自控回流閥在乙烯熱電聯(lián)產(chǎn)裝置的應(yīng)用及改進

　　探討了乙烯項目熱電聯(lián)產(chǎn)裝置高壓鍋爐給水泵起最小流量保護作用的國產(chǎn)自控回流閥在開工生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的振動問題，通過理論計算結(jié)合實際解體檢查情況分析了故障原因，并以此為依據(jù)提出了相應(yīng)的改進方案。

1、概述

　　中石化武漢分公司80 萬t /年乙烯裝置( 武漢乙烯，后同) 是國內(nèi)新建的大型乙烯項目之一，是以乙烯制造為主導(dǎo)產(chǎn)品，以裂解汽油加氫、丁二烯抽提、芳烴抽提、高密度聚乙烯及線性低密度聚乙烯等工藝裝置和配套聯(lián)合生產(chǎn)的綜合型項目。熱電聯(lián)產(chǎn)裝置是武漢乙烯配套建設(shè)的重要裝置之一，共設(shè)置3 臺360t /h 循環(huán)流化床( CFB) 鍋爐，不僅為乙烯裝置生產(chǎn)提供超高壓、高壓以及中壓蒸汽，還根據(jù)蒸汽平衡，合理利用高品位的蒸汽發(fā)電，以節(jié)約能源并為乙烯裝置提供必要的電力。真空技術(shù)網(wǎng)(http://genius-power.com/)根據(jù)總體設(shè)計，熱電聯(lián)產(chǎn)裝置設(shè)計運行時間為8kh / 年。

2、系統(tǒng)介紹

　　熱電聯(lián)產(chǎn)裝置共設(shè)置3 臺CFB 鍋爐，供水用高壓鍋爐給水泵為三開一備。鍋爐給水設(shè)計壓力泵出口壓力為20. 6MPa。采用了自控回流閥用于最小流量保護，閥門安裝在泵出口，泵閥具體工況如表1所示，整體系統(tǒng)組成如圖1 所示。

表1 泵閥工況數(shù)據(jù)

　　自控回流閥是一種自力式的三通式閥門，其主路敏感工藝流量，隨主路流量調(diào)整止回閥瓣開度，并自行控制旁路的開閉，以保證泵出流量在任何時間均不低于其最小需求流量。閥門為3 種工作狀態(tài)。

　　(1) 旁路狀態(tài)主路為完全關(guān)閉，止回閥防止主路介質(zhì)倒流回泵，旁路通過多級減壓結(jié)構(gòu)保證系統(tǒng)即管道內(nèi)無汽蝕出現(xiàn)。

　　(2) 主路狀態(tài)旁路為完全關(guān)閉，旁路在高壓差下實現(xiàn)可靠密封，主路止回閥根據(jù)流量需求自行調(diào)整開高。

　　(3) 切換狀態(tài)主、旁路均完全開啟，由于工藝需求流量低于泵的最小需求流量，因此需要旁路部分開啟以補足剩余流量，此狀態(tài)為自控回流閥最苛刻的運行狀態(tài)。

圖1 鍋爐給水泵最小流量保護系統(tǒng)

3、問題分析

　　為了節(jié)省乙烯項目蒸汽管網(wǎng)的吹掃時間并保證吹掃效果，該項目采用了蓄能降壓和穩(wěn)壓相結(jié)合的吹掃方式。蓄能降壓時所需鍋爐流量為2min 內(nèi)從20t /h 快速增加至200t /h，因此自控回流閥工作處于不斷的快速切換狀態(tài)。裝置運行后，1 號泵和4號泵的旁路先后出現(xiàn)劇烈振動的現(xiàn)象，具體表現(xiàn)為當(dāng)工藝需求流量降低至140t /h 時，旁路管線開始振動，閥內(nèi)產(chǎn)生錘擊音，繼續(xù)降低流量則振動加劇，整個設(shè)備運行處于危險狀態(tài)，高于此流量振動消失。自控回流閥的旁路通過引入多級減壓結(jié)構(gòu)，使得系統(tǒng)壓力在每一級上均勻降低，從而使任意一級縮流斷面處的壓力均不低于當(dāng)?shù)仫柡驼羝麎�，從而避免閥內(nèi)汽蝕的發(fā)生( 圖2) 。

