透平旁路阀的应用

叶胜利

(东华工程科技股份有限公司，合肥 230024)

高压蒸汽是化工装置中的重要驱动源。在某些场合的驱动源选择中，如大型离心压缩机组的驱动，更倾向于采用蒸汽透平，以达到节能降耗的目的。驱动大型离心机组需要高热焓的蒸汽，蒸汽的热焓高，即意味着蒸汽的温压高，蒸汽管网的危险系数也随之提高。因此，在化工装置中，各级蒸汽管网的动态平衡以及无扰动转换至关重要。

1 应用场合

以天然气为原料的某甲醇装置中，合成气压缩机透平蒸汽来源于高压蒸汽管网，管网系统如图1所示。

图1 蒸汽管网系统示意

图1中，PIC为减压控制回路，PV阀为透平旁路阀，在管网正常运行中，透平旁路阀的执行机构A定量跟踪FIC-006的给定流量，即透平的实时蒸汽消耗量与经过透平旁路阀蒸汽流量之和。PIC-003通过控制执行机构B实现高压管网压力的微调。当透平跳车时能在0.5 s内快速打开透平旁路阀，将透平消耗的蒸汽等量切换至旁路阀，此时的蒸汽量为原旁路流量与透平跳闸时透平流量之和，透平旁路阀也没有完全打开，实现透平跳车时高压蒸汽快速、无扰动地从透平切换至旁路系统，确保高、中压蒸汽管网压力稳定、无扰动。

如果不能实现上述控制功能，在透平跳车时，旁路阀将会在瞬间全部打开，使高压蒸汽快速排放至中压蒸汽管网，导致锅炉汽包水位急剧下降甚至“干锅”而发生事故，同时高压蒸汽的快速排放会导致中压蒸汽管网的压力迅速升高，极易造成中压蒸汽管网超压事故。可见，旁路阀运行正常与否直接影响到整套装置的安全生产。

该装置工艺条件苛刻，Tmax=525℃，pmax=11.5 MPa，透平旁路阀前后压差大；控制回路复杂，有温度控制、压力控制、减压阀的阀位跟踪及联锁控制等；精度要求高、速度快。因此，需设置一套安全、可靠的控制设备来满足该装置工艺控制的复杂要求，以确保装置正常运行。

2 阀门结构形式

阀门采用角形结构形式，阀体呈流线型弧形，整体锻造，适应旁路高低温冷热交替运行要求；阀体选用了高强度，耐高温、高压的合金钢；阀体、阀座均使用斯钛莱合金材料，做硬化处理，耐磨、耐冲刷。采用双头气动执行机构，调节精度高，动作速度快。

高压蒸汽通过4级减压衬套，平稳降压，噪声低，减轻高压降产生的冲击及噪声，在3%～100%任何调节开度下，在阀体1 m以外，噪声可保证低于85 dB。

3 使用过程

3.1 开车工况

透平启动前，主气门及透平调节门均处于关闭状态，锅炉正常运行后，操作人员将依据高压蒸汽管网的升压曲线，通过管网压力控制器手动慢启透平旁路阀。当高压蒸汽达到透平启动的工况参数条件时，开启透平主气门，并通过透平调节门依据透平升速曲线逐步开启透平调节门，同时，通过执行机构B手动缓慢关小透平旁路阀(此时已有蒸汽通过透平，执行机构A的定位器所收到的控制信号是透平进口流量与通过透平旁路阀流量之和所对应的阀位信号，实现流量的跟踪与定位；执行机构B的定位器则接收到高压蒸汽管网压力控制信号，对透平旁路阀进行调节)。透平正常运行后将压力控制器切换至自动控制状态。

3.2 正常工况

执行机构A始终跟踪透平进口瞬时流量及此时透平旁路阀阀位的变化，以透平进口瞬时流量信号与透平旁路阀流量之和所对应的阀位信号不断修正其限位位置。执行机构B接收来自DCS的高压蒸汽管网压力控制信号，实时控制阀门开度，使高压管网蒸汽压力稳定。

