催化裂化裝置煙氣輪機入口閥門的配置

　　催化裂化裝置煙氣輪機入口閥包括切斷閥和調(diào)節(jié)閥兩類，包括氣動鑄造式和電液單面金屬硬密封焊接式高溫平板閘閥、臺階式和三偏心高溫蝶閥以及新研制應用的偏心凸輪軸高溫切斷型蝶閥等型式。文章從結(jié)構特點、密封性能、應用狀況等方面進行了分析比較，并對閥門的配置提出了建議。

　　煙氣輪機入口切斷閥和調(diào)節(jié)閥是催化裂化裝置能量回收系統(tǒng)的重要設備，是煙氣輪機能否安全長周期運行的關鍵設備。在國內(nèi)各煉油廠催化裂化裝置現(xiàn)有多種配置方式與閥門型式。

1、高溫平板閘閥

　　煙氣輪機入口管線直徑小于或等于1200mm情況下，常用的高溫平板閘閥可以作為切斷閥�，F(xiàn)有兩種結(jié)構，都可國內(nèi)制造，一是氣動鑄造高溫平板閘閥;二是電液驅(qū)動焊接式高溫平板閘閥。

　　1.1、氣動鑄造式高溫平板閘閥

　　氣動鑄造式高溫平板閘閥的閥體結(jié)構見圖1(a)，采用雙面軟密封結(jié)構。如圖1(b)所示。閥體Ⅰ與閥體Ⅱ 均為奧氏體不銹鋼鑄件，閥體Ⅰ用法蘭與閥體Ⅱ連在一體，閥體內(nèi)無襯里，與管道采用法蘭連接。兩個柔性石墨密封圈各鑲嵌于閥體Ⅰ、閥體Ⅱ 的環(huán)形凹槽內(nèi)，中間夾一塊由耐高溫、耐沖蝕的材料精加工成帶導流孔的閥板，閥板下半部有一個與流通直徑相同的通孔。閥板沿閥體Ⅱ的導軌上下移動，實現(xiàn)閥門的開關。

圖1 氣動鑄造式高溫平板閘閥閥體結(jié)構示意

　　氣動鑄造式高溫平板閘閥的雙面軟密封結(jié)構，在使用過程中柔性石墨密封圈易被煙氣吹損，造成密封面間產(chǎn)生間隙，失去密封作用，因此在運行過程中應按設計要求，在每次裝置停車檢修時更換密封圈。如長期不檢修，會造成閥板損壞、卡死，導致泄漏量增加，甚至會造成裝置事故停工。

　　氣動高溫平板閘閥大部分存在“縮徑”問題，無論其公稱直徑多大，實現(xiàn)流通直徑最大為900mm，不能與煙氣輪機入口高溫調(diào)節(jié)蝶閥合理匹配，影響了煙氣輪機的回收功率。

　　氣動高溫平板閘閥的上述缺點也促進了對單面金屬硬密封電液高溫閘閥的研發(fā)。

　　1.2、電液高溫平板閘閥

　　電液高溫平板閘閥為電液單面金屬硬密封焊接式高溫平板閘閥的閥體結(jié)構見圖2(a)，閥板和閥座圈采用單面金屬硬密封加蒸汽輔助密封結(jié)構，如圖2(b)所示。閥體、閥蓋均為大型厚壁奧氏體不銹鋼板組焊結(jié)構，閥體內(nèi)無襯里，其公稱直徑與流通直徑一致，與管道采用焊接方式連接，現(xiàn)已實現(xiàn)工業(yè)應用的最大公稱直徑為1200mm。

圖2 電液單面金屬硬密封焊接式高溫平板閘閥閥體結(jié)構示意

　　閥體和閥蓋采用方法蘭聯(lián)接，唇型密封。閥座圈用高溫合金螺栓固定在閥體上，兩條“L”形導軌用高溫合金螺栓固定在閥座圈上。閥板材料為奧氏體不銹鋼鑄件，球形頭蓋采用單面密封結(jié)構，兩側(cè)耳板加工有與“L”形導軌相一致的斜度，當閥門關閉時有一定的楔緊作用，閥板和閥座圈的環(huán)形密封面上堆焊有高溫硬質(zhì)合金。此結(jié)構雖有輕微泄漏，但大大提高了密封面耐沖蝕、耐磨損的性能，可以長周期運行而不需要檢修，降低了檢修成本，與高溫平板閘閥相比，優(yōu)勢顯而易見。中石化荊門分公司一套催化裂化裝置DN900氣動鑄造式高溫平板閘閥更換成電液焊接式高溫平板閘閥后，閥門的煙氣壓力損失下降了3kPa，煙氣輪機入口壓力有所提高，回收功率增加了150kW·h。

