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气动调节球阀新闻
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超大型空分设备配套阀门的选型与分析

[来源:原创] [作者:无锡科莱恩流体控制设备有限公司] [日期:16-09-02] [点击:]

本文分析了超大型空分设备在工艺设计上的特殊性,介绍了阀门选型上不同于常规空分设备的一些设计改变,论述了充分考虑空分设备安全性前提下全面合理选择阀门,既为空分设备提供了可靠的技术保证,又可以降低建造成本。

 

关键字:阀门 超大型空分设备 选型

 

1 概述

超大型空分设备由空气压缩系统大型空气预冷系统特大型分子筛纯化系统空气增压系统增压透平膨胀机系统以及特大型精馏系统换热系统等组成。由于配套的单元设备尺寸大,制造工艺要求高,其配套阀门选型尤为重要,其直接关系到生产安全、系统调节性能、产量质量和投资费用。

 

2 选型

超大型(12万m3/h)空分设备工艺流程复杂(图1),其所用阀门不是简单复制扩大常规空分设备用阀门,因此在设计选型方面需要全面整体考虑,才能使空分装置操作方便、控制容易,能够长期安全稳定地运行。


1)预冷系统

空分设备上的预冷系统控制空冷塔液位的阀门(LV500401)通常选用套筒单座调节阀(图2),该阀可以避免循环水杂质堵塞,流体压力平衡式阀芯结构具有大容量、动态稳定性优良的特点,是适合苛刻工作条件的高性能调节阀,不会因流体对阀杆作用力不均衡而损坏阀杆。调节阀有等百分比和线性流量特性,能够很好满足液位调节的要求。常规及大型空分设备一般选用≤DN300的调节阀实现控制要求。但是超大型空分设备工艺参数计算的CV值太大,需要选用DN450套筒单座阀,其造价过高。考虑空冷塔容积较大,液位变化较缓并且滞后,对调节性能要求较低,改用DN400高性能蝶阀替代套筒单座阀,满足了液位调节的要求。


2)分子筛系统

分子筛系统的切换阀选用三杆阀(图3,ORBI-NOX),尺寸分别为DN1600和DN1400,阀门阻力小于1kPa,利于空分设备节能。分子筛吸附器处理空气量约61万m3/h,如果发生冲床事故,处理分子筛填料会非常麻烦,对生产带来严重后果。阀门最大开启压差设置为15kPa,如果阀门前后压差超过设定值,将不能开启,有效防止了冲床事故的发生。

分子筛系统均压阀(HV500607)采用直通全径固定球球阀。根据计算的阀门CV值分析,需要选用DN300的球阀。由于大口径球阀在小开度时介质流量较大流速过快,对床层冲击力较大,而且成本高,改用口径分别为DN200和DN150的球阀,这种配置降低了气体对分子筛床层的冲击力,并且均压时间可以控制在合理范围内。分子筛加热器选用蒸汽加热器,污氮气经过加热器加热后温度最高达到250℃,故而球体双向密封环选用耐250℃的高温碳纤维强化聚四氟乙烯。

分子筛系统冷吹阀(HV500617)选用带智能定位器的DN1000蝶阀(图4),阀门设计为开关特性,带机械调节螺钉,阀门在40°~90°范围最大开度可调。因为分子筛加热阶段,污氮气经过加热器加热。由于加热管路较长,并且分子筛吸附器的水分析出,因此加热时管路阻力较大,精馏塔上塔压力较高。加热阶段结束,进入冷吹阶段,污氮气不经过加热器管路直接进分子筛吸附器,因此管路阻力显著减小,由于阻力变小,导致精馏塔上塔压力显著变小,精馏塔工况发生剧烈波动。为保证空分工况稳定,冷吹阀门需要加上机械调节螺钉,限制开度,将加热和冷吹阶段管路阻力调节到尽量平衡状态。对于超大型空分设备,由于加热器为4台蒸汽加热器,设备较多,所以冷吹阀不再应用开关阀,取消机械定位销,而使用智能定位器替代定位销,保证加热阶段转换到冷吹阶段时,阀门根据空分工况变化自动开到一定开度,保持上塔阻力稳定,从而使精馏塔工况不会发生较大波动。

3)精馏塔系统

空分设备精馏塔下塔液氮回流阀(HV501511A/B)通常由蝶阀组成,控制下塔的回流比。由于蝶阀为近似等百分比特性,调节线性度差,而超大空分设备的精馏塔下塔容器较大,在回流量特别大情况下,下塔精馏工况依靠蝶阀较难稳定,所以选用蝶阀调节阀。利用调节阀优良的线性调节性能,能够使下塔较快达到工况所需的回流比,建立精馏工况。液氮分成两路回流,选用蝶阀(277DB200)和低温角阀(363CJ200)。低温角式单座调节阀(图5)比蝶阀调节性能好,对下塔工况调节比蝶阀稳定。


