電子連桿技術在大型乙烯裝置裂解氣大閥中的應用

吳鋒

(中海殼牌石油化工有限公司,廣東 惠州516086)

裂解氣大閥位于裂解爐出口,在裂解物料并網前的位置,起到切斷裂解氣通往下游油汽分餾塔或燃料油汽提塔通路的作用,而清焦閥是位于燒焦氣排出線的起點。通常所說的裂解氣大閥是指裂解氣閥和清焦閥組成的裂解氣閥組,在每一組裂解爐管的出口并網前都會設置1套裂解氣大閥用于清焦操作。由于裂解爐管在正常生產過程中容易結焦,導致其裂解能力下降,所以需要對裂解爐管進行定期的清焦操作。清焦過程中,通過蒸汽或空氣與焦塊進行反應,將附著在裂解爐輻射爐管和急冷鍋爐換熱管內壁的焦塊脫除,清焦氣中含有氧氣,不允許進入下游分離系統。當裂解爐清焦或者停爐時,必須將裂解氣通往下游急冷系統通路切斷,防止下游的裂解氣反竄與清焦氣接觸而發生事故。裂解氣大閥的順利開關和良好的密封對裂解爐的安全運行有著重要的作用。

在正常生產時,流過裂解氣大閥的介質為裂解產物烴和蒸汽的混合物,當急冷器在大閥上游時,溫度為200～220 ℃;當急冷器在裂解氣大閥下游時,溫度為360～550 ℃,具體的溫度與爐型有關。清焦切換操作時介質為蒸汽,清焦時介質為蒸汽、空氣或者二者的混合汽,并帶有焦渣。當正常生產時,裂解氣閥全開,管道暢通,清焦閥完全關閉,確保裂解后的物料能夠并網。而清焦操作或停爐時,則需將裂解氣閥完全關閉,將單臺裂解爐從并網的系統管道中切除隔離,并將清焦閥打開。

1 裂解氣大閥的形式和特點

目前,中國大型乙烯項目所使用的裂解氣閥和清焦閥通常有雙閘板閥、單閘板閥、蝶閥和楔形閥。四種閥門型式和特點如下:

1)雙閘板閥。采用雙金屬密封面,密封效果好,關閉時靠2塊閘板間楔形件的擠壓實現密封,開啟時楔形件先松開,這樣閥板與密封件的摩擦力變小。閥門的體積和質量都大,配管布置較為困難,采用全鋼板焊接結構,對管道應力的承受力有限,在管道應力的作用下容易發生局部的形變,引起閥門開關不暢甚至卡死情況。閥門采用直通式結構,管道內部無擾流部件,流通面積與管道相同,不易堵塞,壓降小。

2)單閘板閥。采用單閘板形式,依靠密封件與閥板間的接觸實現密封,早期的設計多為單密封面,近年來多采用雙密封面設計。開啟和關閉時閥板與密封件間的摩擦力較大,所需要的力矩也較大。閥體體積及質量也較大,配管連接較困難,采用全鋼板焊接結構,對管道應力的承受較弱,閥板局部受應力作用易變形,密封件長時間運行后易損壞。由于實際使用過程中出現的問題較多,新建的乙烯裝置采用單閘板裂解氣大閥的越來越少。

3)蝶閥。其特點是體積小、質量輕,配管布置相對容易,閥體本身對管道應力的承受力強。開啟和關閉過程中蝶板與密封件間無摩擦,開關的力矩小。蝶板處于管道中,在開啟的瞬間,閥板既需要克服管道上下游大的差壓,又需要克服閥板和閥體密封面遺留的焦狀物質造成的摩擦阻力,阻力過大時容易導致閥板無法打開。同時,蝶板位于流道中,易受沖蝕而造成密封面的損壞,所以該種型式的裂解氣大閥必須在閥板上面設置防沖蝕的保護內件,才能在長期運行后確保關閉時候的密閉性,在大型爐上面使用優勢明顯。

還有一種是楔形閥,在國內使用較少,本文不再贅述。

2 裂解氣閥和清焦閥的工作模式

裂解氣閥和清焦閥的工作模式有以下三種:

