聚乙烯装置的调节阀选型.pdf

第 4 8 卷第 4期 2 0 1 2 年 8 月 石油化工自动化 AUT M AT1 0N I N PETR _ CH E M I CAL I NDUS TRY Vo 1 ． 4 8 ，No ． 4 Au g u s t ，2 0 1 2 聚 乙烯装置 的调节 阀选型 于蕾 中国石化工 程建 设公司 ， 北京 1 0 0 1 0 1 摘要 调节阀是控制回路中的重要环节， 结合工艺装置特点 ， 选择合适的调节阀， 不仅能取得良好的控制效果， 而且节约成本， 减少维护量 。结合聚乙烯装置特点 ， 从调节阀的结构形式、 材质 、 执行 机构、 阀盖及密封 填料 、 附件 、 闪蒸和气蚀 、 生命 周期成本 等方面 ， 讨论 了聚 乙烯装置调节阀的选型问题 。同时 ， 针对聚乙烯装置调节阀选型过程 中遇到 的典 型问题 ， 进行 了有针对性 的 探讨 ， 并得 出有效的解决方案 。 关 键词 聚乙烯调节阀电磁阀闪蒸和气蚀 中图分类号 T H1 3 8 ． 5 2 文献标志码 B 文章编 号 1 0 0 7 ～ 7 3 2 4 2 0 1 2 0 4 0 0 7 3 0 3 Co nt r o l Va l v e S e l e c t i o n f o r Pol y e t hy l e n e Pl a nt Yu Le i S i n o p e c E n g i n e e r i n g I n c o r p o r a t i o n ， B e i j i n g ，1 0 0 1 0 1 ， C h i n a Ab s t r a c t Co n t r o l v a l v e i S a n i mp o r t a n t l i n k i n c o n t r o l l o o p ．Co mb i n e d wi t h t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f p r o c e s s i n s t a l l a t i o n，a p p r o p r i a t e s e l e c t i o n o f c o n t r o 1 v a l v e c a n a c h i e v e g o o d c o n t r o l e f f e c t ， s a v e t h e c o s t a n d r e d u c e ma i n t e n a n c e ．Co mb i n e d wi t h t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f p o l y e t h y l e n e p l a n t ， s e l e c t i o n o f c o n t r o l v a l v e f o r p o l y e t h y l e n e c o n s t r u c t i o n i s d i s c u s s e d i n t h e a s p e c t s o f t y p e ， ma t e r i a l ，c o v e r ， a c c e s s o r i e s ， f l a s h i n g a n d c a v i t a t i o n s ， t h e l i f e c y c l e c o s t ， e t c ． P e r t i n e n t d i s c u s s i o n a r e f o c u s e d o n t y p i c a l p r o b l e ms e n c o u n t e r e d i n t h e p r