林萬(wàn)洲 侯開(kāi)紅 蘇曉杰

（中國(guó)石油西南油氣田 川東北作業(yè)分公司羅家寨生產(chǎn)作業(yè)區(qū)設(shè)施工程中心）

0 引言

某高含硫天然氣凈化廠硫磺回收裝置由荷蘭Jacobs公司承擔(dān)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，共有3套相同規(guī)模的硫磺回收裝置，分別與3套脫硫裝置匹配。該裝置采用二級(jí)轉(zhuǎn)化常規(guī)克勞斯（Claus）工藝，設(shè)計(jì)硫回收率為93.4%，單套裝置硫磺產(chǎn)量約為402.8 t/d（最大約為460 t/d）。硫磺回收裝置中一級(jí)再熱器通過(guò)中壓蒸汽（4.0 MPa，252 ℃）對(duì)來(lái)自一級(jí)硫磺冷卻器的過(guò)程氣加熱，升溫后的過(guò)程氣進(jìn)入一級(jí)反應(yīng)器，換熱后的蒸汽進(jìn)入一級(jí)再熱器出口設(shè)置的兩組并聯(lián)的雙金屬片式疏水閥，實(shí)現(xiàn)蒸汽的自動(dòng)阻汽排水。

1 基本情況

硫磺回收裝置中，該疏水閥用于一級(jí)再熱器設(shè)備疏水，工藝所需排量為2 450 kg/h（工況為4.0 MPa、252 ℃）。一級(jí)再熱器的過(guò)程氣進(jìn)、出口設(shè)計(jì)溫度分別為193、246 ℃，蒸汽進(jìn)、出口溫度設(shè)計(jì)為252 ℃。疏水閥選用熱靜力雙金屬片式疏水閥，一級(jí)再熱器出口設(shè)置了兩組并聯(lián)雙金屬片式疏水閥。

雙金屬片式疏水閥的基本原理是通過(guò)溫度來(lái)決定疏水閥的開(kāi)閉，使用雙金屬作為感溫元件，根據(jù)蒸汽和凝結(jié)水的溫差來(lái)達(dá)到開(kāi)閉疏水閥的目的[1]，該閥門(mén)主要由閥體、閥蓋、閥座、閥瓣、閥桿和雙金屬片等組成。疏水閥開(kāi)始工作時(shí)，凝結(jié)水在低溫狀態(tài)下進(jìn)入疏水閥，閥孔開(kāi)啟，所有低溫凝結(jié)水及大量進(jìn)入疏水閥的空氣排出。當(dāng)凝結(jié)水溫度升高到一定程度后，雙金屬片就會(huì)受熱變形產(chǎn)生作用力，當(dāng)作用力大于疏水閥內(nèi)壓力時(shí)，閥瓣就會(huì)關(guān)閉，閥門(mén)終止排水。當(dāng)凝結(jié)水在管道內(nèi)散熱且溫度下降后，雙金屬片的變形程度也減小，當(dāng)作用力小于疏水閥內(nèi)的壓力時(shí)，閥瓣重新打開(kāi)，凝結(jié)水被排出。

2 閥門(mén)故障

經(jīng)查，出現(xiàn)故障的雙金屬片式疏水閥共6只，型號(hào)為SH900FG(L)，疏水閥具有內(nèi)置過(guò)濾器，最高工作壓力為4.48 MPa，最高允許壓力為6.20 MPa。當(dāng)疏水閥發(fā)生故障時(shí)，需將3臺(tái)一級(jí)再熱器的疏水閥閥前甩頭開(kāi)啟用于排水，方能維持過(guò)程氣溫度≥201 ℃，未開(kāi)閥前甩頭排水時(shí)過(guò)程氣溫度僅約190 ℃。而一級(jí)反應(yīng)器設(shè)計(jì)進(jìn)口溫度為246 ℃，一級(jí)再熱器出口溫度過(guò)低時(shí)，硫磺回收轉(zhuǎn)化率偏低，硫磺產(chǎn)量降低，使尾氣處理裝置的酸性氣增加，SCOT負(fù)荷增大，排放的尾氣中SO2含量增加，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)造成尾氣排放超標(biāo)。同時(shí)，凝結(jié)水經(jīng)閥前甩頭排出，現(xiàn)場(chǎng)采用臨時(shí)接水槽將水引入排污系統(tǒng)，這增加污水處理負(fù)荷，造成水資源、能量浪費(fèi)。這也不符合GB/T 12712—1991《蒸供熱系統(tǒng)凝結(jié)水回收及蒸汽疏水閥技術(shù)管理要求》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的用汽設(shè)備產(chǎn)生的凝結(jié)水必須回收，且回收率不得小于60%的規(guī)定[2]。

