关于石化加氢装置高压调节角阀选型的分析

石化加氢装置高压调节阀选型分析

 渣油加氢装置具有临氢、高压、高温、高H2S腐蚀的特点，其中关键部位高压控制阀合理选型成为装置安全、平稳运行的关键。从工程设计角度，针对渣油加氢装置的加氢进料泵、注水泵、高压贫胺液泵等高压机泵出口，热高压分离器、冷高压分离器底出口，新氢压缩机出口，循环氢压缩机出入口等典型部位的高压控制阀设计选型和应用原则等方面作了相关分析及探索。

随着石油资源的日益减少以及原油重质化、劣质化趋势的加剧,渣油加氢工艺逐渐成为渣油加工的重要手段之一。渣油加氢装置具有临氢、高压、高温、高H2S腐蚀的特点[1]，其中关键部位的高压控制阀合理选型成为装置安全、稳定运行的关键。高压控制阀具有运行工况苛刻、技术复杂、采购周期长、采购成本高的特点，因此合理选型成为自控仪表工程中关注的焦点。高压控制阀包括高压调节阀和高压开关阀，高压调节阀应用于高压介质流量调节功能等；高压开关阀应用于联锁保护安全功能、动设备停机隔离功能等。笔者结合设计的渣油加氢项目，分析及探索了典型部位高压控制阀的选型及应用。渣油加氢装置原料为减压渣油、焦化蜡油等，核心反应操作压力达到20 MPa，操作温度达到397 ℃。

1、石化加氢装置高压调节阀选型分析选型分析

1.1 类型及结构

高压调节阀选用气动阀。阀体选用高压直通调节阀或高压多级降压角阀。

1) 高压直通调节阀适用于高静压、低压差场合。高压直通调节阀细分为高压直通单座调节阀和高压直通套筒调节阀。优先选用高压直通套筒调节阀，同等操作条件下相比高压直通单座调节阀所需推力小，可采用较小尺寸的执行机构。对于介质含催化剂粉末的情况，应选用单座调节阀，不选用套筒调节阀，避免催化剂粉末堵塞调节阀套筒。

2) 高压多级降压角阀主要适用于高静压、高压差液相场合。高压多级降压角阀采用角形流道，选用多级降压阀内件结构。管道内的介质在通过多级降压阀内件时产生多次压降，控制每级压降都小于发生气蚀的最小压差，最后达到工艺要求的压降。有效防止气蚀和降低噪音，保证调节阀长周期使用。

1.2 石化加氢装置高压调节阀选型分析阀体及阀内件材质选择

高压调节阀的阀体及内件的材质和耐腐蚀性能不得低于配管材料等级规定。由于渣油加氢工艺过程中，对于具有含H2S特性的介质，调节阀接液材料应进行相应抗H2S腐蚀处理，满足NACE MR 0103：2007的要求[4-5]。

渣油加氢高压调节阀阀体无特殊要求时通常采用铸钢，材质为A216-WCC的特种碳钢，适用于温度范围为-30～425 ℃的水、油、过热蒸汽和气体等非腐蚀性介质。如项目在东北等寒冷地区，可选用材质为LCC的碳钢进行替代。LCC碳钢是一种适应寒冷地区使用的低温碳钢，有良好的综合机械性能与焊接性能。目前LCC碳钢已被欧美各国广泛用于阀门制造。

渣油加氢介质温度高于280 ℃且氢气浓度较高的场合，按纳尔逊曲线进行选材，且保证一定余量。高压调节阀阀体需选用抗氢脆材料，阀体选用材质为A217-WC9的特种合金钢。该材质可适用于高达593 ℃的氢浓度较高的高温高压介质。

渣油加氢介质温度高于350 ℃且氢气、H2S浓度较高的场合，主要分布在渣油加氢反应器、热高分进出料部位，对高压调节阀阀体提出了更高的要求，需要同时考虑氢脆及硫腐蚀工况。阀体材质选用A351-CF8C的奥氏体不锈钢，奥氏体不锈钢由于含稳定的元素铌，使其具有了更好的耐晶界腐蚀性及高温强度，可适用于高达649 ℃的氢气、H2S浓度较高、高温高压的介质。

高压调节阀阀内件材质的选用应优于普通调节阀阀体，阀芯、阀座等选用常规316不锈钢材质，考虑到渣油高温、高压特点，阀芯、阀座一般都进行表面硬化处理，常喷涂斯泰来合金或喷涂碳化钨等。H2S含量较高场合，如冷高分、循环氢脱硫塔液位调节阀等位置，阀内件也可选用材质为Ferralium255的双相钢。其他关键特殊部分，如热高压分离器等，调节阀阀内件材质选用347高级别不锈钢。

