王鑫

(華陸工程科技有限責任公司，西安 710065)

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費托合成裝置放空系統(tǒng)的自控設計方案

王鑫

(華陸工程科技有限責任公司，西安 710065)

介紹了費托合成反應器在超溫、汽包液位過低等緊急情況下，為了降低內在壓力并且減緩或停止反應而需要的放空控制方案的設計原則。詳細介紹了該特殊工況中控制閥、切斷閥的選型要點，為了保證閥的密封性和抗腐蝕及抗沖刷能力，著重說明了閥體材質選擇的重要性，閥體加工過程中需要特殊處理的方法。應用表明： 放空系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，操作維護方便。

費托合成裝置緊急放空氣動控制閥氣動切斷閥

1　概　述

在煤間接液化工藝中，費托合成裝置是將合成氣液化成油的核心工段。此工藝過程大致分為三個部分： 烴類產(chǎn)品收集系統(tǒng)、石蠟收集及反沖系統(tǒng)、反應余熱利用系統(tǒng)，其主要工藝流程如圖1所示。其中烴類產(chǎn)品收集系統(tǒng)是將反應產(chǎn)生的主要產(chǎn)品收集并送至煉油工段的主要工藝過程。為保證運行安全，設置了不同方式的安全措施，聯(lián)鎖放空就是其中非常重要的一種措施。

2　費托合成放空系統(tǒng)的特點

費托合成反應器中，在壓力2.4MPa，溫度240℃的條件及催化劑的作用下，將氣化工段送過來的合成氣通過合成反應液化成高低溫冷凝物、石蠟及其他副產(chǎn)物；未反應的合成氣和生成的氣態(tài)副產(chǎn)物通過反應器上端的氣相出口送至二級反應器進一步反應。在此過程中不管是由于一些不可控的因素導致的反應速度加快，還是汽包中的鍋爐水不足的情況下，有可能導致反應熱量無法及時移出，都會導致反應器溫度過高而引起反應速度加快；而費托合成反應又是一個劇烈放熱反應，從而使反應器飛溫失控，將引發(fā)非常嚴重的后果。因此，在反應器溫度過高情況下，需要對反應器進行緊急停車以保證裝置安全。聯(lián)鎖動作包括切斷反應器進料以降低反應速度和降低系統(tǒng)壓力，以免設備在過高溫度狀態(tài)下發(fā)生爆炸事故。降低系統(tǒng)壓力的措施是將系統(tǒng)中的氣態(tài)介質通過緊急放空系統(tǒng)向火炬系統(tǒng)泄放，但是如果將所有氣體全部放掉，合成反應器中的漿態(tài)介質就有可能被帶入下游裝置，對下游裝置及反應器本身造成很大的損害。因此，需要將放空動作發(fā)生后的系統(tǒng)壓力穩(wěn)定于1.0MPa，以避免造成進一步的危害和經(jīng)濟損失。該過程中放空氣內含有各類氣態(tài)有機物、大量的氫氣以及粉型顆粒。

3　控制方案設計

傳統(tǒng)的緊急放空形式和手段多種多樣，最常用的方案有使用1路切斷閥和限流孔板組合進行放空控制。該種方案由于有限流孔板的加入，雖然可以穩(wěn)速放空，但是對前系統(tǒng)的壓力沒有穩(wěn)定作用，會造成前系統(tǒng)壓力波動，且限流孔板的加入又限制了泄壓速度，無法滿足聯(lián)鎖動作發(fā)生后系統(tǒng)迅速泄壓并穩(wěn)壓于1.0MPa的工藝要求。還有的方案使用2路切斷閥并聯(lián)進行快速放空，該種方案雖然能迅速降低系統(tǒng)壓力，但是會對前系統(tǒng)造成更大的壓力波動，因而不能采納。也有使用1路控制閥來實現(xiàn)放空控制的方案，但是該種方案又無法滿足放空回路的嚴密關斷要求，并且一般此閥門的控制常做成HIC手動控制放空速度，在合成聯(lián)鎖動作發(fā)生時，操作人員會因為需要操作的動作過多產(chǎn)生誤操作，引起不必要的設備和經(jīng)濟損失。因此，需要設計出1套新的方案以滿足以上所有要求。

