某煉化公司13 dam3/h氫氣提純裝置的尾氣中氫體積分?jǐn)?shù)高達(dá)45%，經(jīng)判斷為部分程控閥修復(fù)后仍內(nèi)漏，對其進(jìn)行更換后，尾氣中氫體積分?jǐn)?shù)降至35%，變壓吸附(PSA)氫氣回收率提升至82.5%。閥門內(nèi)漏原因主要有密封圈老化、主密封圈及閥體密封面磨損、閥桿與閥板連接的方鍵與鍵槽出現(xiàn)松動導(dǎo)致錐銷斷裂、閥板偏移以及閥門閥桿與執(zhí)行器連接的方鍵與鍵槽有間隙、齒輪與齒條有松動間隙。密封圈老化、主密封圈及閥體密封面磨損、閥桿與閥板連接的方鍵與鍵槽出現(xiàn)松動導(dǎo)致錐銷斷裂、閥板偏移等問題可取返廠檢修更換密封圈及對密封面進(jìn)行研磨、切削，實現(xiàn)對內(nèi)漏閥門的修復(fù)。但是，對于齒輪磨損間隙、閥座磨損缺陷問題，靠修復(fù)已難以徹底解決。
關(guān)鍵詞：加氫低分氣 氫氣提純 變壓吸附 程控閥內(nèi)漏 尾氣氫含量
1 概 述
變壓吸附 (PSA) 是利用不同氣體組分在吸附劑上的吸附能力不同和不同壓力下同一氣體組分在吸附劑上的吸附容量有差異的特性， 來實現(xiàn)對混合氣體中弱吸附組分氫氣的分離提純。雜質(zhì)在高壓下被吸附劑吸附，使得吸附容量極小的氫氣得以提純，然后雜質(zhì)在低壓下脫附，使吸附劑獲得再生[1]。
某煉化公司13 dam3/h PSA裝置是以脫硫后加氫裂化裝置低分氣、柴油加氫裝置低分氣、加氫處理裝置低分氣的混合氣作為原料，采用成都某科技公司提供的變壓吸附提純氫氣技術(shù)，從混合氣中提純分離出純度大于 99.0% 的氫氣，產(chǎn)品氫并入氫氣管網(wǎng)，滿足加氫裝置氫氣供應(yīng)。混合原料氣提純氫后，剩余的 PSA 尾氣經(jīng)過往復(fù)式壓縮機升壓后作為制氫裝置原料氣或者去燃料氣管網(wǎng)補充燃料氣。
該PSA 裝置大檢修前尾氣氫體積分?jǐn)?shù)平均約45%，大檢修期間對全部程控閥進(jìn)行拆檢。檢修開工后，尾氣氫體積分?jǐn)?shù)僅降至40%左右，氫氣回收率僅達(dá)到78.6%。
2 PSA裝置的生產(chǎn)運行情況
2.1 吸附劑裝填情況
PSA裝置吸附劑主要包括分子篩、活性炭、多孔硅膠和活性氧化鋁等類型。PSA裝置8臺吸附塔從上到下均依次裝填HXBC-30D吸附劑、A-AS吸附劑、HXSI-02專用吸附劑、HXBC-15C吸附劑、HX5A-10H吸附劑，共裝填吸附劑120.7 t。
對于不同的氣體組分，由于其分子的大小、結(jié)構(gòu)、極性等性質(zhì)各不相同，吸附劑對其吸附的能力和吸附容量也就各不相同[2]。由于吸附劑對混合氣體中的氫組分吸附能力很弱，而對其他組分吸附能力較強，因而通過裝有不同吸附劑的混合吸附床層，就可將各種雜質(zhì)吸附下來，得到提純的氫氣[3]。
2.2 原料氣分析
PSA裝置設(shè)計的原料氣及實際運行過程中原料氣組成見表1。
表1 原料氣組成分析數(shù)據(jù)
隨著組分變重，吸附劑對其吸附能力越強。由表1可以看出，實際運行過程中PSA原料氣中
