化工合成氨装置气动调节阀故障解决方案

在自动化较高的化工控制系统中，调节阀作为自动调节系统的终端执行装置，接受控制信号，实现对化工流程的连续调节，运行期间出现的故障直接关系着生产装置的安全运行。据现场实际统计大约70%的故障来源于调节阀。

针对合成氨生产装置的仪表调节阀运行十几年来曾出现的典型故障现象进行了总结,并分析其原因,提出了相应的处理方法.认为N2和H2在高压下可以直接化合生成氨，接着，他用实验来验证，但在实验过程中发生了爆炸。他没有调查事故发生的原因，而是觉得这个实验有危险，于是放弃了这项研究工作，他的合成氨实验就这样夭折了。后来才查明实验失败的原因，是他所用混合气体中含有O2，在实验过程中H2和O2发生了爆炸的反应。稍后，德国化学家能斯特通过理论计算，认为合成氨是不能进行的。因此人工合成氨的研究又惨遭厄运。后来才发现，他在计算时误用一个热力学数据，以致得到错误的结论。在合成氨研究屡屡受挫的情况下，哈伯知难而进，对合成氨进行全面系统的研究和实验，终于在1908年7月在实验室用N2和H2在600℃、200个大气压下合成氨，产率仅有2%，却也是一项重大突破。

    1 化工合成氨装置气动调节阀故障解决方案概述

    某合成氨装置中，一段炉是转化工段的核心，引起一段炉停运的任何联锁动作均将导致其后续工艺系统的停车，其中一段炉炉膛负压的控制是关键。空气压缩机燃气透平出口燃烧乏气，一部分作为一段炉燃烧空气，由AV－03010控制进一段炉燃烧空气的氧含量，保证一段炉内燃气燃烧充分；另一部分至一段炉对流段利用余热，由PV－03048A/B辅助控制炉膛负压；还有一部分由HV－02001控制进行放空。这些阀门控制的气道口径大，采用了相同的多翻板连杆推动机构，需要的动力较大，气动执行机构及控制气路较复杂。为控制，PV－03048采用A阀（小阀）、B阀（大阀）分别控制，根据工况需要开启其中一个或两个。这些阀门参与联锁TRIP03.5控制，保证一段炉系统在正常的负压下安全运行。当燃气透平跳车或一段炉膛压力升高大于100Pa时，TRIP03.5动作：切断一段炉燃烧空气AV－03010和对流段乏气排放阀PV－03048A/B，同时打开乏气放空阀HV－02001，并向TRIPB发出一个跳车信号。这些阀门屡次在开车或行程校验时出现失控不动作现象，危害炉膛负压的控制。

    2 化工合成氨装置气动调节阀故障解决方案存在问题

    PV－03048A/B的作用是稳定调节从燃气轮机排出的高温乏气去一段炉对流段，辅助控制炉膛负压。在大修中做行程校验和开车时PV－03048A/B阀不动作，该阀是气缸式调节阀，气路非常复杂，初步检查发现电磁阀线圈磁性不够，导致电磁阀输出气量小，气控阀不切换，阀门不动作。更换电磁阀后仍不行，无法控制炉膛负压，负压联锁开关就会连锁引起跳车。AV－03010在大修后开车不动作，检查电磁阀有电，开阀侧气路不通，阀门调节失灵，无法正常开启一段炉加热系统。

大型合成氨装置采用*节能工艺、新型催化剂和高效节能设备，提高转化效率，加强余热回收利用；以天然气为原料的合成氨推广一段炉烟气余热回收技术，并改造蒸汽系统；以石油为原料的合成氨加快以洁净煤或天然气替代原料油改造；中小型合成氨采用节能设备和变压吸附回收技术，降低能源消耗。

    3 化工合成氨装置气动调节阀故障解决方案原因分析

    3.1 控制介绍

    以PV－03048B阀控制为例，原控制气路图见图1。控制图中I、II、III、IV分别是四个气控阀。PLT是控制气口，R是放空口，P、A是通气口。其中气控阀II、III、IV是FC事故关型，PLT有气时气控阀P—A通，PLT无气时P—A不通，A—R通；气控阀Ⅰ是FO事故开型，PLT有气时P—A不通，A—R通，PLT无气时P—A通。

    正常运行时，电磁阀带电通气，控制气经电磁阀后连至各气控阀PLT口之气路送至四个气控阀PLT端，阀Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ打开，阀I关闭。I/P转换器接受主控4～20mA信号，转换后输出至气动定位器，两路输出C1、C2，C1经气控阀Ⅳ气路至调节阀气缸开阀侧；C2经气控阀II、III关调节阀气路至调节阀气缸关阀侧。上止逆阀保证关阀气不能去气控阀I放空。这样随主控4～20mA信号开、关调节阀门。

