Shell粉煤气化装置仪表阀门技改小结

王兴寿，郭以彬，曹 丹

(云南天安化工有限公司，云南 安宁 650309)

0 引 言

云南天安化工有限公司(简称云南天安)500 kt/a合成氨项目于2007年底建成投产，其气化装置采用当时世界上最先进、最复杂的Shell粉煤气化技术(1台Shell气化炉)。Shell粉煤气化装置生产/控制自动化程度高、连续生产性较强，仪表使用种类覆盖面广是整个系统的一大特点，对仪表使用的可靠性要求较高。近年来，随着自动化水平及管理水平的不断提升，云南天安要求仪表使用故障率逐年降低20%。以下主要就云南天安Shell气化装置仪表阀门故障率较高的一些问题——液氮洗尾气至气化装置磨煤单元开关阀填料泄漏致电动头损坏、排渣罐液位计根部取压口堵塞、煤气化仓泵平衡阀开关动作不到位及反馈指示不准等进行分析与探讨。

1 液氮洗尾气至气化磨煤单元开关阀填料泄漏

1.1 问题描述

云南天安低热值液氮洗(系统)尾气高效利用工业化装置，是将合成氨装置液氮洗系统的尾气预热后，通过添加空气在催化燃烧炉内催化氧化，将CO、CH4、H2转化成CO2和H2O，最后得到CO含量<200 mg/m3、O2含量≤6%、温度440 ℃以上的燃烧气，目前工艺上提高催化燃烧炉操作温度(TE11008)至600 ℃左右(原操作温度约450 ℃)，将催化氧化后的尾气送至气化装置磨煤单元用于煤粉的研磨与干燥——原设计磨煤单元煤粉干燥采用热风炉热烟气(热风炉燃料原设计为净化气或新鲜气，后改为了粗煤气)；液氮洗尾气催化燃烧炉投用后，正常生产时催化燃烧炉尾气即可满足生产所需，只有在液氮洗系统刚开车、低负荷或故障情况下才会启用热风炉(辅助干燥煤粉)，液氮洗系统低负荷运行时热风炉操作控制困难，甚至出现热风炉熄火的情况，燃气聚集在热风炉炉膛内存在爆炸风险，故工艺上需要提高催化燃烧炉操作温度以利煤粉干燥。当前，液氮洗尾气至Shell气化装置磨煤单元有A线、B线、C线3条管线(平时一开两备)，管线上的电动开关阀采用石墨盘根填料，填料使用温度在-200～650 ℃(蒸汽)或-200～565 ℃(大气)，不能满足实际生产所需，液氮洗尾气至气化装置磨煤单元开关阀(MV11001A/B、MV11002A/B、MV11003A/B，分别对应A线、B线、C线，每组阀门A/B串联，A阀属电动开关型、B阀属电动调节型；MV11003A/B对应C线，为后来单独设计的)填料经常工作在超温条件下，造成石墨盘根碳化，2020年6月维修过程中还发现A线开关阀填料缺失造成介质泄漏而损坏电动头。

1.2 原因分析

(1)液氮洗尾气管线长期运行在高温工况下，原有的开关阀石墨填料长期处于温度上限运行，使用寿命缩短。

(2)云南天安原料煤为集中采购(挂网规范采购)，供应批次不同，原料煤煤质也不同，同批次原料煤库存不充分，需经常调整磨煤线运行状态，开关阀工况经常从冷态持续过渡到操作温度600 ℃左右，温升较快、温差跨度较大。

(3)长期运行使得液氮洗系统尾气换热器存在泄漏，尤其是在温度较低的时候液氮洗尾气管线内存在滴水的现象(尾气与水共存)，从运行状态(高温状态)停下来时，较干燥的电动阀填料容易吸附水，甚至停用时填料处漏水。

(4)电动阀(MV11001A/B、MV11002A/B、MV11003A/B)电动执行机构设计、安装不合理，一旦填料发生泄漏，高温介质流出就容易损坏其电动头。

1.3 解决方案

(1)方案一。6台电动阀(MV11001A/B、MV11002A/B、MV11003A/B)全部重新选型，更换为耐高温材质的阀体，控制方式改为气动控制，并适当延长执行机构与阀体的距离，连接部分增设散热片以隔绝管道高温传导，避免缸体密封圈等执行机构附件损坏。本方案需整体更换阀门，投资较大，预算投资约200万元。

(2)方案二。原有电动头阀体改为分体式电动头，从而降低电气部分、电路控制板工作环境温度，保障其使用寿命，在填料泄漏时保护电动头不受高温损坏。本方案预算投资约15万元。

(3)方案三。寻找可以替代膨胀石墨盘根填料[石墨盘根由各种增强纤维、金属丝(钢丝、铜丝、镍丝、碳纤维、预氧丝、玻璃纱)等增强的石墨线为原料精工编织而成，使用温度范围-100～800 ℃，线速度0～15 m/s，在线使用压力旋转泵20 MPa/往复泵10 MPa/阀门40 MPa，pH 0～14]的填料。本方案可操作性较强，预算投资约0.5万元。

(4)方案四。解决原料煤供应问题，提高原料煤供应的稳定性，但该措施不可控因素较多，可操作性不太强，需采购人员多方协调；检修、修复泄漏的换热器，预算投资约10万元。