o c e s s o f c o n t r o l v a l v e s e l e c t i o n f o r p o l y e t h y l e n e p l a n t ，a n d e f f e c t i v e me a s u r e me n t i s o b t a i n e d ． Ke y wo r d s p o l y e t h y l e n e ；c o n t r o l v a l v e ；s o l e n o i d v a l v e ；f l a s h i n g a n d c a v i t a t i o n s 聚乙烯装置调节 阀的选取是 否合理对于控制 回路的最佳性能发挥起着极其重要 的作用。笔者 从事聚乙烯装置仪表相关设计工作多年 ， 结合在详 细设计过程 中对调节 阀技术确认的实践经验 ， 探讨 聚乙烯装置调节 阀的选取方案 。 1 聚 乙烯装置 中的调节 阀选型 1 ． 1 结构形式 1 ． 1 ． 1 直通单座阀 由于只有一个阀芯 ， 容易保证密封 ， 泄漏量小 ， 但不能完全切断 ， 所 以适用 于泄漏量要求小 的场 合 。同时 ， 由于压差 对阀芯产 生的不平衡推 力较 大， 宜用于 中、 小 口径 的阀门。由于 阀体流路较复 杂， 加之导 向处易被 固体卡住 ， 不适用于高黏度 、 悬 浮液 、 含 固体颗粒等易沉淀、 易堵塞 的场合。这类 阀门是聚乙烯装置中应用最多的一种 ， 在确定阀门 形式的时候需特别 留意确定工艺介质 中是否含有 固体粉末 、 颗粒等杂质。 1 ． 1 ． 2 角型调节阀 角型调节阀的阀体为直角形， 其他结构与直通 单座阀类似。但是角型调节阀的阀芯为单导 向结 构 ， 只能正装不能反装 。这种 阀的流路简单 ， 阻力 小 ， 阀体内侧流线型通路有助于防止固体在 内壁堆 积 ， 特别适用于高黏度、 含有悬浮物和颗粒状物质 流体的调节 。 1 ． 1 ． 3 偏心旋转阀 适用 于 高黏 度 、 高 压差 、 严 密 关 闭 、 可 调 范 围大的场 合 。例 如 某些 浆 料 介 质 ， 如 果 使 用普 通 直通单 座 阀 ， 显 然 是不 合 适 的 。偏 心 旋 转 阀 的阀芯会在打开 时尽可 能快地偏 离与 阀座 的接 触 ， 可 以减少 摩擦 和磨 损 ， 非 常适 用于 聚乙烯装 置某些工况流体中含有微量固体粉末和黏稠的 催 化剂介质等 。 值得注意的是偏心旋转阀与 V形球阀不是 同 一 个概念。V形球 阀没有偏心结 构， 球在旋 转的 时候阀芯仍然与阀座接触 ， 而偏心旋转阀的阀芯在 旋转过程中， 由于阀芯的偏心安装方式 ， 会把 阀芯 尽量拉离阀座 ， 使得阀芯与阀座密封面的磨损减少 稿件收到 日期 2 0 1 2 0 2 ～1 0 。 作者简介 于蕾 1 9 7 9 一 ， 女 ， 2 0 0 2年毕业于北京化 工大学 自动化 专业 ， 获学士学位 ， 现工作 于 中国石化 工程建 设公 司仪表 自控室 ， 从事石油化工仪表 自动化设计工作 ， 任工程师 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 4 石油化工自动化 第 4 8卷 至最小。因此 ， 偏心旋转阀的最显著特点是偏心结 构设计 ， 最大程度地避 免了阀芯与 阀座之 间的磨 损， 在选型的时候要注意区分偏心旋转阀和 V 形 球阀这两种 阀门形式 。 1 ． 1 ． 4 微小流量调节 阀 结构与单座直通阀类似， 专 门针对微小流量调 节而设计的阀 门。适用于需要对微小流量进行调 节的情况 ， 例如生产过程 中需要加入微量调节剂或 者催化剂的场合 ， 也是 聚乙烯装置中不可缺少的一 类阀门。 1 ． 1 ． 