降低制氫裝置 PSA 程控閥故障率的研究

摘要：中海油氣 (泰州) 石化有限公司 50 000 m³/h 制氫裝置自開工以來，180、182 單元 2 套 PSA 中的程控閥每年都會出現諸多不同原因的故障導緻切塔，生産裝置被迫降低負荷甚至停運，影響裝置的正常平穩運行以及各用氫單位的正常生産。文章就兩套 PSA 程控閥出現的各類故障進行展開梳理和分析優化，並提出瞭改進措施，最大程度降低 PSA 程控閥的故障率，確保 PSA 的正常平穩運行和全廠氫氣管網穩定。

關鍵詞：PSA 程控閥；制氫裝置；石油化工

前言

      中海油氣 (泰州) 石化有限公司運行一部 50 000 m³/h 制氫裝置擁有的兩套 PSA (180 制氫和 182 重整)，均採用四川天一科技股份有限公司開發的變壓吸附氣體分離技術。該技術的實現主要依賴於系統内各程控閥在既定程序的控制下周期性的頻繁開關動作，從而實現原料氣的吸附淨化，並産出純度極高的氫氣，具有高度的自動化、程序化、大型化的特點。因此，PSA 程控閥的穩定性與 PSA 系統的平穩生産息息相關。而随著制氫裝置長期生産及設備、材料老化，PSA 程控閥逐步開始出現各種不同類型的故障，嚴重影響 PSA 系統的正常穩定運行，導緻制氫裝置工藝生産被迫降低負荷，裝置産氫波動，甚至裝置停車等事故，對全廠各用氫裝置産生氫壓波動，影響用氫裝置的穩定生産。

01 PSA 系統工藝原理及流程介紹

      PSA 系統工藝的基本原理就是利用諸多吸附塔内多種吸附劑對不同氣體組分的吸附能力不同以及某種氣體在吸附劑中的吸附量随著(zhe)吸附壓力的變化而變化的原理，實現氣體混合物的提純分離與吸附劑的再生循環，即從 PSA 的原料氣中大量吸附多種雜質組分，提純産出合格的氫氣，使其純度大於 99.9%，以滿足其他裝置的工藝用氫要求。再通過降低塔内壓力，使得吸附塔内的吸附劑中的雜質組分脫附析出，吸附劑得到再生，並(bìng)通過程控閥的開關，使解析氣體經混合罐、緩沖罐後送出。180PSA 産出的解析氣送至轉化爐作爲燃料，182PSA 解析氣送至 182K101，經壓縮後送至 180 裝置作生産原料。

      泰州石化制氫和重整 PSA 裝置主程序均採(cǎi)用 10-3-4/P 工藝，即10 個工作塔，3 塔同時吸附，4 次均壓，具體而言就是主要由 10 台吸附器、2 台順放罐、1 台解吸氣緩沖罐、1台解吸氣混合罐、1台氣液分離器和 78 台程控閥組成。在該系統中，任意時間始終保持有 3 台吸附塔處於(yú)吸附步序，每台吸附器在不同的時間依次經曆吸附 (A)、1 級壓力均降 (E1D)、2 級壓力均降 (E2D)、3 級壓力均降 (E3D)、4 級壓力均降 (E4D)、順放 (PP)、逆向放壓 (D)、沖洗 (P)、4 級壓力均升 (E4R)、3 級壓力均升 (E3R)、2 級壓力均升 (E2R)、1 級壓力均升 (E1R) 和最終充壓 (FR) 等步驟。10 個塔按照廠家設定的程序交替循環運行，時間上互相交錯有序銜接，以此實現原料氣不斷輸入，産品氫不斷輸出的目的。