1)裂解模式。在裂解模式下,裂解氣閥開啟,清焦閥關閉,裂解爐進行裂解,裂解氣和急冷油混合共同進入分離塔,此時工況壓力為0.1 MPa,溫度約為250 ℃,工作1個周期(30～60 d)后,裂解爐內壁結焦,效率降低,需要清焦,閥門進入切換模式。

2)切換模式。在切換模式下,裂解氣閥逐步關閉,清焦閥逐步開啟,至裂解氣閥全關,清焦閥全開狀態,進入清焦模式。

3)清焦模式。在清焦模式下,裂解氣閥全關,清焦閥全開。當裂解爐在清焦時,急冷器停止噴油,含有焦碳顆粒的煙道氣通過清焦閥放空,此時工況壓力為0.07 MPa,溫度為400～500 ℃,持續1～2 d后,再次切換,至裂解氣閥全開,清焦閥全關,再次進入裂解模式,如此循環往復。

3 裂解氣大閥的聯動控制方案

在裂解氣大閥切換時既要保證管網中的裂解氣不倒流,又要保證上游爐管及熱能回收器(TLE)不超壓。因此,裂解氣閥和清焦閥聯動的控制方案顯得尤為重要,目前常規的控制方法有兩種: 一種是雙閥之間無互相聯動的聯鎖,切換時完全靠操作人員在現場觀測閥門前后的差壓,然后交替開關2臺閥門,操作時不但需要的人員多,而且勞動強度大,容易造成誤操作;另一種是三閥聯動的聯鎖,在裂解氣閥的旁邊增設一個小的清焦閥,小清焦閥與裂解氣閥用機械連桿進行機械聯鎖,2臺閥門的聯動關系是在關裂解氣閥的同時開小清焦閥,當裂解氣閥全開后再關大清焦閥,反之亦然。從國內使用該方式的裝置來看,這種機械連桿的可靠性并不高,由于包括熱應力和冷應力等的各種應力的存在,經常導致機械連桿變形卡塞,反而造成了裂解氣大閥的開關困難,有些裝置甚至不得不拆除機械連桿,重新依靠人工操作來解決問題。

隨著電子技術的進步,目前又開發出了“電子連桿”技術,采用“電子連桿”無需設小清焦閥,而是通過獨立的冗余的PLC或者是通過DCS中的聯鎖來實現裂解氣閥與大清焦閥的互相切換,為了實現在切換過程中對裂解氣閥上下游壓力的精確控制,一般會對閥前后的取壓點進行“三取二”的設置。該方案對控制系統和前后壓力測量點的要求非常高,能夠實現自動切換,安全系數高,降低操作人員的勞動強度。

4 “電子連桿”技術的應用

4.1 應用簡介

以Zimmermann &Jansen公司的雙閘板閥為例,詳細介紹了使用“電子連桿”技術的裂解氣大閥在某80 kt/a乙烯項目中的應用。Zimmermann &Jansen公司為該項目提供了1套雙閘板閥,該閥應用了一些特殊的設計技術。

4.2 閥門結構

該閥采用平板閘板閥體設計和平行閥座,在閥門開啟位置,閥門流道形成平直的通路,使固體顆粒通過閥門時不會進入閥體內部。在閥開啟位置和關閉位置,閥體的閥座表面是完全封閉而被保護的。閥板架上部裝配有2塊獨立的閘板,閘板具有楔球結構以實現“雙隔斷、雙吹掃”的應用,即1臺單獨的閥門,在關閉位置提供一個主動密封效果。由于內部的楔球結構是非自鎖的形式,所以閥門在高溫或溫度變化劇烈的情況下依然能夠順暢、安全的運動,而不會造成卡塞。閥門開啟過程中, 2個楔形件被提起直至其上表面緊靠“阻擋塊”,上游閘板由于工藝流體的壓力被釋放,所以整個閥板只需要克服下游蒸汽閘板和流體壓力造成的摩擦。帶動2塊閥板和膨脹節的閥板架可以精確地在2塊導板之間運行,導板和閥板架是金屬對金屬的接觸?？趶酱笥贒N250的閥門安裝有膨脹節,用以防止固體顆粒物在閥門運動和開啟狀態時進入閥體?？梢苿娱y座墊圈連接一個波紋膨脹節,通過波紋膨脹節自身的膨脹以實現主動密封,可以將吹掃蒸汽消耗量減少到最低限度。

