張宓，張憲發(fā)，都優(yōu)鄒殿超

(中海石油華鶴煤化有限公司，黑龍江 鶴崗 154100)

GE氣化爐鎖斗順控開關(guān)閥故障分析與解決方案

張宓，張憲發(fā)，都優(yōu)鄒殿超

(中海石油華鶴煤化有限公司，黑龍江 鶴崗 154100)

介紹了GE水煤漿氣化工藝在鎖斗順控運(yùn)行過程中，鎖斗系統(tǒng)常在高壓與低壓下頻繁切換，對(duì)氣化爐的連續(xù)運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。針對(duì)某項(xiàng)目選用球閥作為鎖斗順控開關(guān)閥，在實(shí)際的使用過程中出現(xiàn)閥門內(nèi)漏、卡澀、運(yùn)行穩(wěn)定性差等現(xiàn)象，通過對(duì)該現(xiàn)象進(jìn)行全面分析，從鎖斗開關(guān)球閥的安裝調(diào)試、日常維護(hù)、下線檢修等方面提出了合理化建議，提高了鎖斗順控開關(guān)閥門的運(yùn)行周期，保證了氣化爐安全運(yùn)行的穩(wěn)定性。

GE氣化爐 鎖斗開關(guān)球閥 閥門維護(hù)

某煤制化肥項(xiàng)目是坐落在東北極寒地區(qū)條件下的煤化工項(xiàng)目，煤氣化裝置設(shè)有3臺(tái)氣化爐，采用GE水煤漿氣化技術(shù)，以水煤漿為原料，用空分裝置供給的氧氣作催化劑，在溫度1400℃、壓力6.5MPa左右的條件下在氣化爐內(nèi)進(jìn)行氣化反應(yīng)，生成以H2和CO為主要成分的粗合成氣，氣化爐底部固體灰渣通過鎖斗排出，經(jīng)冷卻洗滌后的粗煤氣送至合成氨裝置。

1 GE氣化工藝鎖斗循環(huán)系統(tǒng)

鎖斗循環(huán)系統(tǒng)是將氣化后的固體灰渣從激冷室底部定期排出，以保證氣化爐的連續(xù)、穩(wěn)定生產(chǎn)。鎖斗循環(huán)分為減壓、清洗、排渣、充壓、收渣五部分，每個(gè)循環(huán)約30min，保證在不中斷氣化爐運(yùn)行的情況下定期排渣，鎖斗順控循環(huán)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 鎖斗順控循環(huán)系統(tǒng)示意

固體灰渣主要是煤中的灰分高溫熔融冷卻后產(chǎn)生的固體，固體灰渣在激冷室底部，經(jīng)破渣機(jī)破碎后，經(jīng)過2個(gè)鎖斗閥進(jìn)入鎖斗，2個(gè)鎖斗閥中的1個(gè)為鎖斗事故安全閥，處于常開狀態(tài)，僅當(dāng)激冷室液位低聯(lián)鎖引起跳車時(shí)才關(guān)閉該閥門；另1個(gè)為鎖斗收渣閥，鎖斗收渣時(shí)該閥打開，接受激冷室中排入的灰渣，當(dāng)鎖斗排渣時(shí)該閥關(guān)閉，從而周期性地將鎖斗和氣化爐隔開。固體灰渣除了靠重力排出氣化爐外，還通過鎖斗循環(huán)泵幫助排渣。鎖斗循環(huán)泵從鎖斗頂部抽水，送回激冷室底部，從而建立了鎖斗循環(huán)系統(tǒng)。固體灰渣進(jìn)入鎖斗后，大顆粒固體沿鎖斗內(nèi)部折流擋板沉降至鎖斗底部。

鎖斗開始運(yùn)行后，水循環(huán)線路就會(huì)關(guān)閉鎖斗循環(huán)泵入口閥，打開再循環(huán)閥，使鎖斗循環(huán)泵循環(huán)，關(guān)閉鎖斗收渣閥，將鎖斗與氣化爐隔開，然后打開鎖斗泄壓閥，由減壓管線向鎖斗沖洗水罐內(nèi)進(jìn)行泄壓，并打開管線沖洗閥沖冼泄壓管線中的固體顆粒。當(dāng)鎖斗壓力降至0.2MPa以下時(shí)，關(guān)閉泄壓閥，打開鎖斗沖洗水閥進(jìn)行鎖斗沖洗。