综合考量并根据现场实际生产情况，云南天安选择了方案三，即解决填料碳化问题——选择陶瓷纤维盘根(陶瓷纤维盘根由高品质陶瓷纤维编织而成，使用温度范围-140～1 260 ℃，线速度12 m/s，使用压力3～10 MPa，pH 3～14)替代原膨胀石墨盘根填料。2021年3月大修期间，液氮洗尾气至气化装置磨煤单元开关阀(MV11001A/B、MV11002A/B、MV11003A/B)更换为陶瓷纤维盘根，系统重启后至今6台开关阀再未发生过填料泄漏。

2 排渣罐液位计变送器取压口堵塞

2.1 问题描述

2.2 技改措施

经分析与探讨，30单元公用工程系统新鲜水(即高压工艺水)压力0.35 MPa、pH 6.5～8.5、浊度≤5 FTU、总硬度2～5 mg/L、总碱度2～5 mg/L、总铁0.5 mg/L、Al3+0.5 mg/L，此高压工艺水水质好，供机泵机械密封使用，不含杂质，用其替代14LT0007A/B原正端反吹冲洗水，可解决14LT0007A/B变送器取压口结垢堵塞问题。

14LT0007A/B正端反吹冲洗水采用工艺水缓冲槽(T3301)供应的水。T3301内一部分水经过高压工艺水泵(P3302A/B/C)加压至6.50 MPa(压力变送器33PT0002)送高压工艺水分配总管(高压工艺水流量大致为30 m3/h)，第一股用作高压水泵(P1304A/B、P1401A/B/C、P1402A/B、P1601A/B)及破渣机(X1401)的密封水，第二股用作14LT0007A/B正端反吹冲洗水——从煤气化框架三楼的高压工艺水分配总管配管引至二楼，再利用部分旧管(原取压管线因取水不干净易堵塞，故用堵头堵了停用)引至14LT0007A/B变送器正端用于反吹，此股水流量很小(大致为5 m3/h)，高压工艺水“实际用量”不会增加，不影响其作为机封水及工艺生产使用。另外，排渣罐(V1403)液位计(14LT0007A/B)正端反吹冲洗水采用工艺水缓冲槽(T3301)来的温度为50 ℃、实际压力为6.06 MPa的高压工艺水，大于V1403的实际工作压力(14PT0012)4.27 MPa，能很好地起到反吹冲洗14LT0007A/B变送器取压管的作用，防止其堵塞。2022年10月气化装置大修期间，14LT0007A/B变送器取压管正端反吹冲洗水改用高压工艺水技改完成后，再未出现过排渣罐液位计变送器取压口堵塞问题。

3 煤气化仓泵平衡阀卡涩

3.1 问题描述

仓泵是一种充气罐式气力输送设备，用于压送式气力输送系统中，可实现远距离输送粉料；工作时以压缩空气为动力，泵体内的粉状物料与充入的压缩空气形成类流体状的气固混合物，借助泵体内外的压差实现混合物的流动，经输料管输送至储料设备。中间飞灰贮罐(V1505)泄完压，V1505与吹灰器(V1508)连通管道上的平衡阀可保证此两台设备压差平衡，从而将V1508中的灰顺利通过下料阀送至仓泵输送至原料灰库。此平衡阀大约8 min动作1次，当后续系统有故障需停止输灰时，由于伴热效果有限、灰里水分增加，灰在设备内停留时间越长，结块就越严重，其后在输灰过程中由于“灰颗粒”增大易造成平衡阀卡涩——2023年1月就曾出现仓泵平衡阀卡涩，导致其开关位置反馈不准，PLC运行程序因反馈未回，停用PLC系统(PLC系统收不到反馈信号，程序就认为阀门是不动作的，不平衡状态下是不允许下料输灰的，因为若下面设备压力高，会出现一种“浮腾”现象，根本下不了料，这也是出于安全方面的考虑)，输灰难度加大，工艺人员操作不方便。

3.2 技改措施

① 将平衡阀由“单阀双盘”改为“单阀单盘”，保留连接轴的弹簧，保证平衡阀开关时的清洁度、自洁功能；② 开关位置反馈类型由磁感应式改为接近开关式；③ 仓泵平衡阀排污口加装吹扫氮气，保证平衡阀在开关过程中整个阀腔处于“扰动环境”下，阀腔附件上的“灰颗粒”通过吹扫不会附着在阀门开关运行轨迹范围内；④ 吹扫氮气取压口开孔设在一次氮气充压阀(针形阀)后，保证平衡阀在一次氮气充压阀动作时才进行吹扫，需注意一次氮气充压阀(针形阀)开度不宜过大(1/3开度即可)，以免造成氮气资源浪费。2023年2月上述技改措施落实后，再未出现过煤气化仓泵平衡阀卡涩问题。

4 结束语

通过一系列的优化技改，云南天安解决了Shell粉煤气化装置近年故障频发的3个仪表阀门方面的问题，但还有一些潜在因素影响着装置的稳定运行。现场仪表阀门出现问题时，首先需结合现场生产工艺、介质使用条件深入分析与研究，找到故障的根源。同时，合理设计、优选测量方案、应用新产品等可明显提升仪表的测量精度——随着科学技术的不断发展，尤其是新产品的问世，有些仪表方面的“瓶颈”问题将逐步解决。总之，仪表运行良好、指示精准是化工装置稳定运行的基础条件之一，仪表管理方面竭尽所能、夯实基础，方可助力装置的安、稳、长、满、优运行。