　　電液高溫閘閥也可選配電動或氣動執(zhí)行機構。

2、高溫蝶閥

　　2.1、進口金屬彈性密封三偏心蝶閥

　　該系列蝶閥屬于常規(guī)的三偏心設計，適合于雙向密封的工藝流程用高溫蝶閥，其結(jié)構如圖3所示。

圖3 金屬彈性密封三偏心蝶閥結(jié)構示意

　　當向閥桿施加扭矩時，密封圈與閥座之間的接觸角產(chǎn)生輕微的“楔塊效應”，使密封圈發(fā)生柔動和徑向壓縮產(chǎn)生彈性來實現(xiàn)嚴密的切斷，完全靠扭轉(zhuǎn)密封來實現(xiàn)蝶閥持續(xù)的雙向密封特性。由于閥板上的彈性不銹鋼密封圈有壓緊螺栓和密封壓圈，長期使用存在一定安全隱患。

　　2.2、進口高溫金屬硬密封三偏心蝶閥

　　高溫金屬硬密封三偏心蝶閥，針對煙氣輪機入口蝶閥700℃高溫和僅要求單向密封的特點，采用三偏心斜置錐形閥座結(jié)構見圖4，與工藝流程用雙向密封蝶閥不同的是其閥板相對閥體斜置，使蝶閥在開閉時進一步減少閥板與閥座之間相對摩擦的區(qū)域和幾率，無需靠金屬密封圈的彈性變形即可獲得滿意的密封效果。由于沒有彈性金屬密封圈、壓板和壓緊螺栓，完全靠閥板與閥座的金屬硬密封結(jié)構密封，消除了壓緊螺栓可能脫落進入煙氣輪機的安全隱患，使用更安全可靠。為了防沖刷，密封面堆焊硬質(zhì)合金。

圖4 高溫金屬硬密封三偏心蝶閥結(jié)構示意

　　2.3、臺階式高溫調(diào)節(jié)蝶閥

　　煙氣輪機入口調(diào)節(jié)蝶閥目前一般都采用臺階式高溫調(diào)節(jié)蝶閥結(jié)構，大部分國產(chǎn)，直徑大于1600mm以上的也有少量進口。進口臺階型調(diào)節(jié)蝶閥的密封性能可達到Ⅱ級密封(泄漏量小于0.5%)，國產(chǎn)臺階型調(diào)節(jié)蝶閥的密封性能一般為1%。臺階型高溫蝶閥有閥軸二端伸出和一端伸出兩種結(jié)構，國產(chǎn)臺階型高溫調(diào)節(jié)蝶閥大部分為閥軸一端伸出結(jié)構。使用三偏心切斷型蝶閥作為煙氣輪機入口調(diào)節(jié)型蝶閥沒有太多實用意義，反而會增加投資和開工時蝶閥打不開的幾率，宜優(yōu)選閥軸一端伸出的臺階型高溫調(diào)節(jié)蝶閥。

　　2.4、偏心凸輪軸高溫切斷型蝶閥

　　偏心凸輪軸高溫切斷型蝶閥是根據(jù)煙氣輪機入口蝶閥實際應用僅要求進煙氣輪機方向的單向密封和達到ANSI標準規(guī)定的Ⅳ密封(Ⅳ 泄漏量小于0.01%)的特定要求采用凸輪軸加二偏心結(jié)構，產(chǎn)生類似三偏心凸輪效應，以保證良好的開閉性能和密封效果，其結(jié)構見圖5。

　　偏心凸輪軸蝶閥的閥桿是一個三段凸輪軸式結(jié)構，閥桿兩端軸段同心，中間段軸中心線與兩端軸線有一個偏心距，閥板安裝在中間軸段上。此種結(jié)構使閥板在全開時成為雙偏心狀態(tài)，而達到關閉時成為單偏心狀態(tài)。由于凸輪軸的作用，在接近關閉時，閥板可向閥座的密封錐面內(nèi)移動某一距離，使閥板與閥座的密封面相吻合，達到可靠的密封性能。當使用一定周期時，閥座密封面磨損后，可以調(diào)整執(zhí)行機構，使閥板的關閉位置驅(qū)前若干角度，約向前移動0.5mm，即可恢復到新的密封狀態(tài)，滿足長周期使用的要求。

圖5 偏心凸輪軸高溫切斷型蝶閥結(jié)構示意

　　偏心凸輪軸高溫切斷型蝶閥的閥板與閥座間是正圓錐密封副，便于加工與研磨，無需專用的橢圓密封面數(shù)控磨床，適合于大型高溫蝶閥的加工制造。

　　實際上偏心凸輪軸蝶閥的密封機理不是單純的扭矩密封，而是扭矩密封加位移密封的綜合作用。在蝶閥轉(zhuǎn)動到關閉狀態(tài)時，閥板與閥座密封面之間存在少量間隙或閥板少量擠壓閥座，使兩個密封面之間建立起初始的密封比壓。在投用工況下，由于介質(zhì)壓力的作用，使兩密封面之間形成足夠的比壓，以保證良好的密封效果，故也可稱為“自壓密封”。