3 原因分析

3.1 操作排查

為了確認(rèn)故障疏水閥的實(shí)際工作狀態(tài)，將6只疏水閥均通過(guò)開(kāi)啟疏水閥前切斷閥和閥后甩頭，關(guān)閉后切斷閥和閥前甩頭，來(lái)觀察疏水閥閥后甩頭的排水情況，結(jié)果排出的是均蒸汽，未見(jiàn)間歇性排出凝結(jié)水。但由于實(shí)際運(yùn)行時(shí)凝結(jié)水處于約252 ℃的飽和狀態(tài)，排出時(shí)瞬間系統(tǒng)壓力降低變?yōu)槌?，凝結(jié)水便開(kāi)始?xì)饣纬砷W蒸汽[3]。因此難以單從以上操作來(lái)判斷疏水閥是否處于正常狀態(tài)。

3.2 過(guò)濾器檢查

打開(kāi)一級(jí)再熱器的6只疏水閥的閥前Y型過(guò)濾器進(jìn)行檢查，除了1臺(tái)過(guò)濾器濾網(wǎng)堵塞外，其余濾網(wǎng)未發(fā)現(xiàn)被臟污堵塞的情況。復(fù)位后，關(guān)閉一級(jí)再熱器的所有疏水閥的前甩頭，恢復(fù)正常流程，一級(jí)再熱器過(guò)程氣出口溫度可在短期內(nèi)升至220 ℃左右，但無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間維持，溫度將逐漸下降，操作甩頭進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)排水后，過(guò)程氣溫度仍僅約為200 ℃。因此，基本可排除管線被堵塞造成換熱效果不佳的可能。

3.3 解體檢查

2017年-2019年期間，該裝置陸續(xù)更換了6只型號(hào)相同的新疏水閥，但新閥門(mén)投用后，一級(jí)再熱器出口過(guò)程氣溫度仍無(wú)明顯上升。對(duì)拆卸下來(lái)的舊閥進(jìn)行解體檢查，閥內(nèi)部件未見(jiàn)明顯損壞，雙金屬片存在一定銹蝕，內(nèi)置濾網(wǎng)較為干凈，如圖1所示。而換上新的疏水閥后，系統(tǒng)仍然達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，需打開(kāi)其中一只疏水閥的前甩頭，才能勉強(qiáng)維持過(guò)程氣溫度。

圖1 解體后的雙金屬片式疏水閥

3.4 廠家咨詢

咨詢廠家后可知，SH-900FG系列雙金屬片式疏水閥屬于過(guò)熱蒸汽疏水閥，無(wú)法排出飽和凝結(jié)水，只能排出過(guò)冷水（飽和水冷卻至飽和溫度以下10～40℃），因此開(kāi)機(jī)的時(shí)候閥前端會(huì)積水，待水冷卻后再打開(kāi)閥，這類閥門(mén)只能用于管線的過(guò)熱蒸汽疏水不能用于設(shè)備疏水。

4 改進(jìn)措施

據(jù)了解，并沒(méi)有適用于所有場(chǎng)合的通用型疏水閥，各種疏水閥的工作原理不同，應(yīng)用的場(chǎng)合也不相同[4]。一般認(rèn)為，最適合換熱器類設(shè)備疏水的閥門(mén)為機(jī)械型疏水閥，其能做到有水即排，保證設(shè)備或蒸汽輸送管道內(nèi)沒(méi)有積液，可使換熱設(shè)備的換熱效果達(dá)到最佳，并防止蒸汽管道內(nèi)存有積液，甚至造成水擊現(xiàn)象[5]。機(jī)械型疏水閥包括自由浮球式、倒吊桶式和杠桿浮球式等。