4.3 控制系統

裂解氣大閥是由1臺裂解氣閥和1臺清焦閥組成的(未設小清焦閥),2臺閥門的互相聯動是依靠1套獨立的S7-400控制系統來完成的,S7-400與DCS進行通信,主要的操作界面顯示在DCS的操作畫面上,而與裝置的聯鎖信號則由硬線連接到SIS中。應用電子連桿技術的裂解氣大閥控制結構如圖1所示。

圖1 裂解氣大閥控制系統結構示意

在現場設置了一個現場操作盤用于和PLC通信,可以顯示當前控制系統內的各個狀態和參數,閥門的執行機構使用的是Rotork的電動執行機構。按照清焦時能夠實現自動切換裂解爐的要求,在閥前和閥后的管道上分別設置了3個壓力測量點,用于監測閥前后的壓力變化,3個取壓點進行“三取二”。為了確保壓力測量的準確性,在閥體上沿著閥板運行的方向設有1臺閥位連續測量檢測器,用于監測大閥當前所處的運行位置,并且連續測量的閥位還可以實時的跟參與控制的位置開關進行比對。在大閥的全開和全關位置,分別設置了3個位置反饋開關進行“三取二”的聯鎖,防止由于其中的某個開關故障后造成聯鎖程序無法運行。

4.4 防止儀表故障誤動作方法

為防止儀表故障誤動作,在PLC中進行了剔除壞值的設定,防止其中一個取壓點的變送器故障對整個清焦過程的影響,剔除壞值的方法是對壓力變送器的實時值進行監控,當壓力變送器值在1 s內突然降為零,則馬上旁路該變送器“三取二”中的聯鎖觸發邏輯,并啟動一個30 min的聯鎖觸發延時,并給出報警,需要操作員在30 min內檢查并處理該變送器故障,如果30 min內沒有處理該變送器故障,“三取二”聯鎖仍然會觸發。

4.5 閥門聯動運行過程

在需要進行清焦操作時,裂解氣閥和清焦閥互相聯動行程如圖2所示。當切爐的程序啟動后,清焦過程中裂解氣閥和清焦閥隨時間變化的閥門位置曲線如圖3所示。

圖2 裂解氣閥和清焦閥清焦過程行程曲線示意

圖3 裂解氣閥和清焦閥開度隨時間變化的曲線示意

在清焦過程中,隨著閥門開度的不同,管道中的壓力也在不斷變化,為了防止危險事件的發生,設計了高低限壓力控制運行區間,管道壓力隨時間變化曲線如圖4所示。整個壓力變化始終被控制在高低限的壓力區間,確保清焦過程的安全。

圖4 不同溫度條件下管道壓力隨時間變化曲線示意

反之當清焦模式結束需要投用時候,裂解氣閥和清焦閥清焦結束后返回過程的行程曲線如圖5所示。

圖5 清焦結束返回過程的行程曲線示意

清焦結束后返回過程中,裂解氣閥和清焦閥隨著時間的實際閥門位置曲線如圖6所示。

圖6 清焦結束后返回過程實際閥位曲線示意

在清焦結束投用的過程中管道中壓力的控制變化曲線如圖7所示,真實的壓力要始終控制在高低限壓力曲線之間。

圖7 清焦結束后壓力控制曲線示意

在切換爐程序中仍然設有手動操作模式,所以在現場設置了現場操作盤用于非正常的工況下,現場可以由操作人員手動操作2臺閥門的開關,現場盤的上部是一個液晶顯示屏,跟西門子的PLC用通信方式進行連接,用于現場顯示當前2臺閥門的控制信息。在液晶屏的下部是手動操作按鈕,用來在現場對2臺閥門進行手動的控制。