　　中石化荊門分公司與荊門煉化機械公司合作研制的DN1200偏心凸輪軸高溫切斷型蝶閥于2012年7月正式安裝在二套催化裂化裝置煙氣輪機入口，替代原有的臺階式高溫蝶閥。經(jīng)工廠測試和現(xiàn)場觀察，可達到ANSI標準規(guī)定的Ⅲ級(泄漏量小于0.1%)上的密封等級，國產(chǎn)電液控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能良好，為今后研制更大直徑切斷型蝶閥提供了寶貴的經(jīng)驗。

3、煙氣輪機入口閥門的配置與選型

　　煙氣輪機入口管線設置切斷閥和調(diào)節(jié)閥，前者功能是切斷煙氣，便于煙氣輪機中途能停機維修;后者起調(diào)節(jié)作用，控制再生器壓力。國內(nèi)煙氣輪機入口閥門的配置根據(jù)裝置規(guī)模大小及入口管徑有如下兩種種方式：一是煙氣輪機入口閥門直徑小于或等于1200mm，大多數(shù)配置為高溫閘閥與臺階式高溫調(diào)節(jié)蝶閥的組合，也有少數(shù)為高溫閘閥與三偏心高溫蝶閥的配置，前者為切斷閥，后者為調(diào)節(jié)閥;二是煙氣輪機入口閥門直徑大于1200mm的配置多數(shù)為三偏心高溫切斷蝶閥與臺階式高溫調(diào)節(jié)蝶閥的組合，也有用2臺三偏心高溫切斷閥的配置，后1個閥門起調(diào)節(jié)作用。

　　有關配置與選型建議如下：

　　1)煙氣輪機入口切斷閥的密封等級選擇。切斷閥的主要功能是停機時切斷煙氣，以便地在煙氣輪機入口管線上安全地安裝盲板，進行煙氣輪機檢修。因此沒必要達到Ⅵ級密封(零泄漏)要求，UOP工藝包的數(shù)據(jù)表中僅要求達到Ⅳ密封(泄漏量小于0.01%)即可。實際上，出廠冷態(tài)試驗能達到Ⅲ～Ⅳ級密封即可完全滿足上述功能要求。過高的密封等級要求，勢必會增加高溫使用后閥門開、關的卡阻機率，且使用一段時間后閥門因催化劑沖刷，泄漏量會有所增加。

　　2)煙氣輪機入口切斷閥的結(jié)構選型。當煙道直徑小于或等于1200mm時，可選用上述高溫蝶閥，但因為閘閥耐沖刷和阻力降都好于蝶閥，宜優(yōu)選高溫平板閘閥。 當煙道直徑大于1200mm時，由于高溫閘閥結(jié)構過于龐大和笨重，宜選用三偏心高溫蝶閥或者其它類似結(jié)構的切斷型高溫蝶閥。

　　3)煙氣輪機入口調(diào)節(jié)蝶閥的結(jié)構選型。調(diào)節(jié)蝶閥的主要功能是調(diào)節(jié)和控制再生器壓力并在緊急自保時能夠快速關閉、切斷煙氣輪機，使機組能夠較快地停運，選用臺階式高溫蝶閥(泄漏量小于1%)即可。為了確保煙氣輪機能夠進行中途維修，能達到Ⅱ 級密封(泄漏量小于0.5%)要求更好。

　　4)大口徑閥門的選型。煙道直徑大于1200mm 的高溫切斷蝶閥和煙道直大于1600 mm的高溫調(diào)節(jié)蝶閥，由于國內(nèi)尚無研制并已工業(yè)應用的閥門，現(xiàn)在還需進口。配套的國內(nèi)電液執(zhí)行機構的性能已完全不遜色于國外同類產(chǎn)品，某些進口電液執(zhí)行機構在使用時出現(xiàn)問題，均可由國內(nèi)制造廠處理并改進，因此配套的蝶閥電液執(zhí)行機構完全可以國產(chǎn)，不必與閥門一起進口，以節(jié)省費用和便于維修。

　　5)調(diào)節(jié)閥電液執(zhí)行機構的性能要求。入口調(diào)節(jié)閥電液執(zhí)行結(jié)構是入口閥的重要組成部分，可靠性要求高，對于三機組形式其入口調(diào)節(jié)閥緊急關閉時間宜小于1s，對獨立發(fā)電的煙氣輪機關閉時間則應更快，要達到0.6s。

4、結(jié)語

　　煙氣輪機入口閥是催化裂化煙氣能量回收系統(tǒng)的重要組成部分，可靠性要求高，既要求煙氣密封性能好又要調(diào)節(jié)性能良好，緊急動作迅速。由于高溫應力管道應力及腐蝕和催化劑沖刷等不利影響因素，加上電液執(zhí)行機構油站的動力油壓力較高，是發(fā)生故障較頻繁地方，所以既要注重入口閥門的合理選型，又要加強維護，特別是裝置停工檢修期間的檢查和大修。