組分含量均優(yōu)于設(shè)計指標(biāo)。
2.3 PSA產(chǎn)品氫純度趨勢
PSA裝置產(chǎn)品氫氣純度按不小于99.0%要求進(jìn)行控制，產(chǎn)品氫純度趨勢如圖1所示。由圖1可以看出，為避免吸附劑污染，保障裝置長周期運行，在正常生產(chǎn)過程中PSA產(chǎn)品氫純度均值控制在99.5%。
圖1 PSA產(chǎn)品氫純度趨勢
2.4 尾氣氫含量下降
PSA裝置尾氣氫含量趨勢如圖2所示。
圖2 PSA尾氣氫含量趨勢
由圖2可以看出，2019年6月大檢修之前尾氣中氫體積分?jǐn)?shù)維持在45%左右。2019年8月大檢修開工正常后，PSA尾氣氫體積分?jǐn)?shù)有一定程度下降，降至40%左右。經(jīng)計算，PSA氫氣回收率僅為78.6%，未能達(dá)到目標(biāo)值80%。
2.5 吸附塔壓力下降
通過觀察各吸附塔的壓力趨勢變化，吸附塔壓力均升或均降時，在壓力達(dá)到平衡后，吸附塔壓力仍呈現(xiàn)下降趨勢，見圖3(圖中8條顏色不同的曲線分別代表8個吸附塔)。
根據(jù)圖3吸附塔壓力變化趨勢，可判斷吸附塔閥門存在內(nèi)漏[4-6]。故2019年6月大檢修時，按檢修計劃對PSA系統(tǒng)66臺程控閥(包含DN80閥門34臺、DN100閥門16臺、DN150閥門16臺)進(jìn)行全面檢修。檢修內(nèi)容包括：對主密封圈進(jìn)行更換，更換部分閥桿填料和執(zhí)行機構(gòu)油缸密封。
圖3 PSA吸附塔壓力趨勢(2019-05-08)
3 程控閥運維情況
3.1 程控閥檢修情況
維修過程中發(fā)現(xiàn)：4臺程控閥的閥座磨損、主軸晃動沒有修復(fù)價值，已報廢;所有程控閥主密封圈均存在不同程度磨損現(xiàn)象。
程控閥維修完畢進(jìn)行水壓試漏，按正常工藝工作壓力的1.2倍(2.7 MPa)試壓。第一次試壓有20臺程控閥試漏不合格，重新維修。維修后再次試壓合格16臺，有4臺密封面損傷無法修復(fù)，使用新閥替換。
3.2 大檢修后尾氣氫含量高原因分析
大檢修后，PSA尾氣氫體積分?jǐn)?shù)仍持續(xù)高于35%，氫氣回收率低于80%。分析認(rèn)為大修后仍有部分PSA裝置程控閥內(nèi)漏為主要原因。造成PSA裝置程控閥內(nèi)漏的主要因素包括：①主密封圈老化后失去彈性導(dǎo)致主密封圈位移及本身產(chǎn)生的內(nèi)漏；②PSA 裝置在正常運行過程中，由于吸附劑粉化產(chǎn)生的粉塵導(dǎo)致主密封圈及閥體密封面磨損；③長時間運行，閥桿與閥板連接的方鍵與鍵槽出現(xiàn)松動導(dǎo)致錐銷斷裂、閥板偏移出現(xiàn)內(nèi)漏；④閥門閥桿與執(zhí)行器連接的方鍵與鍵槽有間隙，齒輪與齒條有松動間隙導(dǎo)致閥門關(guān)閉不嚴(yán)。
