催化裂化装置反应器进料调节阀产生振荡的原因及改进措施

    在炼油化工厂生产过程中，工艺流程的变动，操作条件、控制要求与原始设计的不同，都可能使一些监控仪表及调节阀在使用过程中出现这样或那样的问题，针对催化装置反应器进料调节阀在实际使用中时常出现振荡的问题进行分析，提出改进对策，总结调节阀改进后的控制效果，不但为炼油研制的安稳生产创造了有利条件，而且为调节阀的正确使用积累了一点经验。

关键词：调节阀  振荡  定位器  流量特性  流量系数  空化  闪蒸

1、工艺装置简介
    洛阳石化总厂催化裂化装置，采用高低并列提升管式反应器，年处理量为200t。目前，我厂采用渣求同与分馏塔底油浆参炼的工艺，实现催化裂化安全生产，反应器进料参炼比例为常压渣油：油浆=165：10，常压渣油占总进料量的94.3%，直接影响催化物料平衡和能量平衡及整个装置的安稳操作。因此，催化裂化装置反应器进料的控制必须达到灵、准、稳，并且安全可*，在图1所示的催化裂化工艺流程图中，G309-ZJTX是担负反应器进料常压渣油流量自动监控的唯一自控回路，回路中G309调节阀是反应器进料常压渣油流量控制调节阀。
2、存在问题
    1984年，我厂催化裂化装置开工投产，G309-ZJTX使用良好。可是，从1991年12月G309调节阀出现一次振荡后，一直不时地发生振荡，致使进料波动，有时波动还很剧烈。
 
       图1  催化裂化装置两器工艺流程及反应进料自控回路图
    本文针对G309调节阀振荡的问题进行了浅析原因，提出解决对策，总结改进实施效果。
3、催化裂化反应器进料G309调节阀振荡原因分析
3.1 调节阀工作原理
    该套调节阀是我厂建厂初期从日本梅索尼兰公司成批引进的35系列偏心旋转阀，它包括气动执行机构、调节阀、阀芯、手轮机构、气动调节阀定位器和空气过滤减压阀等。工作原理如图2所示。当到定位器信号孔C的调节信号增加时，测量膜片产生的力压缩左边反馈弹簧，由于此时调节阀阀位还没有改变，那么反馈弹簧因压缩而产生一个向右的反作用力，推动定位器柱塞阀向右移动，使得从气源孔B来的仪表风进入输出D的风量增多，风压增加，从而使执行机构动作打开阀芯，同时定位器反馈凸轮将阀芯开度经反馈弹簧给定位器柱塞阀，使柱塞阀在左右弹簧的作用下保持平衡，定位器才有一个稳定输出。每一个调节信号就对应有一个稳定的阀芯开度，从而达到调节流量的目的。
3.2 调节阀振荡原因分析
 
          图2  调节阀工作原理图
    G309调节阀选型工艺操作设计条件见表1.
表1  G309调节阀选型及工艺操作设计条件

G309调节阀选型			工艺操作设计条件
名      称		偏心旋转调节阀	介质	蜡油（注：建厂设计介质）
型      号		35-35200
厂       家		日本梅索尼兰公司	相对密度	0.87
流 量 特 性		直线流量特性	粘度	1.44mpa.s
额定流量系数		Cv=500	压缩系数	1
动作方式		气开—流关—停风关	温度	205℃
阀体	尺寸	150mm	阀前压力	784.5kpa.A
	材料	ASTMA216WCB	阀后压力	735.5kpa.A
执行机构	方式	反作用	阀前后压差	49.0kpa
	行程	177.8mm	最大流量	434m³/h
	弹簧范围	39.2~166.7kpa	正常流量	330m³/h
	气源	313.8kpa	最小流量	150m³/h
	允许压差	2059.4kpa	选择流量刻度	250t/h
定位器	型号	7601--130
	信号/阀位	98.1kpa/开~19.6kpa/关