目前在裂解氣閥應用的最廣泛的仍然是雙閘板閥,隨著裂解爐單臺能力的擴大,尤其是100 kt以上裂解爐,裂解氣閥口徑達到了DN1 000以上,大口徑的雙閘板閥也出現了一些開關不暢的問題,這次電子連桿技術的應用,也是一次新技術應用的嘗試,該套控制方案的應用,能夠大幅的減少操作人員的勞動強度,減少了誤操作,減少切換裂解爐的時間,同時依靠技術手段增強了切換裂解爐時候的安全性和穩定性。

5 裂解氣大閥的改進

裂解氣大閥在清焦過程中的故障,會導致災難性的后果,嚴重時會導致整個裂解爐燒塌,造成財產的損失和人員的傷害。由人員的疏忽和誤操作導致的事故比比皆是,提供可靠的自動化控制系統和方案,提高自動化操作水平,是解決人為的疏忽和不安全因素導致故障的根本手段。裂解氣大閥清焦過程自動化的實現,不僅需要有程序控制方案,還需要對裂解氣大閥進行結構上的優化,雖然裂解氣大閥經過了幾十年的發展,已經發展到了雙閘板閥時代,但是在清焦的過程中仍然無法避免閥門開啟和關閉時,有卡頓和延時的現象發生,當閥門發生卡頓時會嚴重影響自動清焦曲線和程序的運行,所以對裂解氣大閥內部結構的改進,減少閥門卡澀,以及現場壓力和閥位的準確測量是實現自動化控制的關鍵因素。下面分別就上述兩方面進行探討:

1)裂解氣大閥結構改進。裂解氣大閥在運行過程中的卡澀主要來自于閥體的閥板和平行閥座之間的結焦顆粒,雖然雙閘板做了特殊的設計防止物料進入閘板移動的滑道內,但是仍然不能避免日積月累的微小顆粒在軌道內的聚集,所以改進閥門蒸汽吹掃系統,是有效增加閥門運行順暢的措施,例如設計蒸汽吹掃口可以更加接近閥板的滑道位置,提升吹掃效率,讓閥門的運行更加順滑。

2)壓力和閥位測量改進。裂解氣大閥前后的壓力和閥位的測量是非常重要的,現有的方案實現了閥前和閥后壓力測量的“三取二”,可靠性得到了很大的提升,但是這3個壓力測量點,是通過一個取壓口獲得壓力值,一旦該取壓口發生堵塞,將會直接導致自動清焦過程失效,所以在條件允許的情況下,3個壓力點的取壓口盡量要分開,實現真正的獨立取壓。裂解氣大閥的真正運行位置對于實現自動清焦程序也是非常重要的,現有項目是在閥桿上增加了1個閥位的連續測量檢測設備,為了能夠更加真實而準確地測量到閥位,還應該增加其他的測量手段,例如利用裂解氣大閥電動頭內部的位置反饋器,采用通信的方式,將位置信號傳輸到DCS,然后再將閥位連續測量值和電動頭內部位置測量值在DCS內部與閥門輸出值進行數據比對,結合閥位運行曲線,判斷哪一個位置信號是更加真實的,在3個閥位數據產生較大偏差時,要及時輸出報警信號提醒操作人員,及時進行必要的檢查和確認。

上述改進措施都能夠進一步的增強裂解氣大閥在清焦過程中的安全性,以及增加自動清焦程序運行的準確性和穩定性。

6 結束語

國內大型乙烯裂解裝置,在清焦過程中多次出現過重大安全事故,導致著火、燒毀裂解爐、以及人員傷亡情況發生,目前國內還有很多的裂解爐清焦過程是靠機械連桿去實現,實際使用過程中因為機械連桿故障率非常高,絕大多數都是依靠操作人員手動完成整個清焦過程,耗時又耗力,一旦出現著火或者爆炸事故,人員撤離會非常困難。采用電子連桿技術實現裂解氣閥和清焦閥互相聯動來完成整個清焦過程,可以最大程度地減少人力成本,增加切換過程的準確性和安全性。尤其是安全方面,現場減少了人員監控和操作,使得清焦過程更加平穩、安全和精準。