上海沪工阀门厂(集团)有限公司

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上海沪工阀门厂(集团)有限公司

摘要:通过对疏水阀各种型式技术性能特点对比分析,结合苯酐一期工程实际使用情况,探讨换热器大负荷高压力疏水阀的选用,在二期工程中对数量较大的伴热用疏水阀进一步优化及采购选型以降低能耗。

关键词节能降耗疏水阀背压率双金属型倒吊捅型苯酐装置

近些年随着科学发展观的落实和循环经济的发展,国家和上海市比以往更加强调节能工作的具体落实。上海焦化有限公司是大中型化工企业之一,公司严格管理,不断细化各个生产装置消耗的具体指标。采购的蒸汽疏水阀遍布公司各个装置与管廊。除去项目建设外,2006 年 - 2008 年备件采购量就多达 1694 台,总价一百多万元。为提高能源利用效率.选择更为节能适用的产品,是采购人员的节能工作的重点。

1 概述

公司拥有二套 4 万吨/年苯酐装置,一套已投产 4 年,一套在建,苯酐生产中副产高能级蒸汽,经过过热和各级减压,蒸汽在装置中不仅驱动动力设备,还提供换热器热源和供熔盐、苯酐管线伴热。通过对蒸汽的合理利用,国际先进的苯酐装置为负能耗。公司苯酐装置总体拥有上万米的各类管线,其中各级蒸汽与回凝管线长度超过总长度的一半。广泛使用的一个个疏水阀作为蒸汽管网中的一个环节,对苯酐工艺装置的稳定运行和节能降耗至关重要,在精益生产中扮演了重要角色。疏水阀的合理选型是良好应用的基础。本文结合自己的本职工作和苯酐一期工程实际使用情况,探讨换热器大负荷高压力疏水阀的选用,并对二期工程中数量较大的伴热用疏水阀进一步优化采购选型,以降低能耗。

2 疏水阀的分类与工作原理

疏水阀按工作原理一般可分为三种类型:机械型、热静力型、热动力型。还有目前越来越广泛使用的泵式疏水阀。

机械型常见有浮筒式、倒吊桶式、先导式、杠杆浮球式、自由浮球式,都是利用蒸汽和凝结水的密度差。允许的背压高,可靠、动作间隔时间短。

热静力型常见有波纹管式、双金属式、金属温调式、可调恒温式,利用蒸汽与金属的温度差,允许的背压中等,较可靠、动作间隔时间长。

热动力型主要有孔板式、园盘式,利用蒸汽与凝结水的热力学特性,允许的背压低,较可靠、动作间隔时间较长。

3 苯酐装置一期换热器所用疏水阀使用情况与选型

3.1 一期换热器所用疏水阀使用情况

一期苯酐装置自产蒸汽,其蒸汽系统由 6.0MPa 过热蒸汽降至 6.0MPa、2.0MPa、0.6MPa、0.3MPa 饱和蒸汽到各用户使用,各级凝液回收经闪蒸到下一级管网,逐级减压。由于管网较小,用户之间的使用波动会有一定的相互影响。要求每个用户尽可能保持平稳。装置上有大半的蒸汽为几个大的用户所使用,其中有汽轮机、各类换热器。因此首先考虑确保大用户的蒸汽凝液系统良好,其关键是疏水阀是否良好。现以最大的换热器用户为例分析其疏水阀的特点与使用。

位号为 ST-E2109a/b 的 2 个并列安装的疏水阀.用于热油加热器的冷凝液疏水。热油加热器出口温度为关键控制指标。该换热设备温度控制要求高,必须保持在加热设备中不能积存凝结水,只要有水就得排,最好选择能排饱和水的机械型疏水阀。因为它是有水就排的疏水阀,能及时消除设备中因积水造成的不良后果,迅速提高和保证设备所要求的加热效率。

3.2 热油加热器的冷凝液疏水阀的选择

1) 设计参数

疏水阀的设计参数见《表 1》

《表 1》 疏水阀设计参数
管道工程直径 DN 介质 冷凝液负荷 安全系数 排放量(正常/最大)kg/h 操作压力 MPa 操作温度 ℃ 背压 MPa 最小操作压力 MPa 设计压力 MPa 设计温度 ℃ 连结端型式 连接法兰标准 法兰密封面型式 法兰密封面粗糙度 阀体材质 阀芯材质 法兰材质 检验与试验水压试验 MPa 安装方式
50 高压冷凝液 3360 2 6720 6.0 276 2.5 3.5 6.8 310 法兰 HG20596 PN10.0 RF Ra3.2 WCB 不锈钢 同阀体 15.0 立式安装

2) 选择疏水阀

如前所述,此处的疏水阀最好选机械型。

● 计算最高背压率:因为最高背压率为疏水阀在最高工作压力下能正常动作的基本条件,所以要先计算最高背压。最高背压率=最高背压/操作压力×100%,由《表 1》计算出最高背压率为 15%。一般机械型疏水阀背压率不小于 80%,都能满足。

