催化裂化装置烟气轮机入口阀门的配置

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国石油化工股份有限公司荆门分公司 作者:江寿林

  催化裂化装置烟气轮机入口阀包括切断阀和调节阀两类,包括气动铸造式和电液单面金属硬密封焊接式高温平板闸阀、台阶式和三偏心高温蝶阀以及新研制应用的偏心凸轮轴高温切断型蝶阀等型式。文章从结构特点、密封性能、应用状况等方面进行了分析比较,并对阀门的配置提出了建议。

  烟气轮机入口切断阀和调节阀是催化裂化装置能量回收系统的重要设备,是烟气轮机能否安全长周期运行的关键设备。在国内各炼油厂催化裂化装置现有多种配置方式与阀门型式。

1、高温平板闸阀

  烟气轮机入口管线直径小于或等于1200mm情况下,常用的高温平板闸阀可以作为切断阀。现有两种结构,都可国内制造,一是气动铸造高温平板闸阀;二是电液驱动焊接式高温平板闸阀。

  1.1、气动铸造式高温平板闸阀

  气动铸造式高温平板闸阀的阀体结构见图1(a),采用双面软密封结构。如图1(b)所示。阀体Ⅰ与阀体Ⅱ 均为奥氏体不锈钢铸件,阀体Ⅰ用法兰与阀体Ⅱ连在一体,阀体内无衬里,与管道采用法兰连接。两个柔性石墨密封圈各镶嵌于阀体Ⅰ、阀体Ⅱ 的环形凹槽内,中间夹一块由耐高温、耐冲蚀的材料精加工成带导流孔的阀板,阀板下半部有一个与流通直径相同的通孔。阀板沿阀体Ⅱ的导轨上下移动,实现阀门的开关。

气动铸造式高温平板闸阀阀体结构示意

图1 气动铸造式高温平板闸阀阀体结构示意

  气动铸造式高温平板闸阀的双面软密封结构,在使用过程中柔性石墨密封圈易被烟气吹损,造成密封面间产生间隙,失去密封作用,因此在运行过程中应按设计要求,在每次装置停车检修时更换密封圈。如长期不检修,会造成阀板损坏、卡死,导致泄漏量增加,甚至会造成装置事故停工。

  气动高温平板闸阀大部分存在“缩径”问题,无论其公称直径多大,实现流通直径最大为900mm,不能与烟气轮机入口高温调节蝶阀合理匹配,影响了烟气轮机的回收功率。

  气动高温平板闸阀的上述缺点也促进了对单面金属硬密封电液高温闸阀的研发。

  1.2、电液高温平板闸阀

  电液高温平板闸阀为电液单面金属硬密封焊接式高温平板闸阀的阀体结构见图2(a),阀板和阀座圈采用单面金属硬密封加蒸汽辅助密封结构,如图2(b)所示。阀体、阀盖均为大型厚壁奥氏体不锈钢板组焊结构,阀体内无衬里,其公称直径与流通直径一致,与管道采用焊接方式连接,现已实现工业应用的最大公称直径为1200mm。

电液单面金属硬密封焊接式高温平板闸阀阀体结构示意

图2 电液单面金属硬密封焊接式高温平板闸阀阀体结构示意

  阀体和阀盖采用方法兰联接,唇型密封。阀座圈用高温合金螺栓固定在阀体上,两条“L”形导轨用高温合金螺栓固定在阀座圈上。阀板材料为奥氏体不锈钢铸件,球形头盖采用单面密封结构,两侧耳板加工有与“L”形导轨相一致的斜度,当阀门关闭时有一定的楔紧作用,阀板和阀座圈的环形密封面上堆焊有高温硬质合金。此结构虽有轻微泄漏,但大大提高了密封面耐冲蚀、耐磨损的性能,可以长周期运行而不需要检修,降低了检修成本,与高温平板闸阀相比,优势显而易见。中石化荆门分公司一套催化裂化装置DN900气动铸造式高温平板闸阀更换成电液焊接式高温平板闸阀后,阀门的烟气压力损失下降了3kPa,烟气轮机入口压力有所提高,回收功率增加了150kW·h。