02 程控閥原理及其簡介

      PSA 系統中的各個步序：吸附、均壓、順放、逆放、沖洗、終充等步驟，整個過程是通過生産廠家編寫的程序在 DCS 系統的控制下，各個不同作用的程控閥自動的周期性開關，切換吸附塔，並(bìng)調整其内部壓力來實現。由於(yú) PSA 系統内的氣體都具有易燃易爆性質，且每小時的進料量多氣體通過量很大，單個程控閥在一年内最多的需要開關幾十萬次，這種超高頻率的啓閉模式，對閥門性能與制造質量的要求非常高。

      首先，程控閥門的密封性能要好。防止閥門出現外漏及内漏的現象，嚴防出現燃燒或者爆炸事故。其次，程控閥門的開關速度要快。耗用時間應小於(yú)3 s，以保證後續程序的順利進行，否則将會出現閥檢報(bào)警。若同時伴随塔壓報(bào)警，則 PSA 系統将自動切塔。最後，程控閥門的結構及材料要具有雙向抗壓、抗沖刷、抗腐蝕性的要求。

      程控閥由閥體、執行機構、閥杆、閥芯、閥銷等組成，附件由電磁閥、回訊開關、儀表管線、消音器、過濾器等組成。其控制模式主要是在既定程序的步序控制下，系統輸出 24 V(DC) 開關信号至電磁閥，電磁閥根據信号控制不同氣路的導通，改變該閥執行機構的供風方向，推動執行機構上下動作來實現閥門的開關，進而達到程序繼續運行所需滿足的工藝參數和閥檢信号條件。閥檢信号是由回訊開關模塊發出的，即閥杆頂端安裝有跟随閥杆上下移動的金屬塊，在閥體頂部閥杆開孔中心旁安裝有感應探頭及防雨罩。該探頭可感應金屬塊的具體位置，反饋閥杆上下移動是否到位，閥門開關是否正常，並(bìng)可在DCS系統顯示閥檢報(bào)警。

03程控閥常見故障

3.1 電磁閥故障 

      電磁閥故障是導緻程控閥出現問題的主要原因之一。電磁閥的作用就是将 DCS 的輸出電信号轉化爲氣動信号，電磁閥得電後驅動儀表風帶動閥門執行機構實現閥門的開關動作。因此，電磁閥的作用非常關鍵，一旦出現故障，程控閥動作将難以完成，很有可能導緻閥門卡澀、開關異常乃至自動切塔，造成生産(chǎn)波動。電磁閥故障常見的是電磁閥串氣或失效，直接導緻閥門無法正常開關或開關緩慢。其故障主要原因是儀表風質量差、活塞 O 型圈失效、線圈損壞等，改善方式主要是優化儀表風質量、定期更換電磁閥或密封圈及線圈。同時，加強日常巡檢，發現電磁閥異常情況，及時彙報(bào)處理。

3.2 閥檢信号故障 

      閥檢信号故障主要是指 DCS 閥檢顯示與實際閥位開關不一緻。當閥檢信号出現故障時，DCS 畫面就會出現閥檢報(bào)警，若隻是信号故障，不伴随塔壓偏差報(bào)警，則不會自動切塔，即可聯系儀表人員和外操人員到現場(chǎng)檢查處理。閥檢信号故障的常見原因包括閥門回訊探頭松動、閥杆端感應金屬體脫落、閥檢接線不良、反饋回路安全栅損壞、儀表風壓力不足等。處理方式主要是檢查探頭、緊固接線、更換安全栅、提高風壓等。

3.3 執行機構故障

      執行機構包括氣缸、活塞、閥杆、閥芯等部分，閥芯通過螺紋、半圓環、閥銷與閥杆連接，閥杆與活塞杆作爲一個整體與位於(yú)氣缸内的活塞連接，活塞在儀表風的作用下實現上下移動，從而帶動閥杆及閥芯上下動作，實現閥門的正常開關。程控閥的執行機構作爲金屬部件且硬性連接，在經過長期高頻次的動作後，一些受力較大的金屬部件，如閥杆、支撐環、半圓環等，就有會發生磨損變(biàn)形或疲勞破壞等現象，可能造成閥門卡澀、氣缸串氣、開關不到位，甚至産生閥杆斷裂、閥芯脫落、填料拉傷閥杆外漏等嚴重故障，導緻裝置非計劃降負荷乃至停車。處理方式一般隻有将故障閥門對應的塔切出，閥門下線拆修，由此帶來不必要的生産波動與額外成本。