自由浮球式疏水閥是將空心浮球無(wú)約束地放置在疏水閥的閥體內(nèi)部，利用浮力原理，當(dāng)凝結(jié)水進(jìn)入疏水閥內(nèi)部時(shí)，空心浮球可以自由上升或下降，通過(guò)空心浮球和閥座孔的接觸來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)、閉閥動(dòng)作[6]。某品牌JH7.2R-B系列自由浮球式疏水閥的結(jié)構(gòu)如圖2所示，該閥門(mén)具備以下優(yōu)點(diǎn)：閥嘴始終低于凝結(jié)水液位，不會(huì)導(dǎo)致蒸汽泄漏；采用高精磨浮球，浮球全表面都與閥座的接觸，不會(huì)產(chǎn)生集中磨損，使用壽命較長(zhǎng)；頂部設(shè)置雙金屬片式自動(dòng)空氣排放閥，能排放低于100 ℃的空氣，可耐高溫，確保設(shè)備快速啟動(dòng)；配備可拆卸閥蓋、閥嘴，無(wú)需將整閥從管線上拆下，可實(shí)現(xiàn)在線維護(hù)。

圖2 自由浮球式疏水閥JH-B結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

查閱全廠蒸汽平衡圖得知，一級(jí)再熱器蒸汽出口凝結(jié)水排量需滿足2 450 kg/h（4.0 MPa，252 ℃），疏水閥背壓約為0.55 MPa，經(jīng)重新選型，確定選用JH7.2R-B型號(hào)（46閥嘴）的自由浮球式疏水閥，其排量-壓差曲線可見(jiàn)圖3。當(dāng)壓差為4.6 MPa時(shí)，疏水閥排量約為2 700 kg/h；當(dāng)壓差為3.45 MPa（實(shí)際最大壓差）時(shí)，排量接近2 500 kg/h。該疏水閥單只投用時(shí)，基本就能滿足裝置的設(shè)計(jì)要求。但常見(jiàn)疏水閥選用時(shí)，考慮正常的負(fù)荷情況下還必須考慮負(fù)荷安全系數(shù)（1.5），而換熱器的疏水閥安全系數(shù)推薦值為2[5]。2只自由浮球式疏水閥JH7.2R-B并聯(lián)投用，即可滿足管線的工藝要求。

圖3 JH7.2R-B疏水閥排量-壓差曲線

5 使用效果

據(jù)統(tǒng)計(jì)，JH7.2R-B疏水閥投用后，在其他工藝參數(shù)不變的情況下，過(guò)程氣經(jīng)一級(jí)再熱器后溫度差顯著增大，具體可見(jiàn)表1，過(guò)程氣溫度差為47～49 ℃，已接近設(shè)計(jì)值（53 ℃）。一級(jí)再熱器出口過(guò)程氣溫度較設(shè)計(jì)值仍偏低的主要原因?yàn)槿肟谶^(guò)程氣溫度較設(shè)計(jì)值偏低約12～14 ℃，一級(jí)再熱器換熱效率下降和飽和中壓蒸汽品質(zhì)差可能也對(duì)其產(chǎn)生了一定影響。這說(shuō)明自由浮球式疏水閥在該工況下具有良好的阻汽排水性能，確保設(shè)備內(nèi)無(wú)冷凝水積存，從而維持穩(wěn)定的工藝溫度。

表1 自由浮球式疏水閥投用前后參數(shù)對(duì)比表

自由浮球式疏水閥投用后，無(wú)需開(kāi)啟甩頭排水，就可實(shí)現(xiàn)凝結(jié)水密閉回收，據(jù)粗略估算，1～3列裝置可節(jié)約凝結(jié)水43.2×103kg/d，全年可節(jié)約12 960 t凝結(jié)水。由于凝結(jié)水現(xiàn)場(chǎng)排放后進(jìn)入污水處理單元，因此也降低了污水處理單元的負(fù)荷量。另外，硫磺回收裝置二級(jí)再熱器疏水閥也存在同樣問(wèn)題，且設(shè)備工況相近，之后也將考慮采用同型號(hào)自由浮球式疏水閥替換原雙金屬片式疏水閥，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目標(biāo)。

6 結(jié)論

JH-B系列自由浮球式疏水閥具備可連續(xù)、瞬時(shí)排放，排量大，工作穩(wěn)定等特點(diǎn)，特別適用于蒸汽換熱器等凝結(jié)水排量大的疏水工況。同時(shí)，閥門(mén)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易損件少，可實(shí)現(xiàn)在線維護(hù)。該類疏水閥應(yīng)用在硫磺回收裝置上后，有效改善了一級(jí)再熱器的換熱效果，使出口過(guò)程氣溫度得到了提升，實(shí)現(xiàn)了凝結(jié)水零排放，年節(jié)約凝結(jié)水量近1.3萬(wàn)t，節(jié)能減排意義顯著。