1.3石化加氢装置高压调节阀选型分析尺寸及CV值选择

高压调节阀的尺寸直接影响调节品质和采购价格。调节阀尺寸取决于额定流量系数CV值，因此，合理的CV值选择十分关键。高压直通调节阀流量特性通常为等百分比特性，高压多级降压角阀流量特性一般为线性。

对于等百分比流量特性调节阀，应选择合适的CV值，保证工艺流量所对应的调节开度在20%～90%。对于新氢压缩机逐级返回压力调节阀等特殊工况阀门，正常调节流量与最大调节流量之间差距很大，如果按常规选择CV值，只考虑涵盖最大流量，那么实际正常调节时，调节阀长期处于小开度调节状态，阀门产生噪音及振动强烈，对调节阀及连接管线损伤很大。对于该类工况建议选用特殊CV值修正流量特性的调节阀。

对于线性流量特性调节阀，应选择合适的CV值，保证工艺流量所对应的调节开度在20%～80%。对于热高分、冷高分底部等特殊工况液位调节阀，调节阀前后压差大，阀后气化率高，计算CV值应该考虑到气化工况流量，必要时还需要扩大调节角阀出口尺寸，降低介质出口流速。笔者建议，热高压分离器、冷高压分离器角阀选用CV值应保证正常工况最大流量对应开度保持在50%以下，给高气化率特殊工况预留调节余量。

2、石化加氢装置高压调节阀选型分析选型分析

2.1 类型及结构

高压开关阀通常分为高压开关球阀或高压开关闸阀。开关球阀可用于含固体颗粒等杂质的流体管路上，因为它的球形阀芯在开启后不能被冲刷，不易被损伤，可保证双向关闭严密；在关闭过程中对流体做的是剪切运动，可有效关断含固体颗粒、纤维等杂质的介质。而开关闸阀密封面易被冲蚀和擦伤，难以保证关闭严密。球阀为角行程，行程短，关闭所需时间短；闸阀为直行程，行程长，关闭所需时间长。球阀体积小，所需安装空间小；闸阀体积大，所需安装空间大。针对渣油加氢装置介质工况、切断密封要求、安装空间等特点，笔者建议优先选用高压开关球阀。

2.2 执行机构的选择

用于联锁保护安全功能的高压开关阀应选用气动执行机构，以实现动力故障安全性，执行机构的选择主要取决于输出力和阀门开关动作时间要求。高压开关阀参与工艺联锁动作时，要求执行机构有较大的输出力，较快的响应速度，宜选用气缸式执行机构。气缸式执行机构可细分为单作用弹簧复位单气缸式和双作用双气缸式两种。单作用弹簧复位气缸具有气路简单、安全可靠性高的优点，但是受弹簧制造限制，弹簧输出力有限；弹簧长时间处于压缩状态，输出力进一步减小。因此，单作用弹簧复位气缸只能适应小口径高压开关阀。双作用气缸可以克服上述缺点，但安全可靠性差，不具备故障安全性。要实现故障安全性，即动力故障时高压开关阀能自动行至工艺要求的故障位置，必须配备备用气源罐，但会造成气路复杂。综上可以看出，同双作用气缸相比，单作用气缸对气源敏感性高，可用性相对低。在工程设计中，针对高压开关阀具体工况，根据上述分析，选择单作用或双作用执行机构。

当高压开关阀不用于联锁保护安全功能，仅用于动设备停机隔离、火灾隔离功能时，建议选用电动执行机构。电动执行机构可靠性较高，不宜发生误动作影响工艺生产。如有火灾隔离功能需要时，执行机构应配带防火罩。

2.3 阀体及阀内件材质的选择

目前市场上主流高压开关球阀阀体均采用锻件，比如HARTMANN,AST等厂家产品，阀体无特殊要求时一般选用A105材质，如项目在东北等寒冷地区，可选用A350-LF2材质替代，A350-LF2是一种适应寒冷地区使用的低温碳钢锻件，低温适用性可达到-46 ℃。

渣油加氢装置氢气浓度较高及高温高压工况，开关阀阀体宜选用F11材质；氢气、H2S浓度较高及高温高压工况，阀体宜选用F321材质。高压开关球阀执行快速关断工作且为旋转型阀门，对阀杆硬度要求较高，无特殊要求时通常采用17-4PH材质阀杆。

3、石化加氢装置高压调节阀选型分析设计应用

某炼油厂的渣油加氢项目共计选用18套高压直通调节阀，压力等级为Class900～Class2500，其中新氢压缩机逐级压力返回位置选用修正流量特性套筒阀；选用16套高压多级降压角阀，压力等级为Class900～Class2500，其中热高压分离器底出口位置采用出口扩径的特殊结构角阀；8套高压气动开关球阀，压力等级为Class900～Class2500；8套高压电动开关球阀，压力等级为Class900～Class2500。