5 蝶阀 蝶阀用来调节液体、 气体、 蒸汽的质量流量， 由 于这种阀具有 自清洗作用， 可广泛使用于有悬浮颗 粒物和浓浊浆状的流体 。蝶阀结构简单 ， 流通能力 大 ， 特别适用 于大 口径、 大流量 、 低压 差场合。同 时 ， 蝶阀结构紧凑 、 占用的空间小 ， 在空间有限的情 况下也是可以考虑选择 的。 以上为 聚乙烯 装 置 中常用到 的几种 阀 门结 构形 式 ， 根据不 同的工艺介 质 ， 有 针对性 的选 择 不 同结 构 形 式 的 调 节 阀 ， 在 设 计 中 是 十 分 必 要 的。 1 ． 2 调节阀材质 调节阀的材质应与工艺配管材料等级一致 ， 阀 体 、 阀盖、 填料、 阀内件的材质必须能够承受工艺介 质 的腐蚀。阀体材料优先选用铸碳钢、 铸不锈钢 ， 阀芯材料最低选用 3 1 6 S S不锈钢 。 材料的选择关系到阀门价格 。聚 乙烯装置一 般不含有特殊腐蚀性介质 ， 阀门的材质通常使用碳 钢和不锈钢 即可 ； 但是在有些带有粉尘或者 固体颗 粒 的场合需要对阀芯和阀座进行加硬处理 ， 以增加 耐磨损程度 。 1 ． 3 执行机构 选择执行机构的主要因素有可靠性、 安全性、 动作平稳、 输出力 矩 、 最大切断压差、 泄漏等级、 结构简单、 维护方便等。 在选型过程 中， 考虑可靠性 和简单性 ， 通常优 先考虑采用气动薄膜执行机构。电动和电液执行 机构在没有气源提供的场合可以考虑选用 ， 但是 电 仪表 空 气 动和电液执行机构 的结构 比气动执行机构更加 复 杂 ， 也更加 昂贵。 选择执行机构 时应 注意 调节 阀的最 大切 断 压差 ， 其 在调节 阀的规格表 中必须填写 ， 最低 取 阀前 压 力 值 ， 有 时 取 阀 前 压 力 值 的 1 ． 1 ～ 1 ． 2倍 。 1 ． 4 阀盖及密封填料 对于一般工况选择普通型的阀盖即可 ， 但是在 聚乙烯装置中有以下两种特殊 的阀盖选择 a 延长 型阀盖 ， 用 于高温工 况和低 温工况 。 在聚乙烯装置， 高温工况主要是蒸汽场合 ； 低温工 况主要是制冷机 ， 其制冷剂为液体丙烯 ， 最低设计 温度为--4 5℃， 应选用延长型阀盖 。 b 波纹管密封型阀盖。氢气是聚合反应不可 缺少的原料之一 ， 采用波纹管密封型 阀盖 ， 可 以有 效地防止氢气外泄， 从而避免氢气泄漏引起的爆炸 和伤人 事 故。密 封 填 料 通 常 选 择 聚 四 氟 乙 烯 P TF E ， 高温的情况下选择石墨填料 。 1 ． 5 调节阀附件 1 ． 5 ． 1 定位器 气动阀门依靠定位器把来 自 控制系统的电信 号转换为气信号作用在阀门上。目前使用较为普 遍的是接收 4 ～2 0 mA信号 ， 带有 HAR T协议 的 智能 阀门定位器和现场总线型定位器。 1 ． 5 ． 2 电磁阀 当调节阀需要联锁时， 需要在气路上连接 电磁 阀以实现联锁 的开／ 关控制 ， 通常的安装方式是气 路上安装 1 个两位三通电磁阀。 聚乙烯装 置中提供 了如 图 1和图 2所示的两 种电磁阀安装方式。图 1为两个电磁阀并联 ， 这种 安装方式 的优点是可以实现高可用性 ， 当其中一个 电磁阀故障时， 另外一个电磁阀仍然可以实现联锁 功能。图 2 为两个电磁阀串联 ， 这种安装方式的优 点是可以实现高安全性， 当其中一个电磁阀发生联 锁时， 阀门即实现了联锁动作 。 具体使用哪一种电磁阀连接方式， 要根据工艺 流程 的要求 ， 既实现工艺联锁 的 目的 ， 同时又保证 高可用性或高可靠性。 ◇ ◇ 图 1 调节阀带并联 电磁 阀配置示例 高可用性 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4期 于蕾．聚乙烯装置的调节阀选型 仪 表 空 气 ◇ ◇ 图 2 调节 阀带串联电磁 阀配置示例 高安全性 1 ． 5 ． 