调节阀特性的优化和阀内件改造的探析

祁维军,胡彦文,杨一仁,蒋 瑞

(青海云天化国际化肥有限公司,西宁 811600)

青海云天化国际化肥有限公司一期尿素装置于2010年投产,采用二氧化碳汽提法工艺,汽提塔液位调节阀为Fisher高压角阀。整套尿素生产工艺对该调节阀的调节性能要求很高,汽提塔液位是否能顺利投入自控模式也是重要的工艺指标。

该汽提塔液位调节阀(LV-2202)原设计为线性流量特性,且流通能力过大,造成实际使用开度较小(18%～22.4%)。自尿素装置投产以来,该阀长期处于手动控制状态,操作频繁、难以控制,影响尿素装置稳定运行。为此,在2018年大修期间对该阀流通能力进行计算,并对阀芯进行重新设计和加工。优化后,该阀的调节性能有了明显的改善,在装置高负荷生产时,汽提塔液位调节可以投入自控模式。

1 工艺流程

合成塔的液相从出液阀(HV-2201)进入汽提塔顶部,经汽提塔内的液体分配器将尿液均匀地分配到每根列管中,并以液膜状态沿壁往下降,防止CO2气体窜流到循环系统中。如果液位波动剧烈,超过低限,会出现窜气现象,导致循环系统超压;如果液位过高,易造成出液温度高,使产品缩二脲含量升高。因此,汽提塔液位一般控制在30%～60%,由汽提塔液位调节阀(LV-2202)自动控制完成。汽提塔液位调节工艺流程图见图1。

HIC2201—合成塔出液阀开度;TT2211—汽提塔气相管温度;LIC2202—汽提塔液位显示调节;TT2210—汽提塔液相温度。

2 控制原理

使用同位素铯137配上海伯托LB 4700T探测器来测量汽提塔液位1(LT-2201),汽提塔有效液位高度为62 cm,液位有效直径为60 cm。在高压差下,有效液位变化很快,对调节阀的控制要求很高。在正常生产过程中,汽提塔的液位要求在自动控制模式运行[1]。在生产工艺稳定的情况下,汽提塔的进出近似平衡状态,当汽提塔液位2(LT-2202)测量值低于设定值时,经集散控制系统(DCS)判断、比较,输出信号减小LV-2202开度;当LT-2202测量值与设定值相符时,LV-2202开度保持不变;当LT-2202测量值大于设定值时,输出信号增大LV-2202开度,直至液位测量值与设定值相等。这个过程是连续的,在这个过程中液位测量会有波动,测量值与设定值出现偏差。为消除偏差,DCS会控制LV-2202进行调节。由于汽提塔有效控制液位很少,因此要求调节阀的开关幅度很小,以及流量变化量、阀门流通面积变化量很小,才有益于液位的稳定控制[2]。汽提塔液位调节系统控制原理见图2。

e—液位的变化量;u—DCS计算判断后输出的调节量。

3 调节阀运行数据分析

3.1 调节阀流量系数计算

根据工艺参数,计算调节阀的流量系数及流通能力,进一步确定阀门的阀座通径,以及相对流量和相对流通面积。LV-2202的工艺参数见表1,其液体通流介质为尿素、氨基甲酸铵、水、NH3和CO2。

表1 LV-2202工艺参数表

根据表1参数,使用阀门计算软件计算得到调节阀流量系数Cv为17;根据Cv,选择阀座通径为30 mm[3]。2018年前阀座通径为40 mm,Cv为 41.7,明显选择太大,这是阀门长期在小开度下运行,无法投自动控制的原因。

3.2 调节阀运行开度分析

2019年全年调节阀运行开度在50%～60%;2020年全年调节阀运行开度在40%～50%;2021年全年调节阀运行开度在30%～40%。其间,阀芯加工尺寸相同,在2021年大修时发现,阀座通径由于腐蚀,从30 mm变为31 mm,分析原因为腐蚀冲刷。流通面积稍微发生变化,阀门的开度就会发生变化,调节阀实际有效可调范围很小。LV-2202历年运行数据见表2。

