上海申弘閥門(mén)有限公司
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化工合成氨裝置氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥故障解決方案
在自動(dòng)化較高的化工控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)閥作為自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的終端執(zhí)行裝置，接受控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)化工流程的連續(xù)調(diào)節(jié)，運(yùn)行期間出現(xiàn)的故障直接關(guān)系著生產(chǎn)裝置的安全運(yùn)行。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際統(tǒng)計(jì)大約70%的故障來(lái)源于調(diào)節(jié)閥。
針對(duì)合成氨生產(chǎn)裝置的儀表調(diào)節(jié)閥運(yùn)行十幾年來(lái)曾出現(xiàn)的典型故障現(xiàn)象進(jìn)行了總結(jié),并分析其原因,提出了相應(yīng)的處理方法.認(rèn)為N2和H2在高壓下可以直接化合生成氨，接著，他用實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證，但在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生了爆炸。他沒(méi)有調(diào)查事故發(fā)生的原因，而是覺(jué)得這個(gè)實(shí)驗(yàn)有危險(xiǎn)，于是放棄了這項(xiàng)研究工作，他的合成氨實(shí)驗(yàn)就這樣夭折了。后來(lái)才查明實(shí)驗(yàn)失敗的原因，是他所用混合氣體中含有O2，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中H2和O2發(fā)生了爆炸的反應(yīng)。稍后，德國(guó)化學(xué)家能斯特通過(guò)理論計(jì)算，認(rèn)為合成氨是不能進(jìn)行的。因此人工合成氨的研究又慘遭厄運(yùn)。后來(lái)才發(fā)現(xiàn)，他在計(jì)算時(shí)誤用一個(gè)熱力學(xué)數(shù)據(jù)，以致得到錯(cuò)誤的結(jié)論。在合成氨研究屢屢受挫的情況下，哈伯知難而進(jìn)，對(duì)合成氨進(jìn)行全面系統(tǒng)的研究和實(shí)驗(yàn)，終于在1908年7月在實(shí)驗(yàn)室用N2和H2在600℃、200個(gè)大氣壓下合成氨，產(chǎn)率僅有2%，卻也是一項(xiàng)重大突破。
1 化工合成氨裝置氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥故障解決方案概述
某合成氨裝置中，一段爐是轉(zhuǎn)化工段的核心，引起一段爐停運(yùn)的任何聯(lián)鎖動(dòng)作均將導(dǎo)致其后續(xù)工藝系統(tǒng)的停車(chē)，其中一段爐爐膛負(fù)壓的控制是關(guān)鍵。空氣壓縮機(jī)燃?xì)馔钙匠隹谌紵猓徊糠肿鳛橐欢螤t燃燒空氣，由AV－03010控制進(jìn)一段爐燃燒空氣的氧含量，保證一段爐內(nèi)燃?xì)馊紵浞郑涣硪徊糠种烈欢螤t對(duì)流段利用余熱，由PV－03048A/B輔助控制爐膛負(fù)壓；還有一部分由HV－02001控制進(jìn)行放空。這些閥門(mén)控制的氣道口徑大，采用了相同的多翻板連桿推動(dòng)機(jī)構(gòu)，需要的動(dòng)力較大，氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)及控制氣路較復(fù)雜。為控制，PV－03048采用A閥（小閥）、B閥（大閥）分別控制，根據(jù)工況需要開(kāi)啟其中一個(gè)或兩個(gè)。這些閥門(mén)參與聯(lián)鎖TRIP03.5控制，保證一段爐系統(tǒng)在正常的負(fù)壓下安全運(yùn)行。當(dāng)燃?xì)馔钙教?chē)或一段爐膛壓力升高大于100Pa時(shí)，TRIP03.5動(dòng)作：切斷一段爐燃燒空氣AV－03010和對(duì)流段乏氣排放閥PV－03048A/B，同時(shí)打開(kāi)乏氣放空閥HV－02001，并向TRIPB發(fā)出一個(gè)跳車(chē)信號(hào)。這些閥門(mén)屢次在開(kāi)車(chē)或行程校驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)失控不動(dòng)作現(xiàn)象，危害爐膛負(fù)壓的控制。
2 化工合成氨裝置氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥故障解決方案存在問(wèn)題
