針對120 000 m3 /h 特大型空分設備閥門選型的設計，通過分析閥門工作參數(shù)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在充分考慮空分安全性前提下，選擇滿足工藝條件和控制要求的閥門。介紹了特大型空分設備上重要閥門在選型上不同于常規(guī)空分設計的一些改進措施，科學合理地選擇適用的閥門，使閥門材質(zhì)、結(jié)構(gòu)及功能應用適合于整套空分工況的需要，為空分設備提供了安全可靠的技術(shù)保證，同時也降低了建造特大型空分設備的建設成本，為特大等級空分設備全面合理選擇閥門提供有利的參考經(jīng)驗。

引言

　　目前60 000 m3 /h 等級及以下規(guī)模的空分設備技術(shù)日益成熟，運行的設備也較多，閥門設計選型已經(jīng)成熟，但是對于特大型空分設備閥門的選型不是簡單復制擴大常規(guī)空分設備的閥門，因此在設計選型方面需要全面整體考慮，閥門的材質(zhì)、內(nèi)部構(gòu)造、調(diào)節(jié)特性及密封特性等都要根據(jù)使用工況，科學合理的選擇閥門，使空分裝置操作方便、控制容易，能夠長期安全穩(wěn)定的運行。閥門選型直接關系到生產(chǎn)安全，關系到系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能，進而影響產(chǎn)量、質(zhì)量和投資費用，因而選型是該設備正常運型的關鍵要素。根據(jù)120 000 m3 /h 空分設備工藝提出的特殊工況和控制要求，介紹閥門的選型方法、選型依據(jù)以及選型過程中應當注意的事項，以保證整套空分系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。

1、閥門選型原則

　　整個空分流程包括空氣壓縮系統(tǒng)，大型空氣預冷系統(tǒng)、特大型分子篩純化系統(tǒng)、空氣增壓系統(tǒng)、增壓透平膨脹機系統(tǒng)及特大型精餾系統(tǒng)和換熱系統(tǒng)組成。120 000 m3 /h 空分工藝流程原理如圖1 所示。

圖1 120 000 m3 /h 等級空分設備工藝流程簡圖

1. 氧氣; 2. 氮氣; 3. 液氮; 4. 液氬; 5. 液氧

　　原料空氣自吸入口進入空壓機( MAC) ，壓縮后進入空氣冷卻塔冷卻，冷卻水為冷塔冷卻后的水，空氣自下而上穿過空冷塔，在冷卻的同時，又得到清洗。經(jīng)冷卻塔冷卻后的空氣進入分子篩純化器，其中的二氧化碳、碳氫化合物和水分被吸附，兩只純化器交替切換使用，一只工作，另一只再生，凈化后的空氣分為兩股，一股空氣進入低壓板式換熱器，被返流污氮氣冷卻后直接進入下塔，另一股空氣去增壓機( BAC) ，這股空氣分成三部分，一部分經(jīng)增壓機第一段增壓后進入膨脹機的增壓端增壓，然后進入下塔，另一部分空氣在增壓機的第二段繼續(xù)增壓，冷卻后進入板式換熱器，用來與液氧換熱，然后空氣經(jīng)過高壓節(jié)流閥進入下塔。空氣經(jīng)下塔初步精餾后，獲得液態(tài)氣體、純液氮和污液氮，經(jīng)過冷器冷卻后進入上塔，經(jīng)上塔進一步精餾，在上塔底部獲得液氧，經(jīng)過液氧泵壓縮后進入板式換熱器復熱，出冷箱進入氧氣管網(wǎng)。下塔頂部引出液氮，一路可以直接進儲槽，一路經(jīng)過低壓板式換熱器復熱后出冷箱，送入氮氣管網(wǎng)。上塔頂部引出污氮氣一部分作為分子篩再生氣體，其余污氮氣去水冷塔。

　　空分設備的閥門的選選型原則:

　　(1) 根據(jù)工藝條件，選擇合適的結(jié)構(gòu)形式和材料;