圖1　費托合成裝置流程示意

總體上筆者采取了1個控制閥和1個切斷閥串聯(lián)的方式來滿足工藝需要，如圖2所示。正常操作情況下，電磁閥XV-001和PV-001B處于關閉狀態(tài)，整個系統(tǒng)處于PIC-001A的控制中，將壓力穩(wěn)定于2.4MPa。在聯(lián)鎖放空動作發(fā)生時，XV-001電磁閥失電，PV-001A電磁閥失電，并改為手動，切斷進入壓縮機的合成氣。閥PV-001B開度強制打至100%，并將控制改為手動，使合成氣迅速向火炬系統(tǒng)緊急泄壓;當壓力值低于1.2MPa時，閥PV-001B與PT-001組成的放空狀態(tài)壓力調節(jié)回路PIC-001B介入控制，閥PV-001B的控制方式改為自動，控制向火炬系統(tǒng)的合成氣泄放量，使整個系統(tǒng)穩(wěn)定于1.0MPa的壓力。

4　費托合成放空系統(tǒng)自控方案

4.1檢測儀表的選擇

如圖2所示，參與放空系統(tǒng)聯(lián)鎖動作的檢測儀表由反應器溫度測量元件、汽包液位測量元件以及高壓分離器壓力測量元件組成。反應器的溫度測量元件采用鎧裝鉑熱電阻，考慮到反應器中的介質處于運動狀態(tài)，其插入深度不宜太長，通過對套管共振頻率的計算，確定使用400mm的插入深度。考慮到反應器體積比較大，有可能出現(xiàn)催化劑堆積導致局部溫度上升，因而全反應器共設48個溫度測量點，采取48取3的方式來判斷反應器是否發(fā)生溫度過高的情況。汽包液位采取三沖量調節(jié)控制方式，其液位主測量元件為2塊差壓變送器，輔以1塊磁致伸縮液位變送器，在正常操作過程中3塊儀表測量數(shù)據(jù)取中值進行控制，聯(lián)鎖動作發(fā)生時，3塊儀表組成“2oo3”的表決邏輯結構進行邏輯判斷。由于高壓分離器中的氣相介質組成較復雜，其中含有許多酸性成分，因而分離器的壓力采用隔膜密封式壓力變送器進行測量。為了應對固體粉末對取壓口的堵塞可能，膜片結構采取插入式結構。由于高壓分離器中含有大量氫氣，因而膜片為了防止氫氣滲透現(xiàn)象需做鍍金處理。

4.2控制系統(tǒng)方案

為了滿足工藝過程對放空環(huán)節(jié)的聯(lián)鎖及控制要求，采用安全儀表系統(tǒng)(SIS)來執(zhí)行聯(lián)鎖動作。根據(jù)IEC 51508和IEC 61511規(guī)定，為了保證SIS能夠正常地執(zhí)行安全功能，必須確定合理的安全完整性等級(SIL)，有效地評估功能安全，避免SIS的拒動作與誤跳車。

由于放空系統(tǒng)的聯(lián)鎖動作是在SIS動作發(fā)生后，并向DCS發(fā)出信號，由DCS完成后續(xù)控制，因而SIS和DCS之間需要進行信號通信。該項目采取硬線連接的方式，并且為防止柜間接線松動所導致的信號傳輸失誤，每組硬接線由3根物理線組成，形成“三取二”的冗余結構。SIS獨立于DCS設置，可與DCS通過硬接線進行通信，并控制DCS相應回路在聯(lián)鎖動作發(fā)生時進行切換，但DCS不能通過數(shù)據(jù)鏈向SIS寫入數(shù)據(jù)。SIS采用冗余電源，由獨立的雙路配電回路供電。