　　多級減壓結(jié)構(gòu)是否滿足工況設(shè)計可由需求壓力恢復(fù)系數(shù)表示。壓力恢復(fù)系數(shù)定義為

　　式中Pvc為閥門產(chǎn)生阻塞流時縮流斷面的壓力( 最低壓力) ，其與飽和蒸汽壓Pv的關(guān)系為

　　式中FF為液體臨界壓力比系數(shù)，這是一個與液體特性有關(guān)的無量綱數(shù)

　　式中Pv和Pc分別為介質(zhì)的飽和蒸汽壓和熱力學(xué)臨界壓力。在本文討論的范圍內(nèi)，前者是溫度的單值函數(shù)，后者完全是常量。已知所用自控回流閥的旁路壓力恢復(fù)系數(shù)為0. 997，將運行期間的冷熱態(tài)工況代入式( 1) ～ ( 3) ，得出不同工況下的需求壓力恢復(fù)系數(shù)( 表2) 。

表2 不同工況下壓力恢復(fù)系數(shù)需求對比

圖2 多級減壓防汽蝕原理

　　分析結(jié)果得出，自控回流閥旁路并未達到阻塞流工況，排除了汽蝕引起振動的可能性。為進一步解決問題，對自控回流閥旁路進行了現(xiàn)場分解。結(jié)果表明，自控回流閥旁路多級減壓閥芯( 圖3) 無汽蝕現(xiàn)象。但是，用于隔絕高低壓腔的活塞動密封完全失效，活塞及控制器蓋出現(xiàn)較嚴(yán)重的沖蝕痕跡( 圖4) 。初步確定振動故障是由動密封失效引起。動密封失效后，高壓介質(zhì)經(jīng)由活塞與控制器蓋的配合間隙進入，在局部形成阻塞流，沖蝕零件并誘發(fā)局部汽蝕，從而引起旁路閥腔的壓力振蕩，進一步引發(fā)旁路閥芯反復(fù)竄動，而引起系統(tǒng)振動。

4、改進分析

　　經(jīng)了解，該閥門活塞動密封處由梯形硬環(huán)和O形圈形成的組合密封( 圖5) ，可以兼具O 形圈的可靠和PTFE 硬環(huán)的低摩阻特點，且適用于雙向密封，可以應(yīng)用于相對運動速度小于15m /s 的動密封場合。GLYD 圈的具體使用一般是給定的溝槽尺寸及孔桿配合尺寸，由成品安裝。分析認為，該溝槽尺寸不合理是導(dǎo)致故障的主要原因。

(a) 多級閥芯(b) 多級閥座

圖3 自控回流閥旁路分解

圖4 活塞動密封失效

圖5 GLYD 圈密封機理

　　圖6( a) 為改進前活塞動密封結(jié)構(gòu)�；钊�軸部溝槽為GLYD 圈安裝位置，其中缸孔與活塞桿的配合間隙按GLYD 圈推薦值設(shè)置，在20MPa 壓力時為0. 3mm。活塞由于受到左端杠桿的作用，使得活塞頭部始終存在向上分力，進而導(dǎo)致活塞與缸孔的間隙配合向上偏移，此時GLYD 圈上下兩側(cè)間隙不均等，一側(cè)幾乎為0，而另一側(cè)則可達0. 5 ～ 0. 6mm，在此壓力下，GLYD 圈硬環(huán)本身容易被擠出，加之實際吹掃工況旁路動作較為頻繁，使得作為消耗品的GLYD 圈硬環(huán)加劇磨損，最終從該處出現(xiàn)泄漏，產(chǎn)生局部汽蝕。

　　活塞動密封配合結(jié)構(gòu)改進后，將孔桿配合間隙改為H8 /f7 等級，將GLYD 圈溝槽位置后移，進一步減小杠桿力引起的兩側(cè)間隙不均等效應(yīng)，改進后結(jié)構(gòu)如圖6( b) 。

(a) 改進前(b) 改進后

圖6 活塞動密封配合結(jié)構(gòu)

5、結(jié)語

　　通過對自控回流閥運行的機理分析及旁路受力分析，確定了鍋爐給水泵系統(tǒng)振動故障的原因，在此基礎(chǔ)上對結(jié)構(gòu)設(shè)計進行了局部改進，同時對關(guān)鍵部件進行了備用處理，以確保熱電裝置的長周期正常運行。近期試車結(jié)果表明改進手段合理，自控回流閥運行可靠，可有效地實現(xiàn)鍋爐給水泵的最小流量保護。在熱電聯(lián)產(chǎn)裝置的可靠運行保證下，武漢乙烯項目已投料成功，未發(fā)生同類問題，取得了較好的結(jié)果。