　　(2) 根據(jù)工藝對象的特點，選擇合適的流量特性;

　　(3) 根據(jù)工藝操作參數(shù)，計算閥門的流通能力Cv或Kv) 值，選擇合適的閥門口徑和執(zhí)行機構(gòu)，閥門相應速度滿足工藝要求。

2、重要閥門選型

　　預冷系統(tǒng)控制空冷塔液位的閥門LV500401，調(diào)節(jié)空冷塔液位，空分上通常選用套筒單座調(diào)節(jié)閥，可以避免循環(huán)水雜質(zhì)堵塞，流體壓力平衡式閥芯結(jié)構(gòu)具有大容量、動態(tài)穩(wěn)定性優(yōu)良的特點，適合苛刻的工作條件高性能調(diào)節(jié)閥，不會因流體對閥桿作用力不均衡而損壞閥桿。調(diào)節(jié)閥有等百分比和線性流量特性，能夠很好滿足液位調(diào)節(jié)的要求，口徑一般選擇在300 mm 以下，就能保證常規(guī)及大型空分達到控制要求。但是120 000 空分由于根據(jù)工藝參數(shù)計算Cv值最大工況為248 L /s，計算后需要450 mm 口徑套筒單座閥，造價過于昂貴，考慮空冷塔容積較大，液位變化較緩并且滯后，對調(diào)節(jié)性能要求較低，改用400 mm 口徑，額定Cv為549 L /s 的高性能蝶閥替代套筒單座閥，蝶閥的近似等百分比調(diào)節(jié)性能完全能滿足液位調(diào)節(jié)的要求。

　　分子篩系統(tǒng)8 只切換閥選用進口ORBINOX 三桿閥，閥門直徑1 600 mm 和1 400 mm 兩種，閥門阻力小于1 kPa，利于空分設備節(jié)能。設置閥門最大開啟壓差15 kPa，如果閥門前后壓差超過設定值，閥門關閉，這樣能夠有效防止沖床事故的發(fā)生。分子篩吸附器處理空氣量大約610 000 N·m3 /h，發(fā)生沖床事故，處理分子篩填料會非常麻煩，對生產(chǎn)帶來嚴重后果，因此有必要選用有壓差保護的三桿閥。

　　分子篩均壓閥HV500607 用一個直通全腔型球閥，閥芯為固定球型，計算閥門需要選用300 mm 口徑的球閥，由于大口徑球閥在小開度時介質(zhì)流量較大流速過快，對床層沖擊力較大，而且成本太高，現(xiàn)改用兩個口徑分別為200 mm 和150 mm 口徑球閥，這樣配置降低了氣體對分子篩床層的沖擊力，并且均壓時間可以控制在合理范圍內(nèi)。分子篩加熱器用蒸氣加熱器，污氮氣經(jīng)過加熱器加熱后溫度最高達到250 ℃，故而閥芯球體雙向軟密封環(huán)材質(zhì)選用耐250℃的高溫碳纖維強化聚四氟乙烯。分子篩冷吹閥HV500617，污氮氣流過此閥門作為分子篩再生氣，計算流通最大Cv值約為1 640L /s，設計選用1 000 mm 口徑蝶閥，帶智能定位器。