圖2　放空系統(tǒng)串聯(lián)控制方式

4.3閥門的選擇

4.3.1控制閥的選擇

在控制閥的選擇上，一般放空系統(tǒng)經(jīng)常使用籠式單座閥的結構形式，以減小放空閥門前后大差壓對閥門造成的負荷和形成的噪音。但是單座閥在大口徑管道上的應用會造成執(zhí)行機構體積過大，并且制造成本太高的問題，因而在此位置選用三偏心蝶閥。三偏心蝶閥在全行程調節(jié)性能上不如單座閥，但是在放空系統(tǒng)壓力調節(jié)的過程中，可以將閥門開度控制于三偏心蝶閥調節(jié)曲線較好的區(qū)間內；對于噪聲過大的問題，可以使用相關的降噪元件來解決。因此，三偏心蝶閥完全可以滿足此處的需求。

考慮到此閥門是該裝置中使用條件要求非常苛刻的高壓控制閥門，必須保證閥門有可靠的調節(jié)性能，同時閥內件要滿足耐磨蝕、防顆粒抱死、抗氣蝕、閃蒸等苛刻工況，因而三偏心蝶閥閥板材質選用不銹鋼CF8M。由于閥板長期暴露在流道中，為了防止高速介質對密封面的損傷，所以閥板邊緣用鈷基合金進行硬化處理，以保護密封副并延長使用壽命?？紤]高壓及高壓降工況，該閥門依據(jù)工藝壓力參數(shù)計算選擇自對中可拆卸閥內件。內件材料選擇基材不銹鋼加鈷基合金硬化，閥桿選擇不銹鋼

硬化鉻，更好地滿足高壓耐磨抗腐蝕及部分氫氣介質的氫脆等問題的要求。

4.3.2切斷閥的選擇

控制閥雖然選擇了特殊結構設計的三偏心蝶閥，但是因其自身的結構弱點，在放空動作發(fā)生后依然有可能被固體介質劃傷密封面從而導致密封等級達不到CLASSⅥ的密封要求，因而需要在控制閥前設置一道能夠更好耐受固體介質沖刷的切斷閥來對整個放空回路進行嚴密關斷。通常放空使用的切斷閥有球閥和雙平行閘板閥兩種選擇。鑒于此處所需閥門的特殊性及重要性，考慮到球閥的加工及使用條件限制較多，因而選用雙平行閘板閥。

雙平行閘板閥作為放空切斷閥，具有結構上的優(yōu)勢。采用兩片分離式閥板，中間用彈簧結合在一起，這種結構在關閉瞬間利用流體壓差自密封，減少楔形密封面和閥座之間的硬磨擦，可延長閥板使用壽命，并且具有溫度膨脹吸收作用，避免閥板卡死。為防止介質腐蝕，閥體做NACE 處理。閥內件堆焊硬質合金，增加閥門臨界質部分的硬度，提升了抗沖刷能力。

5　結束語

放空系統(tǒng)是保護工藝設備和人員安全的重要手段，系統(tǒng)在設計、選型、使用和維護過程中需要嚴格遵守安全標準和設計規(guī)范。該項目自投產(chǎn)以來，放空系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠、操作維護方便，使企業(yè)人身安全和環(huán)境安全得到充分的保障。

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Automatic Control Scheme of Fischer-Tropsch Synthesis Installation Blow-down System

Wang Xin

(Hualu Engineering & Technology Co. Ltd.， Xi’an， 710065， China)

Abstracts： During emergency situation of over temperature or low level of boiler drum， the design principle of blow-down control scheme for reducing inner pressure， and slowing down or stopping reaction is introduced. The key points for control valve and shot-down valve type selection under special working condition are described in detail. The importance of valve material selection and means for special treatment during valve body manufacture process are stressed to ensure valve’s capability of tightness， corrosiveness resistance and anti-scouring. Application indicates blow-down system is stable and reliable with easy maintenance.

Fischer-tropsch synthesis installation；emergency blow-down；pneumatic control valve；pneumatic on-off valve

王鑫(1983—)，男，陜西西安人，2006年畢業(yè)于西安電子科技大學自動化專業(yè)，現(xiàn)就職于華陸工程科技有限責任公司電控室，從事自控儀表工程設計工作，任工程師。

TP273

B

1007-7324(2016)04-0034-03

稿件收到日期： 2016-03-22，修改稿收到日期： 2016-06-10。