1、高压调节阀的零部件加工、配合都很精密，因此，调节阀安装前，应*清洗管路系统，将污物及焊拉渣排除干净，以免调节阀运行时发生卡住现象，阀入口前的管路应加设孔尺寸小于2mm过滤网。

    2、高压阀较重、外形尺寸较大，因此，调节阀应直立安装在接近地面或楼面的地方，在管道标高大于1m时，应尽量设置平台，以便于调整、检查和拆卸，使用过程或更换填料时，不能拆卸或松动联接上法兰与阀体的主螺母。

    3、调节阀安装时，阀体上箭头方向应与介质流向一致。

    4、如果调节阀的公称通径与管道的公称通径不同，两者之间应加渐缩管段。

    5、调节阀一般应设置旁通管道，以便于在自控系统发生故障或检修时可以切换，不致停产。

    6、调节阀安装时，应留足拆卸执行机构护罩的空间，以便配线、调整和检查。

    7、与管道为焊接连接的调节阀，其阀体上的接口与管道对焊，焊接时，建议先用氩弧焊打底(以防焊渣坠入阀和管道内)，然后再进行常规的电(或气)焊，焊接过程要经多次打磨、多道焊接、并注意保温，法兰连接调节阀与管道相连，采用JB2768-2778《Pg160、320kgf/cm2，管件与紧固件》标准制造的法兰，透镜垫及紧固件。、

3.1 高压直通调节阀设计应用

高压直通调节阀适用于调节阀前后低压差场合，在渣油加氢装置的典型应用为加氢进料泵、注水泵、高压贫胺液泵等高压机泵出口流量调节阀；热高分入口温度调节阀和循环氢压缩机排废氢流量调节阀。新氢压缩机逐级返回压力调节阀，调节压缩机级间压力，该处工况苛刻，调节流量变化较大，选用修正流量特性调节阀。实现原理为修正流量特性套筒，采用非均匀开孔设置，开孔大小沿调节阀全开方向逐渐变大，通过修正开孔的变化梯度，满足调节流量变化较大时均在合理调节开度范围内。新氢压缩机逐级返回压力调节阀最大调节流量与正常调节流量的比值高达10倍，该处调节阀选型及CV值选择一直是业内比较关注的地方。正常流量对应调节阀开度40%左右，最大流量对应调节阀开度60%左右，达到了很好的开度调节范围及降噪效果。

3.2 高压多级降压角阀设计应用

高压多级降压角阀适用于调节阀前后液相高压差场合，在渣油加氢装置的典型应用为加氢进料泵、注水泵、高压贫胺液泵等高压机泵出口返回入口的最小流量调节阀，用于开工工况及特殊工况的流量调节；热高分、冷高分底出口液位调节阀，其中热高分底出口经核算气化率高，采用出口扩径的特殊结构角阀，控制出口介质流速，内部多级降压阀芯及阀内流道采用。

3.3 高压气动开关球阀设计应用

高压气动开关球阀用于工艺安全联锁保护，动作响应时间快。在渣油加氢装置的典型应用为加氢进料泵、注水泵、高压贫胺液泵等高压机泵出口紧急切断，用于防止机泵停机后出口压力窜回机泵入口；热高分、冷高分底出口紧急切断阀，用于防止液位低时，高压油气窜至下游低压设备；装置紧急泄压切断阀，用于装置危险工况下装置紧急泄压。为了在满足可靠性的前提下，进一步提高可用性，减少误动作概率，渣油加氢气动开关阀均采用双电磁阀并联驱动，双电磁均失电时，开关阀执行联锁动作，渣油加氢高压气动开关球阀气路联动逻辑如图1所示。

3.4 高压电动开关球阀设计应用

高压电动开关球阀用于动设备停机隔离，性能稳定，误动作概率低。当渣油加氢中高压电动开关球阀用于动设备停机隔离时，其控制逻辑所示。从控制系统至电动阀电动执行机构的控制信号均采用硬接线干触点信号，当动设备停机后，停机信号触发对应的电动阀关断，达到隔离作用。

在渣油加氢装置的典型应用为加氢进料泵、高压贫胺液泵出口，新氢压缩机出口，循环氢压缩机出入口。停机后，将以上动设备从工艺高压系统中隔离切除。循环氢压缩机出入口位置，具有火灾隔离功能需要时，根据相关要求执行机构应配带防火罩。

4、石化加氢装置高压调节阀选型分析结束语

渣油加氢装置工艺操作压力和温度高，工艺介质易燃、易爆，同时具有腐蚀性，一旦控制阀故障损坏，将引起可怕的灾难事故，因此正确设计选型非常重要。本文从控制阀结构选择、材质、应用等方面进行了相关探讨，并经过了生产运行验证，在此供借鉴参考。