乙烯FV-156偏心旋控制阀故障分析及其处理

发布时间:2010-10-27  点击数:2847
    偏心旋转控制阀又称凸轮挠曲控制阀,在烯烃厂乙烯片区应用十分的广泛,在生产过程中起着重要的作用。但是,控制阀作为自动控制系统的一个重要环节,并没有引起人们的高度重视,所以,借对乙烯FV-156控制阀故障的分析和处理,来引起人们广泛的关注。
一、偏心旋转控制阀介绍
    偏心旋转控制阀由Masoneilan公司在1968年研制成功。1977年该公司推出了第2代偏心旋转控制阀,其结构如图1所示。
  
    当气源信号压力改变时执行机构带动推杆动作推动转轴旋转,装于轴上的球面阀芯相对于阀体中心作偏心旋转,使阀芯进入阀座并依靠阀芯的柔臂的弹性,保证阀芯球面与阀座密封面紧密接触达到可靠的密封。偏芯旋转控制阀的阀体结构如图2所示。
    在不更换阀体的情况下更换阀芯、阀座可以获得不同的控制阀额定流量系数
    偏心旋转控制阀的执行机构有2种形式,即深筒膜片式执行机构和气缸式执行机构。深筒膜片式执行机构适用于小口径、低压差的使用情况。气缸式执行机构适用于大口径、高压差的场合。
 
    偏心旋转控制阀密封性能好符合ANSIB 16104Ⅳ级标准,泄漏量小于额定Cv值的0.01%,流通能力大,可获得较大的额定流量系数。流体不平衡力小、稳定性好、允许压差较大。阀体流路简单适用于黏度大和含颗粒的介质。结构紧凑、重量轻、便于安装。零部件互换性好维修方便。
二、故障的出现及分析
    FV-156偏心旋转控制阀为GA-104泵出口,经EA-123,EA-127至DA-10l塔的流量控制阀。FV-156的原参数如下所述。
    口径:8″(1″=25.4mm,下同);压力等级:ANSI3OO;计算Cv:507;选择Cv:850;流量特性:等百分比;作用方式:流关-气开;弹簧范围:0.05~0.17MPa;气源压力:0.32MPa;介质:急冷油;温度:163℃;相对密度:0.968;流量:606t/h;压差:0.2MPa。
    8″的偏心旋转控制阀在不同的参数条件下最大允许压差如表1所列。
表1 8″(1″=25.4mm)控制阀的最大允许压差  
Cv 执行机构类型 预压 流向 流关气开 流开-气关 流关-气开
气源0.21 气源0.25 气源0.28 气源0.32 气源0.35 气源0.39
850 35 流关(液体) 0.49 0.17 0.42 0.63 0.63 0.63
70 0.11 流关或流开 1.54
510 35 流关(液体) 0.28 0.7 0.98 0.98 0.98
70 0.11 流关或流开  0.77 2.1

    注:35是深筒膜片式执行机构;70为气缸式执行机构。
    工艺流程如图3所示。

    EA-123为6台并联的换热器,其中EA-123E,EA-123F为工艺技术改造新增加的2台换热器。FV-156控制阀以前运行得很稳定,但在换热器增加以后,出现了振荡,稳定性变差,中控室信号难以控制的现象,只能在现场以手轮操作,严重影响了工艺的正常稳定生产。
    EA-123A/B/C/D是4台并联的换热器,2台换热器EA-123E/F也采用了与之并联的方式,因此造成该6台换热器的压降减少。在系统压力降稳定的情况下,则控制阀上的压力降就要增大,具体示意如图4所示。
    p稳定不变的情况下,Δp1减小,相对Δp2就要增大。由于这一系统设备及管道上没有安装压力检测仪表,所以FV-156的实际压差值不知道。
   
    流体通过控制阀时,阀芯受到流体静压和动压所产生的作用力,即阀芯上下移动的轴向力和阀芯旋转的切向力。对于角位移的偏心旋转控制阀,影响其角位移,即控制阀开度和执行机构信号关系的是阀轴受到的切向力矩,即不平衡力矩。对于工艺介质,控制阀及流向已确定时,则不平衡力矩主要与阀前压力和阀前后压差有关。控制阀执行机构的输出力就是用来克服不平衡力矩的。对于确定的执行机构来说,其输出力是固定的,所以控制阀应限制在一定的压差范围内工作,保证执行机构输出力矩能克服不平衡力矩,这个压差范围,即控制阀的允许压差。当控制阀两端的压差增大时,其不平衡力矩也随之增大,当执行机构的输出力矩小于不平衡力矩时,控制阀就不能保证输入信号与阀的开度之间的对应关系,阀的稳定性就差,就会出现振荡、中控室信号难以控制的现象。
    由表1可以知道,FV-156的最大允许压差为0.63MPa,可以认为控制阀两端的实际压差必大于0.63MPa,这就是FV-156存在故障的原因。
三、故障的处理
    处理FV-156存在故障的方法,就是如何去克服由于控制阀压差增大而造成的不平衡力矩,即如何提高控制阀的允许压差范围。有两种方法,一是重新选定控制阀额定流量系数;二是提高控制阀执行机构的输出力矩。
     1、流量系数的定义
     在1psi(注:1psi=6894Pa)的压降下,介质为60°F(1°F=1.8℃+4457.1)清水时,每分钟流经控制阀的加仑(1英加仑≈4.546L)数。
     额定流量系数是指控制阀全开状态时的流量系数。它的大小反应了控制阀的流通能力的大小。     当介质为液体时,控制阀流量系数Cv值的计算公式
           (1)
    式中:qm-- 液体流量,t/h:
          d -- 介质相对密度;
          Δp-控制阀两端压差,kgf/cm2(0.1 MPa)。
    等百分比流量特性的控制阀的开度K计算公式
    K={1+Flog(Ci÷C)]÷1.48}×100%    (2)
    式中:C--控制阀的额定流量系数;
         Ci--某一流量下的流量系数。
    FV-156的原参数如前所述。由于工艺技术改造,其流量最大值为730t/h。由于增加了2台换热器及流量范围的扩大,控制阀两端压差值必然增大。现在无法实际测得控制阀两端的压差值的大小,但原参数告诉人们在668t/h时,其压差值为0.2MPa,根据式(1)中Cv成反比的关系,笔者保守地取其差压值为0.3MPa,若能在此情况下满足要求,则在高于此压差的情况下,也能满足要求。
    介质的温度、相对密度不变,将新的参数值代入式(1)中,则可以得到流量最大时的流量系数。计算如下所示。
      
