超大型空分設備配套閥門的選型與分析

超大型空分設備配套閥門的選型與分析分析了超大型空分設備在工藝設計上的特殊性，介紹了閥門選型上不同于常規(guī)空分設備的一些設計改變，論述了充分考慮空分設備安全性前提下全面合理選擇閥門，既為空分設備提供了可靠的技術(shù)保證，又可以降低建造成本。1、超大型空分設備系統(tǒng)概述

超大型空分設備由空氣壓縮系統(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)以及特大型精餾系統(tǒng)和換熱系統(tǒng)等組成。由于配套的單元設備尺寸大，制造工藝要求高，其配套閥門選型尤為重要，其直接關(guān)系到生產(chǎn)安全、系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能、產(chǎn)量質(zhì)量和投資費用。2、超大型空分設備配套閥門的選型選型

超大型(12萬m3/h)空分設備工藝流程復雜(圖1)，其所用閥門不是簡單復制擴大常規(guī)空分設備用閥門，因此在設計選型方面需要全面整體考慮，才能使空分裝置操作方便、控制容易，能夠長期安全穩(wěn)定地運行。

(1)預冷系統(tǒng)

空分設備上的預冷系統(tǒng)控制空冷塔液位的閥門(LV500401)通常選用套筒單座調(diào)節(jié)閥(圖2)，該閥可以防止循環(huán)水雜質(zhì)堵塞，流體壓力平衡式閥芯構(gòu)造具有大容量、動態(tài)穩(wěn)定性優(yōu)良的特點，是適合苛刻工作條件的高性能調(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。常規(guī)及大型空分設備一般選用≤DN300的調(diào)節(jié)閥實現(xiàn)控制要求。但是超大型空分設備工藝參數(shù)計算的CV值太大，需要選用DN450套筒單座閥，其造價過高。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，真空技術(shù)網(wǎng)(http:///)認為可以改用DN400高性能蝶閥替代套筒單座閥，滿足了液位調(diào)節(jié)的要求。

(2)分子篩系統(tǒng)

分子篩系統(tǒng)的切換閥選用三桿閥(圖3，ORBINOX)，尺寸分別為DN1600和DN1400，閥門阻力小于1kPa，利于空分設備節(jié)能。分子篩吸附器處理空氣量約61萬m3/h，如果發(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。閥門最大開啟壓差設置為15kPa，如果閥門前后壓差超過設定值，將不能開啟，有效防止了沖床事故的發(fā)生。

圖112萬m3/h等級空分設備工藝流程

圖2套筒單座調(diào)節(jié)閥

圖3三桿閥

分子篩系統(tǒng)均壓閥(HV500607)采用直通全徑固定球球閥。根據(jù)計算的閥門CV值分析，需要選用DN300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，而且成本高，改用口徑分別為DN200和DN150的球閥，這種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)。分子篩加熱器選用蒸汽加熱器，污氮氣經(jīng)過加熱器加熱后溫度最高到達250℃，故而球體雙向密封環(huán)選用耐250℃的高溫碳纖維強化聚四氟乙烯。

分子篩系統(tǒng)冷吹閥(HV500617)選用帶智能定位器的DN1000蝶閥(圖4)，閥門設計為開關(guān)特性，帶機械調(diào)節(jié)螺釘，閥門在40°～90°范圍最大開度可調(diào)。因為分子篩加熱階段，污氮氣經(jīng)過加熱器加熱。由于加熱管路較長，并且分子篩吸附器的水分析出，因此加熱時管路阻力較大，精餾塔上塔壓力較高。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，導致精餾塔上塔壓力顯著變小，精餾塔工況發(fā)生劇烈波動。為保證空分工況穩(wěn)定，冷吹閥門需要加上機械調(diào)節(jié)螺釘，限制開度，將加熱和冷吹階段管路阻力調(diào)節(jié)到盡量平衡狀態(tài)。對于超大型空分設備，由于加熱器為4臺蒸汽加熱器，設備較多，所以冷吹閥不再應用開關(guān)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)空分工況變化自動開到一定開度，保持上塔阻力穩(wěn)定，從而使精餾塔工況不會發(fā)生較大波動。

圖4智能蝶閥

(3)精餾塔系統(tǒng)

空分設備精餾塔下塔液氮回流閥(HV501511A/B)通常由蝶閥組成，控制下塔的回流比。由于蝶閥為近似等百分比特性，調(diào)節(jié)線性度差，而超大空分設備的精餾塔下塔容器較大，在回流量特別大情況下，下塔精餾工況依靠蝶閥較難穩(wěn)定，所以選用蝶閥和調(diào)節(jié)閥。利用調(diào)節(jié)閥優(yōu)良的線性調(diào)節(jié)性能，能夠使下塔較快到達工況所需的回流比，建立精餾工況。液氮分成兩路回流，選用蝶閥(277DB200)和低溫角(363CJ200)。低溫角式單座調(diào)節(jié)閥(圖5)比蝶閥調(diào)節(jié)性能好，對下塔工況調(diào)節(jié)比蝶閥穩(wěn)定。