　　常規(guī)空分設備這只閥門設計為開關特性蝶閥，帶機械調(diào)節(jié)螺釘，閥門可在40° ～ 90° 范圍最大開度可調(diào)，不帶智能定位器。因為分子篩加熱階段，污氮氣經(jīng)過加熱器加熱，加熱管路較長，并且分子篩吸附器的大部分水析出，因此加熱管路阻力較大，致使精餾塔上壓力較高; 加熱階段結(jié)束，進入冷吹階段，污氮氣不經(jīng)過加熱器，管路直接進分子篩吸附器，因此管路阻力顯著減小，由于阻力變小，導致精餾塔上壓力又會顯著變小，精餾塔工況發(fā)生劇烈波動，因此冷吹閥門設計需要加上機械調(diào)節(jié)螺釘，限制開度，把加熱和冷吹階段管路阻力調(diào)節(jié)到盡量平衡，保證空分工況穩(wěn)定。對于本套空分設備，由于加熱器為四臺蒸氣加熱器，設備較多，所以該冷吹閥不再應用開關閥，取消機械定位銷，而使用智能定位器替代定位銷，保證加熱階段轉(zhuǎn)換到冷吹階段時，閥門根據(jù)空分工況變化自動調(diào)節(jié)閥門開度，使上塔阻力能夠保持穩(wěn)定，從而精餾塔工況不會發(fā)生較大波動。

　　空分系統(tǒng)精餾下塔液氮回流閥HV501511A/B，空分設備通常由一個或兩個蝶閥控制下塔的回流比，回流比決定下塔氮氣純度的高低。由于蝶閥為近似等百分比調(diào)節(jié)特性，調(diào)節(jié)線性度差， 120 000 空分下塔容器較大，回流量特別大的情況下，下塔精餾工況依靠蝶閥較難穩(wěn)定，所以選用一個蝶閥277DB200 和一個低溫角閥363CJ200，低溫角式單座調(diào)節(jié)閥比蝶閥調(diào)節(jié)性能好，利用調(diào)節(jié)閥優(yōu)良的線性調(diào)節(jié)性能，使下塔較快達到工況所需的回流比，建立精餾工況。

　　出冷箱閥門HV501201 和HV501202 分兩路將氧氣送往氧氣管網(wǎng)，PV501203 為氧氣放空閥。氧氣閥門的選取關鍵在于流速的限制和閥門材質(zhì)的選取，《GB16912 - 2008 深度冷凍法生產(chǎn)氧氣及相關氣體安全技術(shù)規(guī)程》8. 2 中氧氣流速規(guī)定: 管道中氧氣的最高允許流速，根據(jù)管道材質(zhì)、工作壓力，應不超過3. 0 MPa < p≤10. 0 MPa，不銹鋼材質(zhì)，適用于pv≤15 MPa·m/s 撞擊場合或pv≤80 MPa·m/s非撞擊場合，最高允許流速v 是指管系最低工作壓力、最高工作溫度時的實際流速，銅及銅合金( 鋁銅合金除外) 、鎳及鎳銅合金，在≤21. 0 MPa 條件下，流速在壓力降允許時沒有限制。當0. 6 MPa < p≤10.0 MPa，閥門材質(zhì)選用不銹鋼，銅合金或不銹鋼與銅合金的組合，鎳和鎳合金。閥門可看做節(jié)流的管道元件，按照這個規(guī)定選擇閥門材質(zhì)。閥門上通常選用用途最廣泛的蒙乃爾，純氧下燃點450 ℃以上，具有阻燃防爆特點。蒙乃爾合金是鎳基耐蝕合金中的鎳銅系合金，典型成分是70% 鎳和30% 銅，既具有較高的強度和韌度，又具有優(yōu)良的抗還原酸及強堿介質(zhì)和海水等腐蝕的性能。

　　氧氣輸送閥HV501201 和HV501202 閥前壓力4. 69 MPa( A) ，考慮到氧氣輸送到管網(wǎng)的安全性，選用300 mm 口徑氣動薄膜套筒調(diào)節(jié)閥ANSI600，閥門前后壓差0. 02 MPa，計算流速v 約為6. 2 m/s，閥體選用不銹鋼材質(zhì)，閥芯、閥座和套筒材質(zhì)選用蒙乃爾材質(zhì)。該閥門使用流體壓力平衡閥芯結(jié)構(gòu)，閥芯有兩個小孔，使閥芯上下腔流體壓力平衡，閥桿受力均勻，這樣的閥芯調(diào)節(jié)時能快速穩(wěn)定調(diào)節(jié)，防止閥桿在高壓下被頂開或受損以及調(diào)節(jié)時產(chǎn)生振動現(xiàn)象。放空閥PV501203 閥門前后壓差3. 59 MPa，最大氧氣放空量120 000 m3 /h，計算氧氣流速v 約為17 m/s，流速較快，選用250 mm 口徑氣動薄膜套筒調(diào)節(jié)閥，閥體以及閥內(nèi)件選用蒙乃爾材質(zhì)，并且閥后需帶銅合金阻火器。