鎖斗順控循環(huán)步驟：

1) 鎖斗排渣閥打開將鎖斗內(nèi)的渣排入渣池，當(dāng)鎖斗沖洗水罐發(fā)出低液位信號(hào)后，鎖斗排渣閥關(guān)閉。

2) 鎖斗重新充水，當(dāng)鎖斗泄壓管線上的高液位開關(guān)發(fā)出高液位信號(hào)后，鎖斗泄壓閥、鎖斗沖洗水閥關(guān)閉。

3) 鎖斗泄壓閥、鎖斗沖洗水閥關(guān)閉后，用洗滌塔給水泵送來的除氧器內(nèi)的水，通過充壓閥的開啟對(duì)鎖斗充壓至與氣化爐壓差大于0.18MPa，打開鎖斗收渣閥，重新開始集渣循環(huán)，鎖斗收渣閥開啟后關(guān)閉充壓閥，打開鎖斗循環(huán)泵入口閥，關(guān)閉再循環(huán)閥，重新建立水循環(huán)。

固體灰渣排入渣池后，初始時(shí)隔離渣池2室的溢流閥保持關(guān)閉，固體灰渣降到刮板輸送機(jī)上，通過刮板輸送機(jī)把固體顆粒送出渣池裝車，約5min后，溢流閥打開，較澄清的上部黑水流入渣池水倉內(nèi)，用渣池泵送至真空閃蒸罐。

2 鎖斗開關(guān)閥的選型

鎖斗循環(huán)系統(tǒng)中流動(dòng)的介質(zhì)為固體灰渣和含有腐蝕性氣體的渣水等，工況較為惡劣，鑒于球閥具有快速開關(guān)、密封性好、抗沖刷腐蝕及耐磨等優(yōu)點(diǎn)，所以該項(xiàng)目鎖斗順控閥門全部選用進(jìn)口球閥，采用雙向金屬密封，雙閥座設(shè)計(jì)，球體表面、閥座表面做涂層硬化處理。該項(xiàng)目自開車運(yùn)行至今，不時(shí)會(huì)出現(xiàn)閥門卡澀、閥門內(nèi)漏等現(xiàn)象。閥門卡澀即閥門不能順暢地開關(guān)，增加了閥門開關(guān)時(shí)間，導(dǎo)致鎖斗順控閥門開關(guān)時(shí)間超時(shí)，鎖斗循環(huán)系統(tǒng)中斷運(yùn)行。閥門內(nèi)漏現(xiàn)象導(dǎo)致高壓系統(tǒng)竄到低壓系統(tǒng)，無法保證正常的沖壓與泄壓；鎖斗循環(huán)系統(tǒng)中斷，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致氣化爐停車，這與閥門的密封性有著直接關(guān)系。

3 鎖斗開關(guān)球閥內(nèi)漏和卡澀的原因分析

3.1閥門正常工作中的磨損腐蝕

灰渣在6.5MPa左右壓力的作用下高速流動(dòng)，在閥門開啟的瞬間，流速間隙較小、流速較快，此時(shí)灰渣對(duì)閥球、閥座密封面、流道、閥腔內(nèi)壁造成強(qiáng)烈的沖刷。該項(xiàng)目所選用的球閥密封面均采用“自清潔刮刀”方式設(shè)計(jì)，但由于密封面均為曲面，寬度有限，因而閥座密封面的密封性能無法完全保證，會(huì)有微量灰渣小顆粒留在密封面上，使閥球和閥座在閥門動(dòng)作中不斷摩擦，損壞密封面，導(dǎo)致閥門內(nèi)漏現(xiàn)象的發(fā)生。

3.2彈簧容腔內(nèi)充滿介質(zhì)

閥門在關(guān)閉時(shí)閥球與閥座緊密契合，閥球緊靠在密封面上達(dá)到最佳密封效果。閥球與閥體并不是直接接觸的，閥球與閥體之間存在空腔，即為閥腔。由于閥門在開啟過程中有部分灰渣進(jìn)入閥腔內(nèi)部，存留在腔體內(nèi)，增大了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出力矩，導(dǎo)致閥門關(guān)閉不嚴(yán)；同時(shí)少量灰渣進(jìn)入閥座彈簧容腔，長(zhǎng)時(shí)間積累將該容腔堆滿，使閥門里的彈簧無伸縮空間，閥座密封面與閥球不能緊密接觸，導(dǎo)致閥門內(nèi)漏現(xiàn)象的發(fā)生。