3 限位开关 当工艺流程 中要求判断阀门位置的时候 ， 会要 求提供限位开关 ， 调节 阀上的限位开关主要为了参 与联锁 ， 判断阀门是否开／ 关到位 ， 以便进行下一步 操作。 选择以上阀门附件的时候， 一定要提供仪表的 防爆要求和外壳防护等级要求。由于聚乙烯装置 的产品为粉料 ， 对于有粉尘介质 的场合 ， 不仅要满 足气体防爆要求， 还要满足粉尘防爆要求。 1 ． 6 闪蒸和气蚀 1 ． 6 ． 1 产生原理 对调节阀的性能影响最大 的因素中， 闪蒸和气 蚀居于首位 。这些现象的出现， 会使调节阀结构发 生损坏 ， 严重缩短调节阀的使用 寿命 。 闪蒸和气蚀产 生的原 因 为维持 流体稳定 地 流过阀门， 在截面最小 即缩流断面处 ， 流速达到最 大 ， 流速的增加伴随着压力的降低 ， 再往下游， 随着 流体进入截面更大的区域， 速度下降， 压力则随之 回升 ； 但阀门下游的压力不会完全恢复到与阀门上 游完全相等， 从而在阀门两侧产生 了压力降。当阀 门截面最小处的压力低于液体饱和蒸气压时 ， 流体 中就会产生大量气泡 ， 如果阀门出口压力仍然低于 液体饱和蒸气压 时， 气泡将保持在 阀门的下游 ， 此 时就是发生 了闪蒸 。如果阀门出 口压力恢复到高 于液体饱和蒸汽压 ， 气泡将会破裂或者 向阀门内部 爆炸， 从而产生气蚀。由于气泡破裂对阀体、 阀芯 和阀座表面产生冲击 ， 导致阀体、 阀芯和阀座损坏， 还会带来噪音和振动， 特别是高压降工况， 阀两端 压降越高 ， 危害性越大。 1 ． 6 ． 2 解决方案 聚乙烯装置中， 有些工况的压力无法避免闪蒸 和气蚀 的产生 ， 只能采取措施尽量减小闪蒸和气蚀 对阀门的损坏 。 a 选用直行程角 阀， 防止或减少液滴冲击 阀 门内件。 b 对阀芯阀座表面进行加硬处理 ， 以提高抗 冲刷的能力。 c 采用分级降压内件， 把通过阀门的压降分 FC 成数个较小 的压降 ， 每一个较小压降都确保其缩流 断面处 的压力 大 于 饱 和蒸 汽压 ， 从 而 避 免气 泡 产 生 。 1 ． 7 生命周期成本 生命周期成本 在 产品经济有效使 用期间所 发生的与该产品有关 的所有成本 ， 包括开发 计划、 设计和测试 ， 生产 加工作业 以及后 勤支持 广 告 、 销售和保证等 。 就调节阀而言 ， 生命周期成本主要体现在购置 费用和维护费用上 ， 选择一个合适 的阀门对于减少 原料成本 ， 增加产 出率 ， 减少超标产品的重新加工 成本至关重要 。因此， 对于关键的控制场合 ， 应 当 选择能够精确实现控制目标的阀门， 从而提高控制 性能 ， 减少维护量 ， 减少不必要 的停车 ， 增加产品合 格率。 另外 ， 对于同一个装置 ， 在选择调节阀的时候 ， 可以考虑在工艺条件允许的范围内 ， 尽量减少阀门 的种类 ； 不 同类型 的阀门， 对 阀门附件提 出统一要 求 ， 尽量减少备 品备件的种类 和数量 ， 便 于 日后 的 检修和维护。 2 选型中遇到的问题与解决方案 2 ． 1 阀门量程 比过大 有 的工艺 条件要 求 阀 门 的可调 量程 比达 到 ] o o 1 ， 甚至更大 ， 该要求普通 的调节阀很难实现。 要解决此问题 ， 需采取 以下措施 核对流量数据 ， 了解生产过程特点， 如果小流量或者大流量仅仅是 开车工况或者某些极少用到的工况 ， 可以结合工艺 特点 ， 适当选择确 保经常用 到的工况在可 调范 围 内， 在工艺允许 的范 围内， 极端工况能通过即可 ； 如 果工艺上要求必须小流量和大流量同时可调节 ， 可 以考虑设置 2台阀并联做分程控制。 2 ． 2 工况选择 聚乙烯装置生产不同牌号的产品， 用到的原料 比例和催化剂种类可能不同， 同一个调节阀可能会 有几种工况。有的是既要调节小流量 ， 又要调节大 流量 ； 有的是有几 种不 同的工艺介质供操 作工选 择 。