    依据计算结果及表1中所提供的数据,笔者选择控制阀额定流量系数为510,在气源压力为0.32MPa时,其允许压差范围为0.98MPa,完全能满足工艺生产提出的最大压差为0.8MPa的要求。
    根据式(2)流量最大时控制阀的开度     K={1+[log(501÷510)]÷1.48}×100%=99%     基本能满足流量最大的要求。
    在满足工艺生产条件的情况下,通过更换控制阀的阀芯和阀座,将控制阀的额定流量系数降低一档次的方法,提高了控制阀的允许压差,解决FV-156存在的故障问题。
    2、提高控制阀执行机构的输出力矩
    也就是提高了控制阀的允许压差。采用气缸式执行机构可以做到这一点。从表1可以看出,控制阀额定流量系数为850时,70型气缸式执行机构控制阀的允许压差为1.54MPa,完全能满足工艺生产提出的最大压差为0.8MPa的要求。因此,通过将深筒膜片式执行机构更换为气缸式执行机构,增大了执行机构的输出力矩,从而提高了控制阀的允许压差,也可以解决FV-156存在的故障问题。但是,采用气缸式执行机构存在一个气源故障时的安全保护问题,即气源故障时,从工艺生产安全考虑,控制阀应处于全开或全关位置状态的问题。FV-156的执行机构为深简膜片式执行机构,在气源故障时,可以依靠弹簧的弹性作用使控制阀处于全开或全关的位置状态。若采用气缸式执行机构,在气源故障时,由于没有弹簧的作用力,其控制阀的开度是随机的,因此,必须配置1套保护系统,保证在气源故障时。控制阀处于全开或全关的安全位置状态。    FV-156根据工艺生产安全的要求,在气源故障时,控制阀应处于全关的位置。因此,若采用气缸式执行机构,必须附带一套气源故障保护系统,如图5所示。
  
    输送阀的作用是在气源压力低于其设定值时,自动进行气路切换。当切换开关7处于手动位置时,气缸式执行机构的2个气室相通,压力相等,这时可以用手轮进行手动操作。
    当切换开关处于自动位置,在仪表气源正常的情况下,输送阀的a和c相通,b和a,c不通,其设定值为0.21MPa。气源定值器2设定值为0.11MPa的固定预压,经输送阀1通于执行机构的右侧气室中。气源定值器1设定0.21MPa的气源供应调节阀定位器阀门定位器接受中控室4~20mA的电信号,经电/气转换,输出可变的气压力信号,通过输送阀2作用于执行机构左侧气室,实现控制阀的调节作用。仪表气源经止逆阀对容气罐充气,直到容气罐中的压力与仪表气源压力相等,止逆阀保证了容气罐中的气不会因仪表气源压力降低而倒流进气源管线中。气源定值器3对容气罐的出口压力进行设定,一般为0.11MPa。在仪表气源故障时,即仪表气源压力低于正常工作压力0.21MPa时,输送阀动作切换,a和b相通,c和a,b不通。执行机构左侧气室由于输送阀2而通大气,容气罐中的气则通过输送阀1作用于执行机构的右侧气室,推动气缸活塞向左侧运动。从而保证了在仪表气源故障时,控制阀处于全关的位置状态。
四、阀门的选择与应用
    第1种方法简单、快捷,只需更换控制阀的阀芯、阀座,备件随时都可以解决,在控制阀的检修中就可以实施完成,投资省,见效快。但是,第1种方法也有不足之处,就是控制阀的开度不是处于最佳位置,上调的余量小。    笔者在乙烯装置停车消缺时,对FV-156控制阀实施了改造,经过一段时间的实际应用的考验,在工艺生产高负荷或不稳定运行状态下,FV-156控制阀均能发挥正常调节作用,满足工艺生产的要求,证明是成功的。
    第2种方法不改变原控制阀的性能,但是,第2种方法所需备件较多,投资成本高,备件准备需一定的时间,现场空间较小,气源保护系统的安装有一定的困难。为了尽快解决FV-156存在的故障问题,满足工艺生产的需要,经过相互比较,笔者选择了第1种方法。
五、结论
    随着工业自动化程度的不断提高,工艺与仪表的关系更加密不可分,工艺设备上的一些技改技措项目的实施,往往会造成仪表一些问题的出现。这就要求在今后的工作中工艺与仪表更加密切地协调和配合,共同为实现安、稳、长、满、优的高负荷运行而努力。

    参考资料
     [1] 周洪义.控制阀差压的确定.石油化工自动化,2004.(1):86~94