3.3 减负荷工况

透平减负荷时，高压蒸汽管网压力将会随之升高，执行机构B将依据控制信号开大透平旁路阀开度，使剩余高压蒸汽通过透平旁路阀减压至中压蒸汽管网。此时，中压蒸汽管网的温度也会随之升高，减温阀将依据中压蒸汽温度控制信号开大减温阀，增大喷水量，使中压蒸汽温度稳定在340℃。

3.4 事故工况

透平故障时，执行机构B接收到故障联锁信号，迅速打开电磁阀，放出气缸内仪表空气，压缩弹簧将在0.5 s内完全释放并带动阀杆(阀芯)至执行机构A的阀位定位处，使高压蒸汽全部通过透平旁路阀减压至中压蒸汽管网，完成无扰动切换后，由于通过透平的蒸汽量为0，执行机构A将直接接收高压蒸汽流量控制信号，对高压蒸汽进行自动控制。而执行机构B由于气缸已放空将不再起控制作用。

如图2所示，执行机构A的限位是通过耦合弹簧的储能实现的，当执行机构B接受到透平跳车信号后，在气源卸放和耦合弹簧储存能量共同作用下，使整个阀杆向右移动至执行机构A限定的位置，从而实现了阀门快开至时刻跟踪的位置。

图2 阀门工作原理示意

3.5 重新开工工况

执行机构B接收到透平复位信号后，自动关闭气缸的排气电磁阀，进入透平启动前的工作状态，然后重复“开车工况”动作过程。

4 存在的问题及解决方法

1) 在装置开车初期，转化炉已运行，但产出的工艺气还不能直接进入合成塔，即此时合成气压缩机并未运行，转化废锅产生的蒸汽全部进入高压蒸汽管网，虽然此时蒸汽流量并不大，但经过长时间流量的累积，高压蒸汽管网仍可能达到很高的压力，特别是在管网升压的末期，压力升高较快，当发现PIC-003控制器输出逐渐加大，但高压蒸汽管网压力并未下降的时候，此时需要将FIC-006控制回路置手动，手动输入较大的SP值，方可将执行机构A的限位位置后移，避免高压蒸汽管网超压。

2) 当透平跳车信号触发后，减压阀的给定开度将由PIC控制器的输出切换至加法器输出的运算开度。此时加法器的信号源采用的是FIC的流量追踪信号和PIC的控制器输出信号。因信号线路衰减等因素，此时减压阀的实际阀位与PIC的输出值会有微小偏差。当跳车信号触发后，如果给定的开度信号仍是FIC的流量追踪信号与PIC控制器输出信号之和，将会破坏掉原PIC控制回路的动态平衡。因此，建议将PIC控制器输出信号改为PV阀位回讯信号，以更好地实现管网无扰动切换的要求。阀门的控制原理如图3所示。

图3 阀门控制原理示意

5 与其他方案比较

以上方案的核心是通过阀门双头气动执行机构间的耦合弹簧两侧执行力的计算，从阀门硬件上实现了对蒸汽透平消耗汽量的动态跟踪，从而保证了在透平事故工况下，高压蒸汽定量无扰动切换的实现。

目前在类似工况下，也有采用DCS对透平消耗蒸汽量对应的阀位进行动态跟踪，当发生透平跳车后，触发一RDO信号将旁路阀的压力控制回路强制至手动状态，并要求阀门在1 s之内开至DCS跟踪的阀位开度，维持5 s左右，压力控制回路手动控制切换至自动控制。该方案的核心是气路附件中的放大器与特殊阀门定位器的搭配，要求在开车前调试过程中认真记录阀门从全关至全开的时间，反复验证。在开车实际运行中，也应根据阀门的阀位开度反馈时间趋势曲线进行阀门快开性能验证。

6 结束语

综上所述，透平旁路阀在该装置的蒸汽动力平衡中起着极其重要的作用，是整个蒸汽管网的调节核心，该阀运行的好坏直接影响到蒸汽管网的稳定，进一步影响到装置的正常运行。

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