超大型空分設備配套閥門的選型與分析
分析了超大型空分設備在工藝設計上的特殊性，介紹了閥門選型上不同于常規(guī)空分設備的一些設計改變，論述了充分考慮空分設備安全性前提下全面合理選擇閥門，既為空分設備提供了可靠的技術保證，又可以降低建造成本。
1、超大型空分設備系統概述
超大型空分設備由空氣壓縮系統、大型空氣預冷系統、特大型分子篩純化系統、空氣增壓系統、增壓透平膨脹機系統以及特大型精餾系統和換熱系統等組成。由于配套的單元設備尺寸大，制造工藝要求高，其配套閥門選型尤為重要，其直接關系到生產安全、系統調節(jié)性能、產量質量和投資費用。
2、超大型空分設備配套閥門的選型選型
超大型(12萬m3/h) 空分設備工藝流程復雜(圖1) ，其所用閥門不是簡單復制擴大常規(guī)空分設備用閥門，因此在設計選型方面需要全面整體考慮，才能使空分裝置操作方便、控制容易，能夠長期安全穩(wěn)定地運行。
(1) 預冷系統
空分設備上的預冷系統控制空冷塔液位的閥門(LV500401) 通常選用套筒單座調節(jié)閥( 圖2) ，該閥可以避免循環(huán)水雜質堵塞，流體壓力平衡式閥芯結構具有大容量、動態(tài)穩(wěn)定性優(yōu)良的特點，是適合苛刻工作條件的高性能調節(jié)閥，不會因流體對閥桿作用力不均衡而損壞閥桿。調節(jié)閥有等百分比和線性流量特性，能夠很好滿足液位調節(jié)的要求。常規(guī)及大型空分設備一般選用≤DN300 的調節(jié)閥實現控制要求。但是超大型空分設備工藝參數計算的CV值太大，需要選用DN450 套筒單座閥，其造價過高�？紤]空冷塔容積較大，液位變化較緩并且滯后，對調節(jié)性能要求較低，真空技術網(http://genius-power.com/)認為可以改用DN400 高性能蝶閥替代套筒單座閥，滿足了液位調節(jié)的要求。
(2) 分子篩系統
分子篩系統的切換閥選用三桿閥( 圖3，ORBINOX)，尺寸分別為DN1600 和DN 1400，閥門阻力小于1kPa，利于空分設備節(jié)能。分子篩吸附器處理空氣量約61 萬m3/h，如果發(fā)生沖床事故，處理分子篩填料會非常麻煩，對生產帶來嚴重后果。閥門最大開啟壓差設置為15kPa，如果閥門前后壓差超過設定值，將不能開啟，有效防止了沖床事故的發(fā)生。
圖1 12 萬m3 /h 等級空分設備工藝流程
圖2 套筒單座調節(jié)閥
圖3 三桿閥
分子篩系統均壓閥( HV500607) 采用直通全徑固定球球閥。根據計算的閥門CV值分析，需要選用DN300 的球閥。由于大口徑球閥在小開度時介質流量較大流速過快，對床層沖擊力較大，而且成本高，改用口徑分別為DN200 和DN150 的球閥，這種配置降低了氣體對分子篩床層的沖擊力，并且均壓時間可以控制在合理范圍內。分子篩加熱器選用蒸汽加熱器，污氮氣經過加熱器加熱后溫度最高達到250℃，故而球體雙向密封環(huán)選用耐250℃的高溫碳纖維強化聚四氟乙烯。
分子篩系統冷吹閥( HV500617) 選用帶智能定位器的DN1 000 蝶閥( 圖4) ，閥門設計為開關特性，帶機械調節(jié)螺釘，閥門在40° ～ 90°范圍最大開度可調。因為分子篩加熱階段，污氮氣經過加熱器加熱。由于加熱管路較長，并且分子篩吸附器的水分析出，因此加熱時管路阻力較大，精餾塔上塔壓力較高。加熱階段結束，進入冷吹階段，污氮氣不經過加熱器管路直接進分子篩吸附器，因此管路阻力顯著減小，由于阻力變小，導致精餾塔上塔壓力顯著變小，精餾塔工況發(fā)生劇烈波動。為保證空分工況穩(wěn)定，冷吹閥門需要加上機械調節(jié)螺釘，限制開度，將加熱和冷吹階段管路阻力調節(jié)到盡量平衡狀態(tài)。對于超大型空分設備，由于加熱器為4 臺蒸汽加熱器，設備較多，所以冷吹閥不再應用開關閥，取消機械定位銷，而使用智能定位器替代定位銷，保證加熱階段轉換到冷吹階段時，閥門根據空分工況變化自動開到一定開度，保持上塔阻力穩(wěn)定，從而使精餾塔工況不會發(fā)生較大波動。
圖4 智能蝶閥
(3) 精餾塔系統