PV－03048A/B的作用是穩(wěn)定調(diào)節(jié)從燃?xì)廨啓C(jī)排出的高溫乏氣去一段爐對(duì)流段，輔助控制爐膛負(fù)壓。在大修中做行程校驗(yàn)和開(kāi)車(chē)時(shí)PV－03048A/B閥不動(dòng)作，該閥是氣缸式調(diào)節(jié)閥，氣路非常復(fù)雜，初步檢查發(fā)現(xiàn)電磁閥線圈磁性不夠，導(dǎo)致電磁閥輸出氣量小，氣控閥不切換，閥門(mén)不動(dòng)作。更換電磁閥后仍不行，無(wú)法控制爐膛負(fù)壓，負(fù)壓聯(lián)鎖開(kāi)關(guān)就會(huì)連鎖引起跳車(chē)。AV－03010在大修后開(kāi)車(chē)不動(dòng)作，檢查電磁閥有電，開(kāi)閥側(cè)氣路不通，閥門(mén)調(diào)節(jié)失靈，無(wú)法正常開(kāi)啟一段爐加熱系統(tǒng)。
大型合成氨裝置采用*節(jié)能工藝、新型催化劑和高效節(jié)能設(shè)備，提高轉(zhuǎn)化效率，加強(qiáng)余熱回收利用；以天然氣為原料的合成氨推廣一段爐煙氣余熱回收技術(shù)，并改造蒸汽系統(tǒng)；以石油為原料的合成氨加快以潔凈煤或天然氣替代原料油改造；中小型合成氨采用節(jié)能設(shè)備和變壓吸附回收技術(shù)，降低能源消耗。
3 化工合成氨裝置氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥故障解決方案原因分析
3.1 控制介紹
以PV－03048B閥控制為例，原控制氣路圖見(jiàn)圖1?？刂茍D中I、II、III、IV分別是四個(gè)氣控閥。PLT是控制氣口，R是放空口，P、A是通氣口。其中氣控閥II、III、IV是FC事故關(guān)型，PLT有氣時(shí)氣控閥P—A通，PLT無(wú)氣時(shí)P—A不通，A—R通；氣控閥Ⅰ是FO事故開(kāi)型，PLT有氣時(shí)P—A不通，A—R通，PLT無(wú)氣時(shí)P—A通。
正常運(yùn)行時(shí)，電磁閥帶電通氣，控制氣經(jīng)電磁閥后連至各氣控閥PLT口之氣路送至四個(gè)氣控閥PLT端，閥Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ打開(kāi)，閥I關(guān)閉。I/P轉(zhuǎn)換器接受主控4～20mA信號(hào)，轉(zhuǎn)換后輸出至氣動(dòng)定位器，兩路輸出C1、C2，C1經(jīng)氣控閥Ⅳ氣路至調(diào)節(jié)閥氣缸開(kāi)閥側(cè)；C2經(jīng)氣控閥II、III關(guān)調(diào)節(jié)閥氣路至調(diào)節(jié)閥氣缸關(guān)閥側(cè)。上止逆閥保證關(guān)閥氣不能去氣控閥I放空。這樣隨主控4～20mA信號(hào)開(kāi)、關(guān)調(diào)節(jié)閥門(mén)。
需要強(qiáng)調(diào)的是氣控閥I的線路，它的作用是在電磁閥失電或失去氣源的事故狀態(tài)下，強(qiáng)制去關(guān)閉調(diào)節(jié)閥PV－03048B，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)閥的事故關(guān)功能。這時(shí)閥I打開(kāi)，當(dāng)有氣源時(shí)，氣源經(jīng)下止逆閥、閥I、上止逆閥、關(guān)閥氣路去關(guān)調(diào)節(jié)閥；無(wú)氣源時(shí)，平時(shí)儲(chǔ)存在氣罐內(nèi)的氣源，經(jīng)閥I、上止逆閥、關(guān)閥氣路去關(guān)調(diào)節(jié)閥。下止逆閥保證氣罐內(nèi)的氣源不致流失。同時(shí)，氣控閥III的作用是在電磁閥失電、失去氣源的事故狀態(tài)下關(guān)閉并保證事故關(guān)閥氣不致由此放空，因?yàn)闅饪亻yIII的P、A氣口是反接的，PLT失氣后P—A關(guān)閉，A—R導(dǎo)通，P口是接在事故關(guān)閥氣側(cè)，保證了事故關(guān)閥氣不能放空。
3.2 化工合成氨裝置氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥故障解決方案PV－03048B不能動(dòng)作原因分析
（1）經(jīng)觀察該閥門(mén)有時(shí)動(dòng)作緩慢。檢查發(fā)現(xiàn)閥門(mén)氣缸有串氣現(xiàn)象，更換了雙氣缸的活塞密封環(huán)，有時(shí)可以動(dòng)作，即使能動(dòng)作但全關(guān)后再啟動(dòng)非常困難。
（2）由于閥門(mén)是多翻板連桿機(jī)構(gòu)，啟動(dòng)不順，懷疑是否是閥門(mén)運(yùn)行動(dòng)作阻力大。檢查各個(gè)聯(lián)軸節(jié)及軸承，發(fā)現(xiàn)這些地方由于閥門(mén)運(yùn)行環(huán)境溫度高，干澀活動(dòng)阻力大。加注耐高溫潤(rùn)滑脂，手動(dòng)開(kāi)關(guān)靈活了。