3.3閥球與閥座表面噴涂材質(zhì)及硬度不合理

閥球表面噴涂的硬質(zhì)合金與閥座密封面的硬質(zhì)合金不匹配，球體表面噴涂材質(zhì)的硬度與閥座密封面噴涂材質(zhì)的硬度相差偏大，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行碰撞，使閥座密封面或閥球球面破損，導(dǎo)致閥門內(nèi)漏現(xiàn)象的發(fā)生。

3.4閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣源壓力不符合使用要求

由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣源壓力不夠，包括全廠提供的儀表空氣壓力較低；閥門的過濾減壓閥調(diào)壓過低。由于故障導(dǎo)致閥門開關(guān)不到位，但控制畫面檢測(cè)到閥門已開關(guān)到位的信號(hào)，該情況下不容易被發(fā)現(xiàn)。此時(shí)介質(zhì)將長(zhǎng)時(shí)間對(duì)閥球及閥座密封面進(jìn)行沖刷，且為局部沖刷，對(duì)閥門的使用壽命造成嚴(yán)重的影響。

3.5閥門在開關(guān)時(shí)閥前后壓差過高

鎖斗閥門在開關(guān)過程中，閥前、閥后的高壓差直接影響著閥門的正常開關(guān)。如圖1中鎖斗泄壓過程中，鎖斗設(shè)備內(nèi)壓力高達(dá)6.3MPa,而沖洗水罐為常壓，在開啟泄壓閥，閥門的開啟要克服極大的壓差，此時(shí)需要執(zhí)行機(jī)構(gòu)增加動(dòng)力輸出，使閥門克服壓差開啟。

4 閥門使用中預(yù)防措施與閥門下線維修優(yōu)化方案

4.1閥門正常工作中的預(yù)防措施

1) 閥門在開箱驗(yàn)收、安裝調(diào)試過程中進(jìn)行全面跟蹤確認(rèn)，確保閥門的執(zhí)行機(jī)構(gòu)附件完好無損，閥門安裝前確保閥體內(nèi)部無臟亂異物，閥門法蘭口密封面無損傷，確保安裝中閥門限位調(diào)整精準(zhǔn)。

2) 為了確保閥門能正常開關(guān)到位，閥門的限位開關(guān)應(yīng)在DCS操作畫面上準(zhǔn)確地反應(yīng)閥門的開關(guān)狀態(tài)，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)閥門限位開關(guān)的檢查維護(hù)力度。該項(xiàng)目選用2個(gè)限位開關(guān)、1個(gè)閥位變送器，“三取二”來判斷閥門的開關(guān)狀態(tài)，確保操作人員能及時(shí)準(zhǔn)確地在DCS監(jiān)控畫面上發(fā)現(xiàn)閥門開啟或關(guān)閉不到位的情況，及時(shí)聯(lián)系維護(hù)人員處理，防止介質(zhì)長(zhǎng)時(shí)間局部沖刷閥球、閥座密封面，延長(zhǎng)閥門的使用壽命。

3) 加強(qiáng)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、儀表氣源壓力、過濾減壓閥的巡檢力度，盡量避免因執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣缸壓力不足導(dǎo)致閥門開關(guān)不到位的現(xiàn)象發(fā)生，并確保儀表空氣的潔凈與通暢性，防止儀表氣源壓力不穩(wěn)造成閥門開關(guān)不順暢，增加閥門開關(guān)時(shí)間，影響鎖斗順控循環(huán)系統(tǒng)的運(yùn)行。

4) 由于該項(xiàng)目氣化爐為“2開1備”，要對(duì)未投用的氣化爐鎖斗順控閥門進(jìn)行不定期的開關(guān)動(dòng)作，防止長(zhǎng)時(shí)間閥門不動(dòng)作出現(xiàn)閥球與閥座粘接現(xiàn)象,建議閥門動(dòng)作間隔在20d左右。

4.2閥門線下維修優(yōu)化方案

1) 針對(duì)閥門正常工況下灰渣混合物中有無數(shù)大小不一的硬質(zhì)顆粒摻雜在高速流體中，對(duì)閥內(nèi)件沖刷嚴(yán)重，同時(shí)灰渣混合物具有一定的腐蝕性，容易腐蝕被固體顆粒沖擊破壞的球體表面，所以球體表面必須噴涂硬質(zhì)合金。噴涂硬質(zhì)合金的材料要根據(jù)實(shí)際工況如壓力、溫度、腐蝕性介質(zhì)等進(jìn)行選擇，根據(jù)該項(xiàng)目閥門運(yùn)行情況建議保證涂層的硬度不能低于HRC60，同時(shí)表面的硬化涂層應(yīng)附著牢固，使用過程中防止脫落，達(dá)到最佳優(yōu)化程度。