因此 ， 计算各个工况下调节 阀的开度 ， 选择合 下 转第 9 0页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4 8卷第 4 期 2 0 1 2年 8月 石油化工自动化 AUT0M AT1 0N I N P ETR _ CHE M I C AL I NDUS TRY Vo 1 ． 4 8 ，No ． 4 Au gus t ，2 01 2 信息与动态 一 新 书 介 绍 流量测量 系统远程诊断集锦 本书由纪纲、 纪波峰编著， 已由化学工业出版社 2 0 1 2 年 7 月出版发行。书号 9 7 8 7 1 2 21 3 9 8 3 2， 定价 4 9 ． 0 元 在能源计量和生产过程测量控制中， 使用了大量的流量测量仪表。这些仪表种类 繁多 ， 技术复杂， 与复杂多变的测量对象配合， 难度极高， 这就使得世界一流的制造商所 提供的一流品质的流量计 ， 在有些使用现场却不能圆满地完成流量测量任务， 影响生产 和经营。对大量的实例进行分析诊断结果表明， 问题的症结大多数不是仪表本身的问 题 ， 而是系统问题 。 本书列举了来 自流量测量仪表使用现场的 1 4 0多个实例， 叙述了存在的问题、 关键 原因、 整改方法以及整改后的效果。以案例分析的形式剖析了蒸汽、 气体、 液体、 批量控 制以及其系统中存在的常见问题， 并对系统诊断的方法作了简单介绍。 流量测量系统存在的问题， 从表面上看是系统设计 、 安装、 调试、 运行等环节存在问 题 ， 但其根源是我们对测量对象的性质和特点了解不全面， 认识不深入 ， 对所采用的流 量测量仪表的原理和特点了解不全面、 认识不深入， 对仪表的使用环境认识不全面、 不 深入， 对关联设备的原理、 结构、 特点等不了解、 不认识。本书有事实、 有分析 ， 深入浅出地解答了存在的问题， 所涉及的经 验和教训容易记取。每一节都 自成段落， 读者可以从任何一节开始阅读。 本书适合从事流量测量系统设计、 安装、 调试、 维护的技术人员、 中高级仪表工和计量、 能源管理人员阅读， 并非常适合 作 为培训 教材 。 化学工业 出版社 上接 第 7 5页 适的阀门， 尽量兼顾几种工况 ， 尤其是实际计算中， 有些工况阀门开度 良好， 而换成另外一种工况， 阀 门就会 出现气蚀或闪蒸 ， 这时就要采取一些措施来 应对 ， 例如对阀芯和阀座表面进行加硬处理等。 2 ． 3 介质状况 聚乙烯产品为粉料 ， 工艺介质中常含有粉料颗 粒， 选用调节阀时， 应对 阀芯和阀座做加硬处理 ， 可 以提高阀门的抗磨损能力； 选用适合固体颗粒介质 工况的阀门形式 ， 例如偏心旋转阀。 3 结束语 每台调节阀应用场合 ， 经常会有几个可能的正 确选择。在阀门选型过程中， 要兼顾多方面因素， 结 合装置特点和工艺流程要求进行选型，同时还要考 虑到阀门的生命周期成本 ， 选择最适合的阀门。 参考文献 [ 1 ] 陆德民， 张振基， 黄步余． 石油化工自动控制设计手册E M3 ． 3版． 北京 化学工业 出版社 ， 2 0 0 0 ． 陆培文， 孙 晓霞 ， 吴 国熙． 调节 阀实 用技术 [ M] ． 北 京 机 械 工业 出版社 ， 2 0 0 6 ． 顾 文卿． 调节 阀的选型设计 实用手册 E M] ． 北京 北方工 业 出版社 ， 2 0 0 8 ． 王森， 纪纲． 仪表常用数据手册[ M] ． 2 版． 北京 化学工业 出版社 ， 2 0 0 6 ． 金 莉． 调 节 阀 的气蚀 与 闪蒸 E J ] ． 石油 化 工 自动 化 ， 2 0 0 6 ， 4 2 0 2 9 79 8 ． 李 自皋， 何彬学． 浅谈控制阀 的选 型与使用E J ] 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