　　三只循環(huán)液氧泵回流閥PV501603A/B /C，液氧泵閥門前壓力為0. 74 MPa ( A) ，閥門前后壓差為0. 55 MPa，選用杭氧工裝367CJ100 低溫角式調(diào)節(jié)閥，閥內(nèi)件是V 型單座形式，液體回流閥由于通常前后壓差大，易產(chǎn)生閃蒸和氣蝕，因而閥芯材質(zhì)為司太萊合金，閥座材質(zhì)為不銹鋼整體堆焊鈷基硬質(zhì)合金，V - PORT 閥芯能夠?qū)⒘魅胍后w分為三股流，因此耐高壓差，降低氣蝕對閥芯的損壞。

　　高壓液氧泵回流閥PV501403A/B /C，給液氧加壓到管網(wǎng)壓力要求值，閥門前壓力為4. 77 MPa( A) ，閥門前后壓差為4. 29 MPa，選用多級降壓式套筒導向型調(diào)節(jié)閥，流體壓力平衡型閥芯，考慮液氧介質(zhì)安全流速因素，閥芯、閥座和多級套筒均選用蒙乃爾材質(zhì)，通過多級降壓降低流經(jīng)閥內(nèi)件的流體速度，大幅降低噪音，有效防止液體產(chǎn)生的氣蝕現(xiàn)象。循環(huán)液氧泵入口閥UV501601A/B /C，選用開關特性的低溫三偏心351D 蝶閥，閥門前后壓差為0. 002 MPa，工作溫度- 180 ℃，泵安裝在隔離小冷箱內(nèi)，管道為不銹鋼管道，小冷箱外為鋁管道，因此閥門進口為鋁法蘭，出口為不銹鋼法蘭，實現(xiàn)快速關斷功能，保證緊急狀況下液氧泵和空分設備的安全。同理，高壓液氧泵進口閥UV501401A/B /C，也選用杭氧低溫三偏心351D 蝶閥。

　　高壓空氣節(jié)流閥HV501015A，通過增壓機后空氣經(jīng)低壓板式換熱器后節(jié)流為主塔的下塔提供提供冷量，閥前壓力7. 15 MPa( A) ，前后壓差6. 55 MPa，原來選用杭氧工裝767CJ150 /80 低溫角式調(diào)節(jié)閥，閥內(nèi)件V 型，由于V 型閥芯在壓節(jié)流閥使用中易損壞閥芯，所以改用776CJ150Ma型低溫角式多級降壓調(diào)節(jié)閥，閥芯采用多級帶孔套筒形式，迷宮結(jié)構(gòu)，流體介質(zhì)通過迷宮套筒，降低流速，有效降低流體產(chǎn)生閃蒸和氣蝕現(xiàn)象的發(fā)生，閥芯不銹鋼部分堆焊硬質(zhì)合金，閥座整體堆焊硬質(zhì)合金，閥芯外環(huán)繞一圈防塵不銹鋼罩，可以有效防止雜質(zhì)堵塞閥芯。

3、結(jié)束語

　　伊朗120 000 m3 /h 空分配套閥門的設計選型在保證安全的前提下，考慮到工藝流程調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性，降低整套項目的配套成本，降低空分設備的能耗等要素。閥門計算選型在理論上要兼顧這些選型要素，在應用實踐中再進一步去檢驗閥門的使用效能，為低溫制冷及石油化工行業(yè)大型設備的閥門選型提供可參考的實際經(jīng)驗。