加氫裝置高壓控制閥的設計選擇

0 引言

加氫裝置zui早由德國在20世紀初發展起來，那時德國缺乏石油資源，便通過煤焦油加氫進行彌補。第二次世界大戰結束后，加氫工藝在原油加工中得到了大發展，在世界各地的煉油廠，加氫裝置成為了主要裝置。

由于中國是一個能源比較匱乏的國家，原油大量進口，煤炭相對較多。近幾年大力開展煤化工制油和渣油蒽油的綜合利用。提供催化加氫生產合格的燃料油或化工原料油。2013年初，公司將山東某民營蒽油加氫裝置項目的自控設計任務交由我負責自控設計。

1 工藝要求

加氫裝置的技術難點在于高溫高壓介質的測量和控制。包括溫度，壓力，流量，液位的測量；以及高溫高壓介質的流量控制。

高溫高壓介質主要分為氣體和液體：氣體主要是氫氣，分新氫和循環氫；液體主要是原料油和加工過程油品，還有部分含硫污水等。

2 高壓調節閥選型

根據不同工藝要求，高壓調節閥分為單座調節閥和單座角閥，如圖1、圖2。

                           圖1 高壓單座調節閥

圖2 高壓單座角閥

根據工藝要求，對于高壓流量控制閥門，在閥前后壓差大時，需選用高壓角閥。

2.1 閥體材質的選用

根據設計規范要求閥體材質必須等于或優于工藝管道材質。

由于氫氣的特性，在加氫工藝過程中，對高壓氫氣的管道材料有其特殊要求，普遍采用A106碳鋼。控制氫氣的調節閥，需選用抗氫脆的材料（氫氣介質溫度達到一定高度時材料有氫脆問題），故選用特種碳鋼A216WCC。氫氣分新氫和循環氫，針對循環氫中會含有硫的成分，材料選擇必須加上（抗硫型）。

對于液體介質，特別是原料油和中間介質，因為是原油加工的產物蒽油，粘度高，同時含有較多重組分，溫度低時，粘度更高，且容易凝結。工作溫度在攝氏180度至270度。對調節閥提出了較高的要求。故選用特種碳鋼A216WCC或不銹鋼A351CF8C。對于部分反應后含硫的介質，材料選擇必須加上（抗硫型）。碳鋼材質有NACE處理需求。

                              圖3 高壓角閥，一用一備

圖4 M2本體部構造

2.2 閥芯材質和閥座材質的選用

根據材料強度的要求，大部分調節閥選用了316L不銹鋼，部分高溫介質采用347（裂化原料油、精制原料油、裂化混氫油、精制熱高分油、裂化熱高分油）。

2.3 填料的選用

對于低溫介質，采用DoublePTFE四氟材料；而高溫介質，則采用SingleGraphite石墨。

2.4 流量特性

對于高壓單座調節閥，流量特性為常用的等百分比；而對于高壓角閥，流量特性宜為線性（可咨詢閥門廠商）。

本項目采用德國進口調節閥，高壓單座調節閥和高壓角閥的流量特性均為等百分比。

2.5 高壓角閥流向的選擇

由于使用高壓角閥，必須注意介質的流向。大多數高壓角閥的生產商建議底進側出；根據高壓角閥的特性，一般要求液體介質側進底出，氣體介質底進側出。對液體介質，底進側出時，氣蝕較大，必須加上司太萊堆焊等工藝，以加強閥體（側進底出在工藝方面考慮低壓側流速高、高速流體對設備損傷作用大）。

本項目有4臺熱高分罐出口閥，經廠家計算后，汽化率較高，必須將出口管徑擴大，故采用2”進，3”出的方案，結構上是側進底出。

2.6 手輪的選用

由于使用高壓調節閥的工藝要求較高，故必須配備手輪，主要根據氣動執行機構，大多安裝在調節閥頂部，也有少量安裝在調節閥側面。安裝在頂部可直接轉動，安裝在側面需加齒輪傳動機構，在現場有可靠性方面的擔心。

3 高壓切斷閥選型

高壓切斷閥選用平行閘板閥。

3.1 高壓切斷閥的應用

應用于原料油進料，高分罐出口，緊急放空及高壓注水。故要求動作迅速，采用氣動雙作用執行機構，不帶反饋彈簧。配套的電磁閥采用原裝ASCO二位三通隔爆式，提供一臺鎖止閥，一臺二位五通和兩臺二位三通的氣動執行機構推動氣缸動作。為保證故障狀態時，閥門處于安全位置，特加入儲氣罐，保證至少兩次可將閥門回到安全位置。由于閥門口徑較大，對執行機構力矩要求較高，故統一要求廠家采用3/4”氣源接頭。

3.2 閥體材質的選用

閥體材料選用A216-WCB，含硫介質需抗H2S；熱高分出口選用A351-CF8C（做NACE認證）。

3.3 閥芯材質和閥座材質的選用

閥芯材質和閥座材質選用SUS304不銹鋼，加司太萊堆焊；熱高分出口選用SUS347不銹鋼，加司太萊堆焊。

3.4 填料的選用

依據介質溫度選擇填料，本項目均選用石墨。

3.5 手輪的選用

根據工藝要求選配手輪。

4 高壓電動切斷閥選型

高壓電動切斷閥均選用Y型截止閥。

                                 圖5 M2型體：標準型

圖6 高壓切斷閥控制氣源示意圖

4.1 高壓電動切斷閥的應用

應用于對新氫壓縮機和循環氫壓縮機的出口控制。

4.2 閥體材質的選用

閥體材料選用A216-WCB，循環氫需抗H2S。

4.3 填料的選用

依據介質溫度選擇填料，本項目均選用石墨。

4.4 手輪的選用

均需帶手輪。

4.5 電動執行機構

采用了國產合資產品。由于對動作速度的要求，必須配合功率較大的電動執行機構。電源采用三相380V電源。特別注意設計中需保證電源供應（電動機啟動功率很大）。

由于壓力等級均為CLASS1500或CLASS2500，故法蘭類型選用RJ密封面。

                                圖7 切斷閥的控制氣路

                                圖8 儲氣罐

圖9 Y型截止閥的剖面圖

特別注意：環連接面需使用金屬環墊，且金屬材質的硬度需低于法蘭材質30。由于加氫的特殊要求，工藝管道不少是采用碳鋼材料，硬度較低，所以建議金屬環墊的材料使用軟鐵材料。

5 設計中需注意的問題

由于加氫裝置的特殊性，涉及高溫高壓的介質，且原料油成分的復雜性，通常粘度較高，對控制閥提出了較高的要求；而高壓氫氣則需防止材料的氫脆；循環氫及中間過程油品又含有硫及硫化氫成分，材料需具有抗硫特性。

對于高壓控制閥，其外形尺寸、質量遠大于低壓控制閥，故需在廠商返回訂貨資料后仔細核對，配合配管專業合理安排安裝位置。

                                圖10 高壓法蘭密封面

圖11 環連接面

6 結束語

蒽油加氫裝置的應用，使原來價值較低的蒽油轉化為輕質石腦油和柴油。此裝置的柴油產品，可用于車輛的燃料，其硫含量和氮含量均符合國V標準。極大的提高了產品的價值，產生了很好的效益。