3.4 閥門洩漏故障 

      閥門洩漏可分爲内漏與外漏，且基本是閥門某處密封件失效導緻的。閥門的密封附件主要由橡膠密封圈 (O 形圈、L 形圈) 以及填料、密封片 (PEEK 複合材料、304 複合件) 等組成。程控閥的外漏主要包括閥杆填料洩漏以及閥體洩漏，其中前者最常見。閥杆填料洩漏原因一般是填料老化失效、壓蓋螺栓松動、密封面有雜質磨損失效等。當填料處出現洩漏時，可通過可燃氣報(bào)警儀或噴肥皂水冒泡及時發現，對輕微洩漏，可聯系維保人員，通過緊固壓蓋螺栓的方式解決，若未有緩解且有嚴重的趨勢，則可将對應閥門下線，更換填料密封解決。程控閥内漏主要是閥芯内漏，即閥芯與閥座的密封面失效，導緻閥門出入口串壓，表現爲吸附塔之間壓力互竄，影響吸附塔的正常狀态。在閥門開關過程中，閥芯始終會承受高壓差氣流的沖刷，而且氣流中還會有吸附劑顆粒、焊渣等雜質，跟随氣流在密封面及金屬表面沖刷出細小凹點。這種凹點會随著(zhe)使用時間的延長、材質的老化逐漸擴大，使閥門密封性能衰弱，最終導緻密封片失效。對洩漏較爲嚴重的，隻能将該塔或該系列切出，程控閥下線檢修。

3.5 控制系統故障 

      PSA 控制系統主要是指 PSA 的程序控制，PSA 系統内部程控閥均按照廠家設定内部程序控制進行開關動作，由於(yú)内部程序在出廠時候就已設定好，並(bìng)可自動運行，程序本身出現故障的概率極低。截至目前，在泰州石化制氫裝置兩套 PSA 運行期間，暫未出現程序本身故障，但多次出現過保險絲燒壞、接線松動及安全栅失效等問題。這些問題都将導緻 PSA 的控制系統出現故障，影響 PSA 程序的正常運行。

3.6 PSA 系統管線内部铵鹽結晶 

      在 182PSA 停工的檢修期間，檢修人員拆開程控閥閥體及入口分液罐人孔後發現，182PSA 系統内部存在大量白色粉末，經現場(chǎng)取樣、化驗分析得知其成分主要是氯化铵結晶。由於(yú)182PSA 主要的原料氣爲泰州石化運行三部重整裝置送出的重整氣，同時，該重整氣必須經過脫氯處理，以減少對182PSA 吸附系統的腐蝕，減少铵鹽結晶，但由於(yú)重整氣中氯離子含量較多，容易出現脫氯劑的穿透或失效，偶爾會伴随大量氯離子帶入 182PSA 的入口及内部。同時，182PSA 的另外一股原料氣是加氫後的低分氣，該原料中含大量的氨根，氨根與重整氣攜帶的氯離子容易反應，生成氯化铵結晶，該結晶固體極易堵塞 182PSA 入口過濾網以及各吸附塔入口的程控閥内部，從而容易導緻 PSA 系統出入口壓差增大以及 PSA 程控閥開關異常。

      根據以上分析，結合兩套 PSA 出現的故障記錄，可以看出 PSA 程控閥(fá)故障頻率最高的是電(diàn)磁閥(fá)故障及閥(fá)檢信号故障，其次是閥(fá)門填料洩漏，而閥(fá)門内漏、執行機構及控制系統故障的出現情況較少。因此，降低程控閥(fá)的故障率的關鍵就是減少電(diàn)磁閥(fá)故障、閥(fá)檢信号故障及優化程控閥(fá)運行環境。

