加氢装置高压控制阀的设计选择

控制专家

摘 要：为提高燃料油品质，我国在国内大力发展各类油品加氢装置。通过蒽油加氢装置项目设计，并参与现场施工服务，介绍了高压控制阀门的结构形式、材料选择、控制机构、过程连接。通过合理的控制阀设计选型，取得符合工艺要求的控制效果。
关键字：氢脆 角阀 侧进底出 底进侧出

0 引言
加氢装置最早由德国在20世纪初发展起来，那时德国缺乏石油资源，便通过煤焦油加氢进行弥补。第二次世界大战结束后，加氢工艺在原油加工中得到了大发展，在世界各地的炼油厂，加氢装置成为了主要装置。
由于中国是一个能源比较匮乏的国家，原油大量进口，煤炭相对较多。近几年大力开展煤化工制油和渣油蒽油的综合利用。提供催化加氢生产合格的燃料油或化工原料油。2013年初，公司将山东某民营蒽油加氢装置项目的自控设计任务交由我负责自控设计。
1 工艺要求
加氢装置的技术难点在于高温高压介质的测量和控制。包括温度，压力，流量，液位的测量；以及高温高压介质的流量控制。
高温高压介质主要分为气体和液体：气体主要是氢气，分新氢和循环氢；液体主要是原料油和加工过程油品，还有部分含硫污水等。
2 高压调节阀选型
根据不同工艺要求，高压调节阀分为单座调节阀和单座角阀，如图1、图2。

根据工艺要求，对于高压流量控制阀门，在阀前后压差大时，需选用高压角阀。
2.1 阀体材质的选用
根据设计规范要求阀体材质必须等于或优于工艺管道材质。
由于氢气的特性，在加氢工艺过程中，对高压氢气的管道材料有其特殊要求，普遍采用A106碳钢。控制氢气的调节阀，需选用抗氢脆的材料（氢气介质温度达到一定高度时材料有氢脆问题），故选用特种碳钢A216WCC。氢气分新氢和循环氢，针对循环氢中会含有硫的成分，材料选择必须加上（抗硫型）。
对于液体介质，特别是原料油和中间介质，因为是原油加工的产物蒽油，粘度高，同时含有较多重组分，温度低时，粘度更高，且容易凝结。工作温度在摄氏180度至270度。对调节阀提出了较高的要求。故选用特种碳钢A216WCC或不锈钢A351CF8C。对于部分反应后含硫的介质，材料选择必须加上（抗硫型）。碳钢材质有NACE处理需求。

2.2 阀芯材质和阀座材质的选用
根据材料强度的要求，大部分调节阀选用了316L不锈钢，部分高温介质采用347（裂化原料油、精制原料油、裂化混氢油、精制热高分油、裂化热高分油）。
2.3 填料的选用
对于低温介质，采用DoublePTFE四氟材料；而高温介质，则采用SingleGraphite石墨。
2.4 流量特性
对于高压单座调节阀，流量特性为常用的等百分比；而对于高压角阀，流量特性宜为线性（可咨询阀门厂商）。
本项目采用德国进口调节阀，高压单座调节阀和高压角阀的流量特性均为等百分比。
2.5 高压角阀流向的选择
由于使用高压角阀，必须注意介质的流向。大多数高压角阀的生产商建议底进侧出；根据高压角阀的特性，一般要求液体介质侧进底出，气体介质底进侧出。对液体介质，底进侧出时，气蚀较大，必须加上司太莱堆焊等工艺，以加强阀体（侧进底出在工艺方面考虑低压侧流速高、高速流体对设备损伤作用大）。
本项目有4台热高分罐出口阀，经厂家计算后，汽化率较高，必须将出口管径扩大，故采用2”进，3”出的方案，结构上是侧进底出。
2.6 手轮的选用
由于使用高压调节阀的工艺要求较高，故必须配备手轮，主要根据气动执行机构，大多安装在调节阀顶部，也有少量安装在调节阀侧面。安装在顶部可直接转动，安装在侧面需加齿轮传动机构，在现场有可靠性方面的担心。
3 高压切断阀选型
高压切断阀选用平行闸板阀。
3.1 高压切断阀的应用
应用于原料油进料，高分罐出口，紧急放空及高压注水。故要求动作迅速，采用气动双作用执行机构，不带反馈弹簧。配套的电磁阀采用原装ASCO二位三通隔爆式，提供一台锁止阀，一台二位五通和两台二位三通的气动执行机构推动气缸动作。为保证故障状态时，阀门处于安全位置，特加入储气罐，保证至少两次可将阀门回到安全位置。由于阀门口径较大，对执行机构力矩要求较高，故统一要求厂家采用3/4”气源接头。
3.2 阀体材质的选用
阀体材料选用A216-WCB，含硫介质需抗H2S；热高分出口选用A351-CF8C（做NACE认证）。
3.3 阀芯材质和阀座材质的选用
阀芯材质和阀座材质选用SUS304不锈钢，加司太莱堆焊；热高分出口选用SUS347不锈钢，加司太莱堆焊。
3.4 填料的选用
依据介质温度选择填料，本项目均选用石墨。
3.5 手轮的选用
根据工艺要求选配手轮。
4 高压电动切断阀选型
高压电动切断阀均选用Y型截止阀。

4.1 高压电动切断阀的应用
应用于对新氢压缩机和循环氢压缩机的出口控制。
4.2 阀体材质的选用
阀体材料选用A216-WCB，循环氢需抗H2S。
4.3 填料的选用
依据介质温度选择填料，本项目均选用石墨。
4.4 手轮的选用
均需带手轮。
4.5 电动执行机构
采用了国产合资产品。由于对动作速度的要求，必须配合功率较大的电动执行机构。电源采用三相380V电源。特别注意设计中需保证电源供应（电动机启动功率很大）。
由于压力等级均为CLASS1500或CLASS2500，故法兰类型选用RJ密封面。

特别注意：环连接面需使用金属环垫，且金属材质的硬度需低于法兰材质30。由于加氢的特殊要求，工艺管道不少是采用碳钢材料，硬度较低，所以建议金属环垫的材料使用软铁材料。
5 设计中需注意的问题
由于加氢装置的特殊性，涉及高温高压的介质，且原料油成分的复杂性，通常粘度较高，对控制阀提出了较高的要求；而高压氢气则需防止材料的氢脆；循环氢及中间过程油品又含有硫及硫化氢成分，材料需具有抗硫特性。
对于高压控制阀，其外形尺寸、质量远大于低压控制阀，故需在厂商返回订货资料后仔细核对，配合配管专业合理安排安装位置。

6 结束语
蒽油加氢装置的应用，使原来价值较低的蒽油转化为轻质石脑油和柴油。此装置的柴油产品，可用于车辆的燃料，其硫含量和氮含量均符合国V标准。极大的提高了产品的价值，产生了很好的效益。