shell煤气化装置锁灰阀的应用及气缸改进

    贵州天福化工有限责任公司（以下简称天福公司）是贵州首家煤化工企业，主要生产300kt/a合成氨、200kt/a甲醇和150kt/a二甲醚，气化装置采用shell工艺，15单元锁灰控制阀（介质为飞灰+氮气）自2010年开工以来，因该阀频繁出现关不到位、阀卡、阀座卡死等问题，无法及时将灰从中间飞灰贮罐送到吹灰器，造成多次降负荷生产，甚至装置被迫停车，严重影响了装置的正常运行。
    1 15单元锁灰控制阀的主要技术规格
    该阀门选用美国Kinder公司生产的KBLV-2T-F8型金属密封开关球阀（三段式固定球结构）。阀门操作/设计压力：0.8/10MPaG；操作/最高设计温度：250℃～300℃；连接形式：8"ANSIClass150、RF；泄漏等级：双向ANSICLASSV，防火、防静电设计。阀体材质为A216WCB；阀球、阀座材质为316SS+TC，采用超音速喷涂技术，涂层厚度不低于200μm，表面硬度最高达72HRC，具有良好的结合力，确保永不脱落和极好的耐磨性，同时具有良好的耐腐蚀性；阀杆材质为316SS+HCr，表面作镀硬铬硬化处理，加强性设计，阀杆直径加粗约10%；阀座弹簧（多个螺旋形式）材质为InconelX750，确保温度变化产生大温差不会出现报死现象；填料/填料环：石墨，满足高温工况的要求。执行机构选用Ro-tex（DRC400E-6）产品，气动执行机构均满足0.5MPa的供气压力，安全系数为1.3倍。执行机构为活塞式单作用弹簧复位执行机构。该阀门执行机构扭矩数据如下表1。

表1 阀门扭矩数据

    2 故障现象原因分析    
    经判断，认为导致15单元锁灰控制阀的阀门不能正常开关的原因有大致以下几点：（1）气源推动力低达不到额定值；（2）信号故障；（3）阀体和执行机构机械故障；（4）扭矩力不够；（5）执行机构的弹簧力不够；（6）工艺操作条件（阀前压力0.01MPa关闭压差0.8MPa温度250℃～300℃）不能满足；（7）阀球和阀座受损坏导致卡塞等等。为此，在生产与检修过程中对上述原因进行逐一排查，气源压力0.5～0.6MPa正常；DCS系统到阀门电磁阀上的信号无错误；阀体和执行机构机械部分正常；对阀门进行解体后，发现阀球和球座并未有受损现象；工艺条件满足，不可能导致阀门不能关闭；从扭矩方面来看，根据该阀门的扭矩数据表可知，该阀门的扭矩放大倍数为1.3，而该阀门失气时阀门状态为FC状态，气开形式，弹簧复位（靠弹簧力去关闭阀门），除去以上几种情况，通过计算要使阀门关闭需2423（N·M）的作用力，并用扭矩扳手多次实验，从扳手上可以得出需要加345（N·M）的作用力，阀门开关才能运行正常，最终得出了导致阀门不能关闭的原因是执行机构弹簧力不够。气缸弹簧力计算见图1。弹簧常数：以K表示，指当弹簧被压缩时，每增加1mm距离的负荷（kgf/mm）。

    
    式中：G-线材的钢性模数；d-线径；D2-外径；D1-内径；D-中径=D2-d N-总圈数；NC=有效圈数=N-2   

   
图1 气缸弹簧力计算图

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    3 改造方案和实施
    根据上述原因分析，提出2种解决弹簧力不够方案：（1）更换弹簧，增加弹簧力；（2）改造执行机构作用。若更换弹簧，通过计算需增加2个弹簧相应增加气缸长度，投资大，需0.6万美金，且订购供货周期长，同时在线更换也存在很大的安全风险，严重影响了装置长周期运行；若改造气缸控制气路，只需一个锁止阀、快速排气阀和少量的管件，方便、可行、简单。投资少只需要2000元人民币，无安全风险。气缸控制气路未改进和改进后的示意图见图2、图3。

图2 气缸控制气路未改进示意图

图3 气缸控制气路改进后示意图

    4 改造实施后的效果
    通过对气缸控制气路进行改进，15单元锁灰控制阀从2010年2月改造至今，该阀门既保留单作用的特性，又发挥了双作用的优点，运行非常正常，从未出现任何故障，设备运行稳定，节约了生产成本。
    5 结语
    根据对15单元锁灰控制阀的技术改造实施后运行效果，对煤气化装置出现相同故障的阀门如：控制V-1301的超高压氮气的阀门也进行了同样的改造。经改造后的阀门投用半年以来，至今未出现任何故障现象，不仅保障了shell煤气化装置的稳定运行，而且节约了生产成本。