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调节阀特性的优化和阀内件改造的探析

来源:上海自动化仪表有限企业编辑:祁维军,胡彦文,杨一仁,蒋 瑞发表时间:2023-10-12 16:57:37

 摘 要: 对于汽提塔调节阀在工艺低负荷运行时自动调节不稳定、调节性能差的问题,分析液位控制系统,通过运行参数跟踪、调节阀的流量系数计算、流通面积复核,根据液位变化特性和控制规律,优化调节阀的流量特性,从线性流量特性改造为近似等百分比流量特性,以达到液位自控稳定的效果。

 
青海云天化国际化肥有限企业一期尿素装置于 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 CO 2 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。
汽提塔液位调节工艺流程图
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。
汽提塔液位调节系统原理图
 
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、NH 3和 CO 2 。
LV-2202 工艺参数表
根据表 1 参数,使用阀门计算App计算得到调节阀流量系数 C v 为 17;根据 C v ,选择阀座通径为 30 mm [3] 。2018 年前阀座通径为 40 mm,C v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。
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 mm 2 ;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。
LV-2202 历年运行流通面积数据
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 mm 2 ,阀门流通面积变化量约60 mm 2 。汽 提 塔 的 可 控 液 位 的 总 体 积 为0. 175 m 3 ,液位控制范围为 30% ~ 60%,介质体积变化范围 0. 052 ~ 0. 105 m 3 ;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。
 
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App计算 [3] ,结果见表 6(总计算有 14 组,现取 10 组数据做说明)。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。
 
后续内容......................
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