  电液高温闸阀也可选配电动或气动执行机构。

2、高温蝶阀

  2.1、进口金属弹性密封三偏心蝶阀

  该系列蝶阀属于常规的三偏心设计,适合于双向密封的工艺流程用高温蝶阀,其结构如图3所示。

金属弹性密封三偏心蝶阀结构示意

图3 金属弹性密封三偏心蝶阀结构示意

  当向阀杆施加扭矩时,密封圈与阀座之间的接触角产生轻微的“楔块效应”,使密封圈发生柔动和径向压缩产生弹性来实现严密的切断,完全靠扭转密封来实现蝶阀持续的双向密封特性。由于阀板上的弹性不锈钢密封圈有压紧螺栓和密封压圈,长期使用存在一定安全隐患。

  2.2、进口高温金属硬密封三偏心蝶阀

  高温金属硬密封三偏心蝶阀,针对烟气轮机入口蝶阀700℃高温和仅要求单向密封的特点,采用三偏心斜置锥形阀座结构见图4,与工艺流程用双向密封蝶阀不同的是其阀板相对阀体斜置,使蝶阀在开闭时进一步减少阀板与阀座之间相对摩擦的区域和几率,无需靠金属密封圈的弹性变形即可获得满意的密封效果。由于没有弹性金属密封圈、压板和压紧螺栓,完全靠阀板与阀座的金属硬密封结构密封,消除了压紧螺栓可能脱落进入烟气轮机的安全隐患,使用更安全可靠。为了防冲刷,密封面堆焊硬质合金。

高温金属硬密封三偏心蝶阀结构示意

图4 高温金属硬密封三偏心蝶阀结构示意

  2.3、台阶式高温调节蝶阀

  烟气轮机入口调节蝶阀目前一般都采用台阶式高温调节蝶阀结构,大部分国产,直径大于1600mm以上的也有少量进口。进口台阶型调节蝶阀的密封性能可达到Ⅱ级密封(泄漏量小于0.5%),国产台阶型调节蝶阀的密封性能一般为1%。台阶型高温蝶阀有阀轴二端伸出和一端伸出两种结构,国产台阶型高温调节蝶阀大部分为阀轴一端伸出结构。使用三偏心切断型蝶阀作为烟气轮机入口调节型蝶阀没有太多实用意义,反而会增加投资和开工时蝶阀打不开的几率,宜优选阀轴一端伸出的台阶型高温调节蝶阀。

  2.4、偏心凸轮轴高温切断型蝶阀

  偏心凸轮轴高温切断型蝶阀是根据烟气轮机入口蝶阀实际应用仅要求进烟气轮机方向的单向密封和达到ANSI标准规定的Ⅳ密封(Ⅳ 泄漏量小于0.01%)的特定要求采用凸轮轴加二偏心结构,产生类似三偏心凸轮效应,以保证良好的开闭性能和密封效果,其结构见图5。

  偏心凸轮轴蝶阀的阀杆是一个三段凸轮轴式结构,阀杆两端轴段同心,中间段轴中心线与两端轴线有一个偏心距,阀板安装在中间轴段上。此种结构使阀板在全开时成为双偏心状态,而达到关闭时成为单偏心状态。由于凸轮轴的作用,在接近关闭时,阀板可向阀座的密封锥面内移动某一距离,使阀板与阀座的密封面相吻合,达到可靠的密封性能。当使用一定周期时,阀座密封面磨损后,可以调整执行机构,使阀板的关闭位置驱前若干角度,约向前移动0.5mm,即可恢复到新的密封状态,满足长周期使用的要求。

偏心凸轮轴高温切断型蝶阀结构示意

图5 偏心凸轮轴高温切断型蝶阀结构示意

  偏心凸轮轴高温切断型蝶阀的阀板与阀座间是正圆锥密封副,便于加工与研磨,无需专用的椭圆密封面数控磨床,适合于大型高温蝶阀的加工制造。

  实际上偏心凸轮轴蝶阀的密封机理不是单纯的扭矩密封,而是扭矩密封加位移密封的综合作用。在蝶阀转动到关闭状态时,阀板与阀座密封面之间存在少量间隙或阀板少量挤压阀座,使两个密封面之间建立起初始的密封比压。在投用工况下,由于介质压力的作用,使两密封面之间形成足够的比压,以保证良好的密封效果,故也可称为“自压密封”。