    需要强调的是气控阀I的线路，它的作用是在电磁阀失电或失去气源的事故状态下，强制去关闭调节阀PV－03048B，实现调节阀的事故关功能。这时阀I打开，当有气源时，气源经下止逆阀、阀I、上止逆阀、关阀气路去关调节阀；无气源时，平时储存在气罐内的气源，经阀I、上止逆阀、关阀气路去关调节阀。下止逆阀保证气罐内的气源不致流失。同时，气控阀III的作用是在电磁阀失电、失去气源的事故状态下关闭并保证事故关阀气不致由此放空，因为气控阀III的P、A气口是反接的，PLT失气后P—A关闭，A—R导通，P口是接在事故关阀气侧，保证了事故关阀气不能放空。    3.2 化工合成氨装置气动调节阀故障解决方案PV－03048B不能动作原因分析

    （1）经观察该阀门有时动作缓慢。检查发现阀门气缸有串气现象，更换了双气缸的活塞密封环，有时可以动作，即使能动作但全关后再启动非常困难。

    （2）由于阀门是多翻板连杆机构，启动不顺，怀疑是否是阀门运行动作阻力大。检查各个联轴节及轴承，发现这些地方由于阀门运行环境温度高，干涩活动阻力大。加注耐高温润滑脂，手动开关灵活了。

    （3）再次停车后开车，又出现该阀不动作。检查发现，不论给多少信号，关阀侧始终有气，阀门全关。断开定位器C2侧输出，关阀侧仍有气。怀疑气控阀I故障不切换。换了阀I后，现象依旧，说明不是阀I故障。

    （4）分析认为，气控阀不切换的原因是控制气压不足，控制气压低的原因可能有：

①测量电磁阀供电电压，不带负载为20VDC左右，带负载时为14VDC左右，电磁阀功率3W，可能带负载能力不足使电磁阀不能*开启；

②VP－41气动定位器是耗气型定位器，其中控制C1、C2两路输出的平衡滑阀阀芯长期滑动磨损，漏气量增大，已使阀门定位不准确，必定使整个回路耗气量增大，控制气压降低，气控阀不能切换；

③一旦停车PLC也会进行相应的检查或其他原因，阀门的电磁阀往往会断电，气控阀复位，恢复送电时由于上述原因会造成电磁阀开启不足、定位器分压太大，气控阀控制气压低，气控阀不能切换。

    4 化工合成氨装置气动调节阀故障解决方案控制气路改造

    同样以PV－03048B为例，改造后的气路控制图见图2。本实用新型涉及工业设备技术领域,且公开了一种便于维修化工生产调节阀门包括安装块,外阀,连内阀,安装块的两侧活动连接有固定钉,安装块的两侧固定内嵌有传感器,安装块的顶部转动连接有盖板,盖板顶部固定安装有指示灯,安装块的内部中间活动安装有外阀,该调节阀门通过传感器对连接对连接进行监控,阀门与管道之间紧密连接和非紧密连接情况下的传感器的气压值相差很大,再通过指示灯进行体现,以此提示工作人员阀门与管道连出现问题,是工作人员能够快速,准确的进行维修,减少了工作人员检查故障时间,提升了维修效率,通过内阀对管道流量进行精控,内阀活动连接于外阀内部,方便对其拆装,维护及更换.

    综合故障原因，除更换气动定位器、定期给各联轴节轴承加注耐高温润滑脂外，另引一路气源直接给电磁阀供气，并将电磁阀更换成大通量、低功耗阀，提高控制气压力，经过试验四个气控阀均能正常切换，问题得到圆满解决。

    5 化工合成氨装置气动调节阀故障解决方案结语

据了解，十多年来，我国合成氨装置先后经过油改煤、煤改油、油改气和无烟煤改粉煤等多次反复的原料路线改造和节能改造，先后在烃类蒸汽转化工段、变换工段、脱碳工段、控制系统等进行了数十项大型改造。其中造气炉、炉况监测与系统优化、脱硫系统等技改始终是重点。但是，由于装置原料路线、资源供应、运输、资金与技术成熟度等诸多方面原因，合成氨节能技术改造的效果始终未能达到预期目标。到2004年底，合成氨单位能耗平均为1700千克标煤／吨，吨氨平均水平与水平相差600～700千克标煤。

    大修将PV－03048B、PV－03048A、AV－03010进行了控制气路改造，改造后开车控制气路均切换控制正常，阀门动作自如。经过近一年的生产运行实践，这三台阀门工作正常，至今没有出现过一次故障。这种改造简单易行、成本低、实用性强，为合成装置其他控制阀故障排除摸索出一条新路。