PX装置改造项目调节阀的选型

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)石油化工设计 作者:陈昀

  介绍了福建PX装置改造主要工艺改造内容,结合相关管线的严苛工况,分析了闪蒸和气蚀的特点,从调节阀的结构形式分类、阀门材质的抗腐蚀性选择、调节阀的流量特性指标、阀门流量动作的选择(流开或流关),闪蒸和气蚀引起的噪音的减少,以及阀后流速对调节阀产生的影响等方面,探讨了调节阀的选型指标。实际应用结果表明,调节阀的选型是合理和成功的。

  福建联合石油化工有限公司原有1套70万t/a芳烃联合装置,该装置以直馏重石脑油、加氢裂化重石脑油以及乙烯裂解汽油为原料,生产对二甲苯和苯等芳烃产品,为充分发挥炼油化工一体化的优势,综合利用炼油和乙烯的芳烃资源,实现资源的优化配置和产品的升值。利用装置原有条件,依托老厂对PX装置进行节能改造(以下简称PX装置改造)。

1、PX装置改造主要内容

  连续重整装置改造后规模增加20%;二甲苯塔和重芳烃塔更换成高效塔盘;甲苯歧化反应部分提高反应空速,降低氢/油比,以满足改造要求;歧化补充氢压缩机由一操一备改为两台同时操作满足扩能后要求;苯-甲苯分馏装置的苯塔、甲苯塔规模加大,更换为高效塔盘等。工艺条件与原PX装置相比,严苛工况更加多一些。

2、影响调节阀选型的工况

  2.1、严苛工况

  1)工艺介质较特殊。①管线中的工艺介质具有浓浊浆状、粘度高、有腐蚀性或者含有悬浮特及颗粒状物质等。②在PX装置改造中,需改造介质为燃料气的部分管线。燃料气介质特点为:内含固体颗粒,容易堵塞阀门;且介质中含硫,有腐蚀性。在阀门选型时,需要特别考虑。

  2)工艺条件苛刻。此次PX改造项目的苛刻工况,更多情况下为流体介质并不特殊,但工艺条件比较苛刻,比如流速大、压力大、管径小、阀门前后压差大、易产生闪蒸和气蚀、出现阀后气液两相流的情况等。这些工艺参数经计算以后,噪音等各项选型指标超标,影响调节阀口径和开度的选择,有些甚至影响调节阀的寿命。

  2.2、闪蒸和气蚀的产生原因和危害

  在调节阀选择和计算中,最重要的影响因素是闪蒸和气蚀现象。

  2.2.1、产生原因

  如图1所示,当压力为P1的液体流经阀门时,流速突然急剧增加,而静压力骤然下降,当阀后压力P2达到或者低于该液体所在情况下的饱和蒸汽压时,部分液体产生气化,形成气液两相共存的现象,在液体中产生空腔(气泡),这就是气蚀的第一个阶段。从离开阀门的下游开始,液体磨擦引起流体减速,其结果使流体截面和压力都增加,这种速度与压力头之间的能量反向转换称之为“压力恢复”。由于在阀门处减少到蒸气压所形成的气泡在压力增加的下游不可能存在,就会挤压破裂而恢复形液体状态。至此,气蚀过程完成。如果下游配管系统的压力正好相当于或小于入口的蒸汽压,继续流入下游流体的蒸汽百分比会不断增加,流体速度持续增长其结果将产生闪蒸而不是气蚀。

PX装置改造项目调节阀的选型

图1 沿液流方向通过阀门各点的压力和速度图线

1-压力;2-速度;3-饱和蒸汽压力;4-阀后摩擦导致流体减速;5-阀后摩擦导致压力增加

  由此可见,闪蒸是一种工艺系统现象,在调节阀设计上无法解决;而气蚀可通过调节阀及其各个附件的选择,将一次性降压改为分级降压,来减小甚至避免该现象。

  2.2.2、危害

  在气蚀过程中,气泡破裂时所有能量集中在破裂点上,产生巨大的冲击力,足以严重地冲击损伤阀座、阀芯、阀体。在高压差的场合中,即使加硬过的阀芯阀座,除调节阀本身,甚至其相邻管道也会被冲击力损坏。闪蒸和气蚀还会造成噪音和振动,使调节阀无法控制,阀芯阀座变形损坏。

3、调节阀选型参数

  3.1、结构形式

  1)直通单座阀。单座调节阀阀体内有一个阀芯和一个阀座,具有关闭严密、泄漏量小的特点。但该阀阀芯所受不平衡力大,其允许压差较小,适用于中小口径的阀门。这类调节阀结构简单,价格较便宜,应用广泛,是PX装置改造中不可或缺的一类阀门。但其阀体流路较复杂,不适用于含有悬浮物及颗粒物的介质。

  2)偏心旋转阀。偏心旋转是一种角行程阀门,它结构紧凑,阀体流路简单,阻力小,且密封性好。这类阀门常用于高流通量、调节范围大的介质,也常适用于PX装置改造项目。流经含有固体颗粒且有腐蚀性、直通调节阀不适用的燃料气介质的管线,改造更新时,选择偏心旋转阀。同时,该装置中很多要求密封性好的大口径管线,也都选用该种阀门。但其抗气蚀能力和降噪能力低于直通调节阀。