2) 以選用柱形彈簧的閥門為例，其閥門結(jié)構(gòu)和密封結(jié)構(gòu)如圖2、圖3所示。針對(duì)上述閥門中有灰渣進(jìn)入彈簧容腔中，使彈簧無伸縮性降低了閥門的密封性。所以閥門應(yīng)選用雙閥座雙向密封設(shè)計(jì)，進(jìn)口端閥座與出口端閥座可同時(shí)密封，即使前閥座密封失效，后閥座仍能保證密封效果，確保了閥門密封效果；同時(shí)為保證閥座后面采用的彈簧材質(zhì)符合抗腐蝕要求，建議使用硬質(zhì)合金。根據(jù)使用情況，蝶形彈簧的效果要好于柱形彈簧，柱形彈簧容易受到微小細(xì)渣的影響，一旦細(xì)渣堵滿彈簧內(nèi)腔，將直接影響彈簧伸縮，造成閥門密封不嚴(yán)的故障。為了避免該故障的發(fā)生，在閥座與閥體的通道添加密封圈，如圖3所示，防止固體灰渣進(jìn)入閥座后面的彈簧腔體。為了進(jìn)一步提高密封性，同時(shí)在彈簧后側(cè)采用密封圈保護(hù)，防止灰渣或固體小顆粒進(jìn)入彈簧容腔內(nèi)，確保了閥門長(zhǎng)期運(yùn)行。

圖2 閥門結(jié)構(gòu)示意

圖3 密封結(jié)構(gòu)示意

3) 閥門密封面由于閥球與閥座噴涂的硬質(zhì)合金不相符，開關(guān)過程中磨損嚴(yán)重，造成閥門密封效果急劇下降。所以要對(duì)兩種噴凃的硬質(zhì)合金全面分析，然后進(jìn)行噴涂，保證閥球噴涂的硬質(zhì)合金硬度稍大于閥座密封面噴涂的硬度。

4) 針對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)及附件的選擇要從采購源頭上嚴(yán)格控制。對(duì)于需要時(shí)間限定的閥門，應(yīng)選用雙作用氣缸活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)，根據(jù)使用的環(huán)境溫度，必要時(shí)選擇低溫型的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)保證至少1.5倍的安全系數(shù)，確保氣源壓力在0.4MPa時(shí)也可以正常工作。閥門附件的選擇與組合要能滿足閥門開關(guān)時(shí)間的要求。

5) 閥門長(zhǎng)期工作在惡劣的工況下，閥門的磨損不可避免。由于進(jìn)口閥門的維修費(fèi)用較高，該項(xiàng)目根據(jù)實(shí)際情況，本著降本增效的原則，積極選擇中國國內(nèi)知名閥門維修企業(yè)維修，以確保及時(shí)修復(fù)損壞嚴(yán)重的閥門，保證裝置的正常生產(chǎn)。

6) 密切關(guān)注國內(nèi)同行業(yè)同工況下進(jìn)口閥和國產(chǎn)閥在GE氣化爐鎖斗循環(huán)系統(tǒng)上的使用情況，通過對(duì)比、討論，逐步實(shí)現(xiàn)閥門的國產(chǎn)化，為裝置節(jié)約成本，創(chuàng)造利潤(rùn)。

5 結(jié)束語

該項(xiàng)目自2015年5月開車以來，鎖斗順控開關(guān)閥在該工況下基本滿足了使用要求，通過了東北極寒地區(qū)條件下的考驗(yàn)，為氣化爐的安全運(yùn)行提供了保障，從而保證了GE水煤漿氣化裝置安全、平穩(wěn)、長(zhǎng)周期的滿負(fù)荷運(yùn)行。但同時(shí)閥門也存在著缺陷，仍有完善的空間。本文通過對(duì)開關(guān)球閥卡澀與內(nèi)漏的研究分析并提出合理化建議，期望對(duì)相關(guān)的生產(chǎn)企業(yè)提供參考性價(jià)值。

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1007-7324(2017)05-0070-03

稿件收到日期： 2017-05-18，修改稿收到日期2017-07-19。

鄒殿超(1988—)，男，吉林長(zhǎng)春人，2012年畢業(yè)于吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院生產(chǎn)過程自動(dòng)化專業(yè)，現(xiàn)就職于中海石油華鶴煤化有限公司，從事儀表維護(hù)和班組管理工作。