空分設備精餾塔下塔液氮回流閥(HV501511A/B) 通常由蝶閥組成，控制下塔的回流比。由于蝶閥為近似等百分比特性，調節(jié)線性度差，而超大空分設備的精餾塔下塔容器較大，在回流量特別大情況下，下塔精餾工況依靠蝶閥較難穩(wěn)定，所以選用蝶閥和調節(jié)閥。利用調節(jié)閥優(yōu)良的線性調節(jié)性能，能夠使下塔較快達到工況所需的回流比，建立精餾工況。液氮分成兩路回流，選用蝶閥( 277DB200) 和低溫角(363CJ200) 。低溫角式單座調節(jié)閥( 圖5) 比蝶閥調節(jié)性能好，對下塔工況調節(jié)比蝶閥穩(wěn)定。
(4) 氧氣輸送系統
出冷箱氧氣產品分兩路從氧氣管網送出，氧氣閥門( HV501201 和HV501202) 的選取關鍵在于氧氣流速的限制和閥門材質的選取，文獻中指出，管道中氧氣的最高允許流速，根據管道材質和工作壓力，不應超過規(guī)定，3. 0MPa < p≤10. 0MPa。不銹鋼材質，適用于p × v≤15MPa·m /s 撞擊場合或p× v≤80MPa·m /s 非撞擊場合。最高允許流速v是指管系最低工作壓力與最高工作溫度時的實際流速，銅及銅合金( 含鋁銅合金除外) 和鎳及鎳銅合金，在小于或等于21. 0MPa 條件下，流速在壓力降允許時沒有限制。當0.6MPa < p≤10.0MPa，閥門材質選用不銹鋼，銅合金或者不銹鋼與銅合金的組合，鎳和鎳合金。閥門可以視為節(jié)流的管道元件，按照這個規(guī)定選擇閥門材質。閥門通常選用蒙乃爾合金，其純氧下燃點450℃以上，具有阻燃防爆特點。蒙乃爾合金是鎳基耐蝕合金中的鎳銅系合金，典型成分是70%Ni 和30%Cu，既具有較高的強度和韌度，又具有優(yōu)良的抗還原酸及強堿介質和海水等腐蝕的性能。
圖5 低溫角式單座調節(jié)閥
氧氣輸送閥的閥前壓力4. 69MPa，考慮到氧氣輸送到管網的安全性，選用DN300 氣動薄膜套筒調節(jié)閥。閥門前后壓差0. 02MPa，閥體選用不銹鋼，閥芯、閥座和套筒材質選用蒙乃爾合金。送出閥旁通閥選用DN40 氣動薄膜套筒調節(jié)閥，計算流速≥15m /s，故閥體以及閥內件全部選用蒙乃爾合金。氣動薄膜套筒調節(jié)閥使用流體壓力平衡閥芯，閥芯有2 個小孔，使閥芯上下腔流體壓力平衡，閥桿受力均勻，調節(jié)快速穩(wěn)定，防止閥桿在高壓下被頂開或受損，避免了調節(jié)時產生振動。氧氣放空閥( PV501203) 前后壓差3. 59MPa，氧氣流速快，閥體以及閥內件選用蒙乃爾合金，閥后設置銅合金阻火器。
(5) 循環(huán)系統
超大型空分設備為內壓縮流程，3 臺循環(huán)液氧泵。液氧泵回流閥( PV501603A /B /C ) 閥前壓力0. 74MPa，閥門前后壓差0. 55MPa，選用低溫角式調節(jié)閥，閥內件是V 形單座形式。由于液體回流閥前后壓差大，易產生閃蒸和氣蝕，因而閥芯材料為司太萊合金，閥座材料為不銹鋼整體堆焊鈷基硬質合金。V - PORT 閥芯能夠對流入液體起到分流作用，因此耐高壓差，降低氣蝕對閥芯的損壞。
給液氧產品加壓到管網壓力要求值，需要高壓液氧泵，其回流閥( PV501403A/B/C ) 閥前壓力4.77MPa(A) ，閥門前后壓差4. 29MPa。選用多級降壓式套筒導向型調節(jié)閥，流體壓力平衡型閥芯，閥芯、閥座和多級套筒均選用蒙乃爾合金，控制流經閥內件的流體速度，大幅降低噪聲，有效防止液體產生的氣蝕現象。
循環(huán)液氧泵進口閥(UV501601A /B /C) 選用低溫三偏心蝶閥，閥門前后壓差0. 002MPa。進口為鋁法蘭，出口為不銹鋼法蘭，能夠實現快速關斷功能，保證緊急狀況下液氧泵和空分設備的安全。高壓液氧泵進口閥(UV501401A /B /C) 也選用低溫三偏心蝶閥。
高壓空氣節(jié)流閥(HV501015A ) 閥前壓力7.15MPa，閥門前后壓差6.55MPa。選用低溫角式多級降壓調節(jié)閥(776CJ150Ma) ，閥芯采用多級帶孔套筒形式，迷宮結構，流體介質通過迷宮套筒，降低流速，有效降低流體產生閃蒸和氣蝕現象的發(fā)生。閥芯不銹鋼部分堆焊硬質合金，閥座整體堆焊硬質合金，閥芯外環(huán)繞一圈防塵不銹鋼罩，可以有效防止雜質堵塞閥芯。
3、結語
超大型空分設備配套閥門的設計選型在保證安全的前提下，應同時考慮工藝流程調節(jié)穩(wěn)定性，配套成本和能源消耗等因素，在應用實踐中再進一步檢驗閥門的使用效能。