(4)氧氣輸送系統(tǒng)

出冷箱氧氣產(chǎn)品分兩路從氧氣管網(wǎng)送出，氧氣閥門(HV501201和HV501202)的選取關(guān)鍵在于氧氣流速的限制和閥門材質(zhì)的選取，文獻中指出，管道中氧氣的最高允許流速，根據(jù)管道材質(zhì)和工作壓力，不應超過規(guī)定，3.0MPa<p≤10.0MPa。不銹鋼材質(zhì)，適用于p×v≤15MPa·m/s撞擊場合或p×v≤80MPa·m/s非撞擊場合。最高允許流速v是指管系最低工作壓力與最高工作溫度時的實際流速，銅及銅合金(含鋁銅合金除外)和鎳及鎳銅合金，在小于或等于21.0MPa條件下，流速在壓力降允許時沒有限制。當0.6MPa<p≤10.0MPa，閥門材質(zhì)選用不銹鋼，銅合金或者不銹鋼與銅合金的組合，鎳和鎳合金。閥門可以視為節(jié)流的管道元件，按照這個規(guī)定選擇閥門材質(zhì)。閥門通常選用蒙乃爾合金，其純氧下燃點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%Ni和30%Cu，既具有較高的強度和韌度，又具有優(yōu)良的抗復原酸及強堿介質(zhì)和海水等腐蝕的性能。

圖5低溫角式單座調(diào)節(jié)閥

氧氣輸送閥的閥前壓力4.69MPa，考慮到氧氣輸送到管網(wǎng)的安全性，選用DN300氣動薄膜套筒調(diào)節(jié)閥。閥門前后壓差0.02MPa，閥體選用不銹鋼，閥芯、閥座和套筒材質(zhì)選用蒙乃爾合金。送出閥旁通閥選用DN40氣動薄膜套筒調(diào)節(jié)閥，計算流速≥15m/s，故閥體以及閥內(nèi)件全部選用蒙乃爾合金。氣動薄膜套筒調(diào)節(jié)閥使用流體壓力平衡閥芯，閥芯有2個小孔，使閥芯上下腔流體壓力平衡，閥桿受力均勻，調(diào)節(jié)快速穩(wěn)定，防止閥桿在高壓下被頂開或受損，防止了調(diào)節(jié)時產(chǎn)生振動。氧氣放空閥(PV501203)前后壓差3.59MPa，氧氣流速快，閥體以及閥內(nèi)件選用蒙乃爾合金，閥后設置銅合金阻火器。

(5)循環(huán)系統(tǒng)

超大型空分設備為內(nèi)壓縮流程，3臺循環(huán)液氧泵。液氧泵回流閥(PV501603A/B/C)閥前壓力0.74MPa，閥門前后壓差0.55MPa，選用低溫角式調(diào)節(jié)閥，閥內(nèi)件是V形單座形式。由于液體回流閥前后壓差大，易產(chǎn)生閃蒸和氣蝕，因而閥芯材料為司太萊合金，閥座材料為不銹鋼整體堆焊鈷基硬質(zhì)合金。V-PORT閥芯能夠?qū)α魅胍后w起到分流作用，因此耐高壓差，降低氣蝕對閥芯的損壞。

給液氧產(chǎn)品加壓到管網(wǎng)壓力要求值，需要高壓液氧泵，其回流閥(PV501403A/B/C)閥前壓力4.77MPa(A)，閥門前后壓差4.29MPa。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，閥芯、閥座和多級套筒均選用蒙乃爾合金，控制流經(jīng)閥內(nèi)件的流體速度，大幅降低噪聲，有效防止液體產(chǎn)生的氣蝕現(xiàn)象。

循環(huán)液氧泵進口閥(UV501601A/B/C)選用低溫三偏心蝶閥，閥門前后壓差0.002MPa。進口為鋁法蘭，出口為不銹鋼法蘭，能夠?qū)崿F(xiàn)快速關(guān)斷功能，保證緊急狀況下液氧泵和空分設備的安全。高壓液氧泵進口閥(UV501401A/B/C)也選用低溫三偏心蝶閥。

高壓空氣節(jié)流閥(HV501015A)閥前壓力7.15MPa，閥門前后壓差6.55MPa。選用低溫角式多級降壓調(diào)節(jié)閥(776CJ150Ma)，閥芯采用多級帶孔套筒形式，迷宮構(gòu)造，流體介質(zhì)