  中石化荆门分公司与荆门炼化机械公司合作研制的DN1200偏心凸轮轴高温切断型蝶阀于2012年7月正式安装在二套催化裂化装置烟气轮机入口,替代原有的台阶式高温蝶阀。经工厂测试和现场观察,可达到ANSI标准规定的Ⅲ级(泄漏量小于0.1%)上的密封等级,国产电液控制系统调节性能良好,为今后研制更大直径切断型蝶阀提供了宝贵的经验。

3、烟气轮机入口阀门的配置与选型

  烟气轮机入口管线设置切断阀和调节阀,前者功能是切断烟气,便于烟气轮机中途能停机维修;后者起调节作用,控制再生器压力。国内烟气轮机入口阀门的配置根据装置规模大小及入口管径有如下两种种方式:一是烟气轮机入口阀门直径小于或等于1200mm,大多数配置为高温闸阀与台阶式高温调节蝶阀的组合,也有少数为高温闸阀与三偏心高温蝶阀的配置,前者为切断阀,后者为调节阀;二是烟气轮机入口阀门直径大于1200mm的配置多数为三偏心高温切断蝶阀与台阶式高温调节蝶阀的组合,也有用2台三偏心高温切断阀的配置,后1个阀门起调节作用。

  有关配置与选型建议如下:

  1)烟气轮机入口切断阀的密封等级选择。切断阀的主要功能是停机时切断烟气,以便地在烟气轮机入口管线上安全地安装盲板,进行烟气轮机检修。因此没必要达到Ⅵ级密封(零泄漏)要求,UOP工艺包的数据表中仅要求达到Ⅳ密封(泄漏量小于0.01%)即可。实际上,出厂冷态试验能达到Ⅲ~Ⅳ级密封即可完全满足上述功能要求。过高的密封等级要求,势必会增加高温使用后阀门开、关的卡阻机率,且使用一段时间后阀门因催化剂冲刷,泄漏量会有所增加。

  2)烟气轮机入口切断阀的结构选型。当烟道直径小于或等于1200mm时,可选用上述高温蝶阀,但因为闸阀耐冲刷和阻力降都好于蝶阀,宜优选高温平板闸阀。 当烟道直径大于1200mm时,由于高温闸阀结构过于庞大和笨重,宜选用三偏心高温蝶阀或者其它类似结构的切断型高温蝶阀。

  3)烟气轮机入口调节蝶阀的结构选型。调节蝶阀的主要功能是调节和控制再生器压力并在紧急自保时能够快速关闭、切断烟气轮机,使机组能够较快地停运,选用台阶式高温蝶阀(泄漏量小于1%)即可。为了确保烟气轮机能够进行中途维修,能达到Ⅱ 级密封(泄漏量小于0.5%)要求更好。

  4)大口径阀门的选型。烟道直径大于1200mm 的高温切断蝶阀和烟道直大于1600 mm的高温调节蝶阀,由于国内尚无研制并已工业应用的阀门,现在还需进口。配套的国内电液执行机构的性能已完全不逊色于国外同类产品,某些进口电液执行机构在使用时出现问题,均可由国内制造厂处理并改进,因此配套的蝶阀电液执行机构完全可以国产,不必与阀门一起进口,以节省费用和便于维修。

  5)调节阀电液执行机构的性能要求。入口调节阀电液执行结构是入口阀的重要组成部分,可靠性要求高,对于三机组形式其入口调节阀紧急关闭时间宜小于1s,对独立发电的烟气轮机关闭时间则应更快,要达到0.6s。

4、结语

  烟气轮机入口阀是催化裂化烟气能量回收系统的重要组成部分,可靠性要求高,既要求烟气密封性能好又要调节性能良好,紧急动作迅速。由于高温应力管道应力及腐蚀和催化剂冲刷等不利影响因素,加上电液执行机构油站的动力油压力较高,是发生故障较频繁地方,所以既要注重入口阀门的合理选型,又要加强维护,特别是装置停工检修期间的检查和大修。

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