04 降低PSA 程控閥故障率的措施

4.1 日常巡檢與定期檢查 

      (1) 可通過加強日常巡檢、定期氣密、報(bào)警監控，從而可及時發現程控閥是否出現洩漏情況。對閥杆輕微的填料密封，可通過定期緊固壓蓋螺栓的方式得到有效初步控制；對洩漏嚴重、難以控制的，檢查應立即彙報(bào)，做好防護，聯系維保人員，按照應急方案處(chù)置。

      (2) 定期檢查 PSA 系統電磁閥，查看有無串氣、漏氣、堵塞等現象；對有串氣、漏氣現象的電磁閥做好台賬記錄；對比較嚴重的，擇機進行現場(chǎng)更換，防止後續出現因氣壓不足，電磁閥故障導(dǎo)緻閥門開關異常、PSA 切塔等事故發生。

4.2 維保巡查與現場檢修

      (1) 聯合儀表人員，加強對兩套 PSA 裝置的定期巡查，檢查所有程控閥的螺栓、法蘭、接頭、頂絲、探頭、消音器、防雨帽、儀表管線等附件有無異常，並(bìng)做好台賬記錄，對發現的問題，及時處理；加強 PSA 儀表供風總管氣源三聯管路的日常巡檢，增加儀表風線過濾系統及油霧潤滑系統，確(què)保 PSA 儀表用氣無液滴、無雜質，保證程控閥氣缸活塞的潤滑性能。

      (2) 定期聯系裝置儀表人員，對兩套 PSA 系統的安全栅、保險絲進行現場(chǎng)檢查。對超過建議使用年限的，在不影響 PSA 運行的前提下，擇機進行更換，並(bìng)做對應的台賬記錄；對接線松動的，定期進行緊固。當 PSA 某塔或者某系列出現故障而自動或手動切出，處理相應問題的時候，可根據前期記錄台賬，同時進行其他程控閥的檢查、維修、更換工作，消除隐患。

4.3 壓力調控與技術改進

       (1) 在原用氣基礎壓力上，提高 PSA 儀表風總管壓力 0.1 MPa，補(bǔ)償(cháng)程控閥氣缸輸出摩擦力增大、推力不足的損失，滿足 PSA 程控閥正常開關的需求。

      (2) 适當低控全廠(chǎng)氫氣管網壓力，可降低 PSA 的 5 号程控閥在終充步序啓閉(bì)時候的前後壓差，避免出現因壓差過大，氣缸力矩不夠，閥門無法正常開關的情況。

      (3) 爲保證 182 穩定運行，可考慮将 182PSA 入口分液罐過濾網改爲管道過濾器，並(bìng)分兩組，可進行切換清理。同時，加強與上遊重整裝置的聯系，根據重整氣原料的定期化驗分析結果，定期更換脫氯劑，從(cóng)根源上減少氯離子含量，從(cóng)而避免铵鹽的大量生成。

05 結語

      中海油氣 (泰州) 石化有限公司制氫裝置的兩套 PSA 系統承擔著(zhe)泰州石化全廠生産工藝氫氣的重任，當出現 PSA 系統的生産事故時，會有大量的解析氣放空及氫氣管網的波動，甚至容易導緻制氫裝置發生聯鎖事故，進而帶來更大程度的生産波動。因此，保證兩套 PSA 的穩定運行，就是保證全廠氫氣管網的穩定，這對全廠各用氫裝置而言至關重要。對上文分析總結出的 PSA 程控閥出現的各類故障，泰州石化制氫裝置經過讨論分析，有針對性、計劃性地展開瞭(le)相應的整改和應對措施，從根本上降低瞭(le)兩套 PSA 系統内程控閥出現故障的概率，保證瞭(le)全廠氫氣管網的穩定，促進瞭(le)全廠用氫裝置的平穩生産，有力助推瞭(le)泰州石化高質量運行。