（3）再次停車(chē)后開(kāi)車(chē)，又出現(xiàn)該閥不動(dòng)作。檢查發(fā)現(xiàn)，不論給多少信號(hào)，關(guān)閥側(cè)始終有氣，閥門(mén)全關(guān)。斷開(kāi)定位器C2側(cè)輸出，關(guān)閥側(cè)仍有氣。懷疑氣控閥I故障不切換。換了閥I后，現(xiàn)象依舊，說(shuō)明不是閥I故障。
（4）分析認(rèn)為，氣控閥不切換的原因是控制氣壓不足，控制氣壓低的原因可能有：
①測(cè)量電磁閥供電電壓，不帶負(fù)載為20VDC左右，帶負(fù)載時(shí)為14VDC左右，電磁閥功率3W，可能帶負(fù)載能力不足使電磁閥不能*開(kāi)啟；
②VP－41氣動(dòng)定位器是耗氣型定位器，其中控制C1、C2兩路輸出的平衡滑閥閥芯長(zhǎng)期滑動(dòng)磨損，漏氣量增大，已使閥門(mén)定位不準(zhǔn)確，必定使整個(gè)回路耗氣量增大，控制氣壓降低，氣控閥不能切換；
③一旦停車(chē)PLC也會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的檢查或其他原因，閥門(mén)的電磁閥往往會(huì)斷電，氣控閥復(fù)位，恢復(fù)送電時(shí)由于上述原因會(huì)造成電磁閥開(kāi)啟不足、定位器分壓太大，氣控閥控制氣壓低，氣控閥不能切換。
4 化工合成氨裝置氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥故障解決方案控制氣路改造
同樣以PV－03048B為例，改造后的氣路控制圖見(jiàn)圖2。本實(shí)用新型涉及工業(yè)設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域,且公開(kāi)了一種便于維修化工生產(chǎn)調(diào)節(jié)閥門(mén)包括安裝塊,外閥,連內(nèi)閥,安裝塊的兩側(cè)活動(dòng)連接有固定釘,安裝塊的兩側(cè)固定內(nèi)嵌有傳感器,安裝塊的頂部轉(zhuǎn)動(dòng)連接有蓋板,蓋板頂部固定安裝有指示燈,安裝塊的內(nèi)部中間活動(dòng)安裝有外閥,該調(diào)節(jié)閥門(mén)通過(guò)傳感器對(duì)連接對(duì)連接進(jìn)行監(jiān)控,閥門(mén)與管道之間緊密連接和非緊密連接情況下的傳感器的氣壓值相差很大,再通過(guò)指示燈進(jìn)行體現(xiàn),以此提示工作人員閥門(mén)與管道連出現(xiàn)問(wèn)題,是工作人員能夠快速,準(zhǔn)確的進(jìn)行維修,減少了工作人員檢查故障時(shí)間,提升了維修效率,通過(guò)內(nèi)閥對(duì)管道流量進(jìn)行精控,內(nèi)閥活動(dòng)連接于外閥內(nèi)部,方便對(duì)其拆裝,維護(hù)及更換.
綜合故障原因，除更換氣動(dòng)定位器、定期給各聯(lián)軸節(jié)軸承加注耐高溫潤(rùn)滑脂外，另引一路氣源直接給電磁閥供氣，并將電磁閥更換成大通量、低功耗閥，提高控制氣壓力，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)四個(gè)氣控閥均能正常切換，問(wèn)題得到圓滿(mǎn)解決。
5 化工合成氨裝置氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥故障解決方案結(jié)語(yǔ)
據(jù)了解，十多年來(lái)，我國(guó)合成氨裝置先后經(jīng)過(guò)油改煤、煤改油、油改氣和無(wú)煙煤改粉煤等多次反復(fù)的原料路線改造和節(jié)能改造，先后在烴類(lèi)蒸汽轉(zhuǎn)化工段、變換工段、脫碳工段、控制系統(tǒng)等進(jìn)行了數(shù)十項(xiàng)大型改造。其中造氣爐、爐況監(jiān)測(cè)與系統(tǒng)優(yōu)化、脫硫系統(tǒng)等技改始終是重點(diǎn)。但是，由于裝置原料路線、資源供應(yīng)、運(yùn)輸、資金與技術(shù)成熟度等諸多方面原因，合成氨節(jié)能技術(shù)改造的效果始終未能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。到2004年底，合成氨單位能耗平均為1700千克標(biāo)煤／噸，噸氨平均水平與水平相差600～700千克標(biāo)煤。
大修將PV－03048B、PV－03048A、AV－03010進(jìn)行了控制氣路改造，改造后開(kāi)車(chē)控制氣路均切換控制正常，閥門(mén)動(dòng)作自如。經(jīng)過(guò)近一年的生產(chǎn)運(yùn)行實(shí)踐，這三臺(tái)閥門(mén)工作正常，至今沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)一次故障。這種改造簡(jiǎn)單易行、成本低、實(shí)用性強(qiáng)，為合成裝置其他控制閥故障排除摸索出一條新路。
