成中壓蒸汽壓力不夠，空氣壓縮機(jī)101-J、原料氣壓縮機(jī)102-J和冰機(jī)105-J停機(jī)；鍋爐給水泵104-J/JA停泵，造成水碳比聯(lián)鎖動(dòng)作，裝置停工。 合成裝置停工最快恢復(fù)生產(chǎn)需要11 h， 按100%負(fù)荷每小時(shí)生產(chǎn)60 t合成氨，每噸氨3 000元計(jì)算，損失207.9萬元。尿素停工6 h， 每小時(shí)生產(chǎn)尿素51 t， 每噸1 750元計(jì)， 損失53.5萬元。期間合成氨裝置生產(chǎn)用的原料氣需要排放掉，約63 000 m3/h，原料氣價(jià)格為1.98 元/m3，原料氣排放損失137萬元。 化肥廠MIC-22液動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)改氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)項(xiàng)目的總投資為23萬元。 因此， 該項(xiàng)目的直接效益為207.9+53.5+137-23=325.4萬元。

7 結(jié)束語

采用雙作用氣缸執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)液動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作時(shí)間要求，優(yōu)化了調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)配置，在103-J聯(lián)鎖動(dòng)作時(shí)，MIC-22在1.2 s內(nèi)快速打開， 達(dá)到秒閥要求。 通過技改解決了冬季氣溫低，驅(qū)動(dòng)油流動(dòng)性差，導(dǎo)致錯(cuò)油閥不動(dòng)作的問題，保障了安全生產(chǎn)。一旦MIC-22故障，處理不及時(shí)，極易導(dǎo)致高壓設(shè)備和高壓管線的損壞，不但會(huì)造成大量的經(jīng)濟(jì)損失，還存在傷人事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。 而且，裝置停車現(xiàn)場會(huì)存在大量的放空、噪聲，會(huì)對周邊的居民和環(huán)境造成嚴(yán)重危害， 本次改造消除了漏油引起的火災(zāi)隱患和環(huán)保隱患，在全國同類型大化肥裝置中，是首次應(yīng)用，具有一定的借鑒意義。