3.2.1选择直线流量特性的影响
    调节阀流量特性是指流过阀门的相对流量与阀门的相对开度之间的关系，有直线、等百分比和快开3种流量特性。调节阀是组成调节回路的重要环节，生产过程的调节品质与调节阀流量特性的选择有很大关系，如果选择不当则会降低调节品质，甚至造成调节系统失灵。从G309调节阀当时的使用情况看，调节阀选择的流量特性为直线流量特性，阀门开度一般为23%左右，常压渣油进料量为165t/h左右，若调节阀选择等百分比流量特性，则对应阀门开度为60%左右，这个开度下的调节阀控制效果和调节品质肯定比前者好。
3.2.2 调节阀流量系数选择的影响
    调节阀流量系数C是指当调节阀两端差压为1kg/cm²(1kg/cm²=9.80665×10 4kpa)(四次方)。流体密度是1kg/cm²，通过阀门的流体流量数（m³/h）。流量系数是表示调节阀流通能力的参数，它与调节阀的口径有直接关系，调节阀口径就是根据计算修正后的流量系数C值来选择的。合适的C值选择，要求调节阀全开时能通过工艺最大流量，而不留过多的裕量。日本梅索尼兰公司调节阀口径计算手册上规定：“调节阀能能通过的最大流量是工艺过程要求的最大流量的1.15~1.5倍。而对于流通能力大、流阻小的偏心旋转阀来说，1.25倍较为合适。让我们看看G309调节阀当时的实际流通能力，23%的阀门操作开度对应流量为165t/h，则全开时对应流量为（100/23）×165=713t/h，是工艺操作设计最大流量434×0.87=377t/h的1.9倍。裕量过大，造成调节阀低负荷运行接近临界工作状态，从而使调节性能不稳定，易被激发而发生振荡。
3.2.3 空化与闪蒸现象对调节阀的影响
    催化反应器进料常压渣粘度大，经过调节阀时，由于开度小，阀压降很容易达到一定的值，发生空化，闪蒸现象，导致汽蚀和噪声，损坏阀芯，产生振动，使调节阀控制不稳，发生振荡。从当时G309调节阀的工作情况来看，流体流过调节阀的噪声很大，且阀后噪声比阀前大，还不时有“卡嚓”声，这说明空化、闪蒸现象在一定程度地影响着调节阀的工作。
4、改进与效果
    1994年9月10日至1994年10月10日是我厂催化裂化装置第12次大检修时间，在此期间，我们对G309调节阀进行了技术改造，首先重新核算并校正了调节阀的选型，见表2。
    在调节阀现场安装时，将调节阀前后各4米长的工艺管线管径由原来的DN300改为DN200，且调节阀前、后直管段长度由原来的0.2m改为2.0m。调节阀的现场安装配管接近于美国仪表学会的建议标准。
    G309调节阀经过技术改造后，于1994年10月在我厂第13周期开工生产使用时，一次投用成功。又经过几个月的实际运行情况来看，这种改造不仅解决了调节阀振荡问题，而且能使控制回路投入自动控制，且控制效果灵、准、稳。调节品质也有了大大提高使用效果令人十分满意。

表2  改造后的G309调节阀选型及工艺操作设计条件

G309调节阀选型			工艺操作设计条件
名称		HCB笼形双座调节阀	介质	常压渣油 （注：目前工艺介质）
型号		HCB-150×150
厂家		中国吴忠仪表厂	相对密度	0.72
流量特性		等百分比	粘度	2.2mpa·s
额定流量系数		Cv=420	压缩系数	1
动作方式		气开式	温度	250℃
阀体	尺寸	150mm	阀前压力	882.6kpa  A
	材料	1Cr18Ni19 阀内组件：MO2Ti+STL	阀后压力	686.5~490.3kpa A
执行机构	方式	反作用	前后压差	196.1~392.3kpa
	行程	50mm	最大流量	200t/h
	弹簧范围	80~240kpa	正常流量	170t/h
	气源	274.6kpa	最小流量	100t/h
	允许压差	6276.3kpa	选择流量刻度	250t/h
定位器	型号	HEP-15

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