表2 LV-2202历年运行数据

3.3 调节阀运行流通面积

根据历年的运行参数,可计算出调节阀在工艺中常用的流通面积,进一步优化调节阀的调节性能。LV-2202历年运行流通面积数据见表3,其中阀芯的截面间隔为2 mm。由表3可以看出:调节阀的在运行中由于加工误差、阀座的腐蚀等因素,通径变大,阀门开度逐年减小。阀门的常用流通面积为210～270 mm2;阀门开度在30%～55%。理论计算阀门的开度在35%～50%(见表4),虽然有偏差,但开度还是吻合的。

表3 LV-2202历年运行流通面积数据(实际)

表4 LV-2202阀芯加工尺寸表(理论)

4 阀门的选型和加工

4.1 阀门流量特性的选择

根据对阀门流量系数的计算,以及对阀门运行参数、加工数据的分析,阀门总行程L=32 mm,为了方便计算和测量,取10%L=3.2 mm;常用开度35%～50%,对应行程变化量为4.8 mm;流通面积200～260 mm2,阀门流通面积变化量约60 mm2。汽提塔的可控液位的总体积为0.175 m3,液位控制范围为30%～60%,介质体积变化范围0.052～0.105 m3;阀门特性为直线型,特点为阀门开度小、流量变化量大、调节作用太快太强,易出现超调,引起系统不稳。线性流量特性在液位变化快、可调范围小的工况下,调节性能差。而等百分比流量特性可以解决这个问题,在行程开度相同、相对流量变化量相等,以及流通面积变化量相同时,开度小、流量变化量也小,调节平稳,可调比宽[4]。

线性流量特性和等百分比流量特性,阀门开度和相对流量的关系[2]见图3。由图3可以看出:阀门相同开度,线性引起相对流量的变化量比等百分比大,等百分比变化比较柔和,所以对于汽提塔的液位调节阀,流量特性应该选择等百分比。

图3 流量特性相对行程与相对流量

4.2 等百分比流量特性时阀芯尺寸和流通面积的计算

4.2.1 数据计算

根据对LV-2202运行数据的分析,选择等百分比流量特性的阀芯更加适合现在的生产工艺,对此特性的阀芯限流段设计数据(见表5),使用阀芯和阀座计算软件计算[3],结果见表6(总计算有14组,现取10组数据做说明)。

表5 一期尿素LV-2202阀芯设计数据(行程32 mm)

表6 2022年一期LV2202阀芯新加工的实测数据

优化过程中,发现阀座通径由于腐蚀变大为31 mm,则阀芯根据阀座通径为31 mm计算。阀芯根据等百分比流量特性计算并加工,总行程为32 mm,总共计算14个截面,截面间隔2 mm。在车床分14刀做出阀芯实物胚,再打磨圆整成为成品;全过程手工加工,因此存在误差,加上管道流通阻力,阀门特性为近似等百分比流量特性,加工最大允许误差≤0.3 mm。与线性流量特性阀芯相比,在阀门开度变化量相同时,等百分比流量特性阀芯的相对流通面积变化量小,相对流量的变化也会柔和,液位的变化也会平稳,更加适应于汽提塔液位自动调节。

4.2.2 等百分比流量特性阀芯加工设计数据和加工复核数据

根据设计数据(见表6)画出加工图(见图4)后,在机床加工出新阀芯,再进行一次数据复核,确保每个测量点加工误差≤0.3 mm。

图4 LV-2202加工图纸

从表6可以看出:最大误差在0.23 mm,在允许误差之内,对总体调节性能影响不大。

5 百分比流量特性阀芯的使用及运行数据跟踪

新设计的阀芯投入生产后,在自动控制的模式下,在不同的生产负荷中,运行平稳,达到了工艺的生产需求,收集运行数据见表7。从表7可以看出:2022年2月9—10日,液位基本稳定时,随生产负荷的提高阀门开度也随之增大。2022年2月15日后,LT-2201零点校验,在负荷稳定的状态下,液位降低时,阀位也随之增加,性能明显提高。

表7 2022年部分LV-2202运行数据

6 结语

经过对汽提塔工艺流程、汽提塔液位变化规律的分析,结合调节阀运行参数,以及流通量面积的对比、计算,对阀门的流量特性进行优化,将线性流量特性优化改造为近似等百分比流量特性。实际运行数据表明,优化效果良好,对汽提塔液位调节性能有很大改善。对于液位变化快、可控范围小的液位控制,调节阀的阀芯可以进行这种优化改造。