對于前3個因素，可通過返廠檢修更換密封圈及對密封面進(jìn)行研磨、切削等方式，實現(xiàn)對內(nèi)漏閥門的修復(fù)。但是對于第4個因素，靠修復(fù)已難以保證不再內(nèi)漏。主要原因為油缸執(zhí)行機構(gòu)和主軸之間的作用力是靠齒輪齒條進(jìn)行的，材質(zhì)均為碳鋼，長時間動作后會有不同程度的磨損(主要表現(xiàn)為齒輪齒條間隙距離增大，閥門開關(guān)不到位)，修復(fù)方式無法解決間隙增大問題。如果單純從修復(fù)后的試壓結(jié)果來看，可能是合格的。實際上是大力扳動閥門使閥板與閥門密封面過盈貼合形成的密封效果(三偏心蝶閥的閥門與閥板的關(guān)閉角度正常為90°，設(shè)計上會留有5%左右的余地)。因此，大檢修后試壓合格的閥門在實際運行中達(dá)到過盈密封而再次內(nèi)漏。
3.3 大修投產(chǎn)后運維情況
對PSA裝置運行趨勢進(jìn)行分析，研判內(nèi)漏閥門，通過圖4趨勢可確認(rèn)內(nèi)漏程控閥。
圖4 B塔試漏曲線(2019-12-18)
由圖4可見：①B塔6號程控閥手閥打開后，在3 min內(nèi)，壓力由0.05 MPa上漲至0.08 MPa；②B塔4號程控閥手閥打開后，在3 min內(nèi)，壓力由0.10 MPa上漲至0.20 MPa；③B塔3號程控閥手閥打開后，在3 min內(nèi)，壓力由0.22 MPa上漲至0.68 MPa。說明B塔6號、4號、3號程控閥均內(nèi)漏，其中3號閥內(nèi)漏最嚴(yán)重。
通過以上試漏方式判斷，共確認(rèn)內(nèi)漏程控閥6臺，拆開后的閥門損壞情況如圖5所示。
圖5 內(nèi)漏程控閥磨損情況
由圖5可見，內(nèi)漏程控閥三偏心閥座磨損嚴(yán)重，導(dǎo)致閥門即使關(guān)到位后仍然有間隙。對內(nèi)漏程控閥進(jìn)行更換。
程控閥更換后，對PSA裝置尾氣氫含量跟蹤觀察，趨勢如圖6所示。圖6趨勢表明：內(nèi)漏程控閥更換后，PSA尾氣氫體積分?jǐn)?shù)由40%左右降至35%左右。氫氣回收率由78.6%提升至82.5%。
圖6 PSA尾氣氫含量趨勢
4 結(jié) 語
(1)PSA裝置程控閥內(nèi)漏，將導(dǎo)致尾氣中氫含量增加，裝置氫氣回收率降低。
(2)造成PSA裝置程控閥內(nèi)漏的主要因素可能有密封圈老化、主密封圈及閥體密封面磨損、閥桿與閥板連接的方鍵與鍵槽出現(xiàn)松動導(dǎo)致錐銷斷裂、閥板偏移、閥門閥桿與執(zhí)行器連接的方鍵與鍵槽有間隙、齒輪與齒條有松動間隙等因素。
(3)由密封圈老化、主密封圈及閥體密封面磨損、閥桿與閥板連接的方鍵與鍵槽出現(xiàn)松動導(dǎo)致錐銷斷裂、閥板偏移等問題引起的程控閥內(nèi)漏，可采取返廠檢修更換密封圈及對密封面進(jìn)行研磨、切削，實現(xiàn)對內(nèi)漏閥門的修復(fù)。
(4)對于齒輪磨損間隙、閥座磨損缺陷問題，雖然單純從修復(fù)后的試壓結(jié)果來看，可能是合格的，實際上是大力扳動閥門使閥板與閥門密封面過盈貼合形成的密封效果，實際運行中還會發(fā)生內(nèi)漏。對于此類問題靠修復(fù)方式已難以徹底解決，需視閥門拆檢情況，采購新程控閥，合理更新。
本文作者：史卜建,姚立松 (中國石化青島煉化）