4)氧气输送系统

出冷箱氧气产品分两路从氧气管网送出,氧气阀门(HV501201和HV501202)的选取关键在于氧气流速的限制和阀门材质的选取,指出,管道中氧气的最高允许流速,根据管道材质和工作压力,不应超过规定,3.0MPa<p≤10.0MPa。不锈钢材质,适用于p×υ≤15MPa?m/s撞击场合或p×υ≤80MPa?m/s非撞击场合。最高允许流速v是指管系最低工作压力与最高工作温度时的实际流速,铜及铜合金(含铝铜合金除外)和镍及镍铜合金,在小于或等于21.0MPa条件下,流速在压力降允许时没有限制。当0.6MPa<p≤10.0MPa,阀门材质选用不锈钢,铜合金或者不锈钢与铜合金的组合,镍和镍合金。阀门可以视为节流的管道元件,按照这个规定选择阀门材质。阀门通常选用蒙乃尔合金,其纯氧下燃点450℃以上,具有阻燃防爆特点。蒙乃尔合金是镍基耐蚀合金中的镍铜系合金,典型成分是70%Ni和30%Cu,既具有较高的强度和韧度,又具有优良的抗还原酸及强碱介质和海水等腐蚀的性能。


氧气输送阀的阀前压力4.69MPa,考虑到氧气输送到管网的安全性,选用DN300气动薄膜套筒调节阀。阀门前后压差0.02MPa,阀体选用不锈钢,阀芯、阀座和套筒材质选用蒙乃尔合金。送出阀旁通阀选用DN40气动薄膜套筒调节阀,计算流速≥15m/s,故阀体以及阀内件全部选用蒙乃尔合金。气动薄膜套筒调节阀使用流体压力平衡阀芯,阀芯有2个小孔,使阀芯上下腔流体压力平衡,阀杆受力均匀,调节快速稳定,防止阀杆在高压下被顶开或受损,避免了调节时产生振动。

氧气放空阀(PV501203)前后压差3.59MPa,氧气流速快,阀体以及阀内件选用蒙乃尔合金,阀后设置铜合金阻火器。

5)循环系统

超大型空分设备为内压缩流程,3台循环液氧泵。液氧泵回流阀(PV501603A/B/C)阀前压力0.74MPa,阀门前后压差0.55MPa,选用低温角式调节阀,阀内件是V形单座形式。由于液体回流阀前后压差大,易产生闪蒸和气蚀,因而阀芯材料为司太莱合金,阀座材料为不锈钢整体堆焊钴基硬质合金。V-PORT阀芯能够对流入液体起到分流作用,因此耐高压差,降低气蚀对阀芯的损坏。

给液氧产品加压到管网压力要求值,需要高压液氧泵,其回流阀(PV501403A/B/C)阀前压力4.77MPa(A),阀门前后压差4.29MPa。选用多级降压式套筒导向型调节阀,流体压力平衡型阀芯,阀芯、阀座和多级套筒均选用蒙乃尔合金,控制流经阀内件的流体速度,大幅降低噪声,有效防止液体产生的气蚀现象。

循环液氧泵进口阀(UV501601A/B/C)选用低温三偏心蝶阀,阀门前后压差0.002MPa。进口为铝法兰,出口为不锈钢法兰,能够实现快速关断功能,保证紧急状况下液氧泵和空分设备的安全。高压液氧泵进口阀(UV501401A/B/C)也选用低温三偏心蝶阀。

高压空气节流阀(HV501015A)阀前压力7.15MPa,阀门前后压差6.55MPa。选用低温角式多级降压调节阀(776CJ150Ma),阀芯采用多级带孔套筒形式,迷宫结构,流体介质通过迷宫套筒,降低流速,有效降低流体产生闪蒸和气蚀现象的发生。阀芯不锈钢部分堆焊硬质合金,阀座整体堆焊硬质合金,阀芯外环绕一圈防尘不锈钢罩,可以有效防止杂质堵塞阀芯。

3结语

超大型空分设备配套阀门的设计选型在保证安全的前提下,应同时考虑工艺流程调节稳定性,配套成本和能源消耗等因素,在应用实践中再进一步检验阀门的使用效能。

文章链接:/hyxw/1616.htm

 

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