  3.2、阀门材质

  由于PX装置改造中的燃料气介质含硫,阀门的阀体、阀盖及阀内件材质需要进行NACEMRO175规定的防腐处理,且填料需采用双层填料。但由于填料采用了双层,其比单层填料的摩擦力会大一些,阀门执行机构的推力要求会变大,这点在阀门选型的时候需要特别注意。

  在关键场合的阀门,阀内件需要加硬,以便延长阀门寿命。如流体介质含有固体颗粒或为腐蚀性流体、高差压[压差大于0.7MPa(表)]、管路等级规定要求、介质为高压蒸汽、锅炉给水等场合,阀内件材质皆需要司钛莱硬质合金316SS或其他类似硬化处理。

  而在有可能产生闪蒸和气蚀的场合,阀芯更应该采用相应的材质和处理方法。闪蒸在设计上无法解决,需要加固阀芯,增强对此现象的抵抗力。而气蚀现象,则可以通过选择防气蚀阀内件结构,如迷宫阀等,分级降压、多级减压,合理分配压降,减少气蚀发生的可能性。

  3.3、流量特性

  调节阀的流量特性是指介质流过阀门的相对流量与相对位移(阀门的相对开度)之间的关系。阀门的流量特性常用的有等百分比特性和线性特性。等百分比流量特性也称为对数流量特性,它是指单位相对位移变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量成正比关系,即调节阀的放大系数是变化的,它随相对流量的增大而增大。等百分比特性调节阀最小流量开度应大于20%,正常流量开度应小于80%,最大流量开度不应超过90%。等百分比特性在开度小时,阀门放大系数小,调节平稳;30%以上开度调节时,特性好,放大系数大,调节灵敏有效。

  线性流量特性是指调节阀的相对流量与相对位移成直线关系,即阀门的放大系数是一个常数。线性特性调节阀最小流量开度应大于10%,正常流量开度不应超过60%,最大流量开度不应超过80%。线性特性在30%以下开度流量调节时,更具有优势。开度小时,线性调节灵敏度高且震荡比等百分比调节震荡小,因而调节速度快;但大开度时,调节缓慢,不够及时。有些阀门由于结构或所带附件的要求,只能选择其中一种调节特性。如带降噪笼的调节阀,一般选用线性流量特性。

  3.4、阀门流量动作

  阀门流量动作(流开和流关)的选择,主要从介质对阀芯的冲击方面考虑。

  流开阀门:正常状态下流体流动方向有开阀门的趋势,关闭阀门所需要的执行机构推力较大。小流量调节时需要的执行推力较大,因此常用流开阀门,推力大,调节精度高。

  流关阀门:正常状态下流体流动方向有关阀门的趋势,需要的执行机构推力较小。大口径阀门一般采用流关阀门正是由于此类阀门推力小,在阀门关闭时,不会因为过大的执行机构推力而伤及阀内件。但此类阀门在小流量调节,尤其在15%以下的开度调节时特性很差。

  3.5、噪音

  噪音大小和阀体无关,和压差有关系,压差越大,噪音越大。闪蒸和气蚀也会产生噪音。

  噪音大于105分贝,会令阀门产生振动,对阀体造成损伤。它令代门机械部件松动,磨损大,调节不稳定,甚至有可能因阀芯和阀座振动频率不匹配,对阀座产生冲击变形,阀杆折断。

  加降噪阀笼对噪音的减小很有成效,且其对阀后流速影响小,也可减少气蚀发生的可能性。但有降噪笼,阀门的流量特性只能选用线性特性。且某些降噪笼孔直径小,若用在含有固体颗粒或粘度高的介质上,容易堵塞。

  3.6、阀后流速

  阀后流速的大小取决于阀体大小。同样的管径下,阀体越小,阀后流速越大。气体介质的阀后流速大于112m/s,液体介质的阀后流速大于10m/s,会对阀芯产生冲击。阀后流速太大,介质会不断冲刷阀芯,损伤阀芯,使阀芯变形,失去调节作用。扩大阀体,可以减小阀后流速。阀芯尺寸相同的情况下,阀体尺寸改大,则有可能在保证较好的调节特性的同时满足阀后流速的要求。

4、PX装置改造项目中调节阀的选型

  PX装置改造工况较严格苛刻,在选调节阀时应全面考虑各种参数。但在很多情况下,选型的各种指标会有些矛盾。如为流经燃料气的管线选择调节阀,该管线苛刻的工况使其可能会出现闪蒸和气蚀,且噪音严重超标,需要所选阀门有降噪和分级减压的功能。但由于其介质内含有颗粒物体,又无法使用降噪阀笼和迷宫阀,因此在调节阀选型时相当困难。通过深入了解工艺条件,充分比较,从中选择出最优的解决方案。

  1)本项目不适合选用小流量调节阀;而直通单座调节阀结构简单,造价较低,在工艺条件允许的情况下尽量选用。

  2)根据偏心旋转的特性,在本项目中,直通调节阀不适用的流有燃料气介质的管线改造更新时,宜选用偏心旋转阀。

  3)由于蝶阀的流量特性差,因此在PX装置改造项目中很少选用。

  4)PX装置改造项目由于高压场合多,也不宜选用V型球阀

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