● 型式选择:由于设计参数要求其压力等级下的冷凝液负荷量较大,国产的只有某知名品牌可以选到一款先导式。进口产品可选到倒吊桶式和浮球式。但国产设备实际寿命达不到国标要求的 8000 小时,故原国产疏水阀日常备件采购数量不少。若不及时更换将影响苯酐产品的收率、能耗和运行费用。并且操作压力、操作温度较高、背压高、排量大,使用寿命要求高,因此考虑采用进口浮球或倒吊桶疏水器。浮球疏水器的阀孔在下部,倒吊桶的阀孔在上部。倒吊桶式疏水阀能在蒸汽进入倒吊桶内,使桶浮起来,关闭阀孔。凝结水进入疏水阀改变桶受到的浮力,使其下沉,打开疏水阀孔放出凝结水,在蒸汽温度下可以连续排放不凝性气体。且阀座阀头等易磨损处采用高铬不锈钢研磨而成,增加了耐蚀和耐磨性,使用寿命长。因此在进口浮球式价格与倒吊桶式价格相近时,我们考虑选择进口倒吊桶疏水阀。

● 型号选择:由倒吊桶疏水阀系列型号《表 2》,根据设计要求的安装方式、最大压差、最大排量选择 400 系列。

《表 2》 倒吊捅疏水阀系列型号
系列 材质 安装方式 最大压差 MPa 最大排量 kg/h
880 铸铁 水平 1.7 2000
814-816 铸铁 水平 1.7 9072
980 铸钢 水平 4.1 2000
400 铬钼锻钢 垂直安装 6.9 9072

● 400 系列查排量表,式样如下,按压差值选斜线,核对排量值符合要求,即为可选的系列,在 413、416、415 三个表中选出 416 为合适系列。

疏水阀 400 系列查排量表

● 验证材质要求,系列内温度压力连接尺寸的详细选择:按设计要求由《表 3》、《表 4》最终验证选出采购型号为 416 可行。

《表 3》 400 系列最大允许压力
型号 受压部件在相应温度下的最大允许压力 MPa
-28~343℃ 371℃ 399℃ 427℃ 454℃ 482℃
413 8.27 8.27 8.27 8.27 7.24 5.38
415 7.58 7.58 7.58 7.58 7.45 6.65
416 11.72 11.72 11.72 11.44 9.31 6.83
《表 4》 400 系列连接尺寸
型号 413 415 416
管道连接 mm 15,20,25 25,32,40 40,50

3.3 倒吊桶疏水阀系列 416 型号主要参数见《表 5》

《表 5》 倒吊桶疏水阀 416 型号主要参数
管道工程直径 DN 介质 冷凝液负荷 安全系数 排放量(正常/最大)kg/h 操作压力 MPa 操作温度 ℃ 背压 MPa 最小操作压力 MPa 设计温度 343℃下的最大允许压力 MPa 检验与试验水压试验 MPa 安装方式
50 高压冷凝液 3360 2.38 8000 6.0 276 2.55 0.12 11.7 15.0 立式安装

材质:
阀体:锻钢 ASTM Al82 F22 Class3
内件:304
阀座阀瓣:17-4PH 或 440F

该型号的疏水阀完全满足设计的要求。一期现在使用的就是该型号的产品。目前已使用 5 年,总体使用情况良好。

4 伴热疏水阀二期苯酐的优化选型

苯酐一期装置上使用的伴热疏水阀多,是公司内单套装置使用疏水阀最多的装置。由于苯酐介质熔点高达 130℃,粗制苯酐与精制苯酐工艺都为液态工况操作,苯酐管线大多为夹套蒸汽伴热。苯酐装置蒸汽冷凝液管几根到十几根并列竖线布置成一个凝液站,装置内多达二十余个凝液站,成为装置的特色。一期工程中使用的是双金属型疏水阀,由于其结构小巧紧凑,在配管布置上显得十分美观,占地较小,查找方便。蒸汽采用 6bar-8bar 饱和蒸汽,凝液回收进一步利用。这种疏水阀多达 300 余只,管线凝液量平均 3.0t/h。蒸汽的有效伴热对稳定生产十分重要。而伴热的效果直接与疏水阀的使用效果相关,但伴热管线疏水阀使用状况一直不理想,伴热管线存水,管道温度提不上去。如果苯酐发生凝固,将导致堵管而引起停车。业内有统计,由于管线伴热不良造成部分或某一管线堵管而引起装置停车的比例不低。

分析其原因,双金属疏水阀的背压率按国标要求 >50%,系统实际的背压率达 80% 以上。一期使用的是国内知名产品,但其背压率不超过 60%。国内其他厂的产品普遍背压率在 50~60% 之间。因此双金属疏水阀不适合本装置的实际需求。

二期对这部分伴热疏水阀进行了重新选型,在参考制造厂疏水阀参数与价格后,调整了最终的选型。以下以位号 ST-201 阀为例,说明选型的过程:

4.1 位号 ST-201 的设计条件

位号 ST-201 的设计条件见《表 6》

《表 6》 位号 ST-201 设计条件
公称直径 DN25
介质 低压冷凝液
所在位置 管线,任意角度安装
冷凝液负荷 kg/h 80
排放量(正常、最大)kg/h 240
操作压力 MPa 0.6
操作温度 ℃ 164
背压 MPa 0.5
最小压差 MPa 0.1
设计压力 MPa 0.9
设计温度 ℃ 200
连接端 法兰 HG20956 RF 材质同阀体
材质 阀体:WCB ,阀芯:不锈钢

4.2 制造厂的方案对比

选了三个制造厂的方案进行比较,如《表 7》所示:

《表 7》 制造厂的方案对比
  制造厂方案一(国产) 制造厂方案二(进口) 制造厂方案三(进口)
选型 单杠杆浮球 热静力膜盒 倒吊桶
背压 允许背压率 90% 允许压差 0.1MPa 允许压差 0.2MPa
排量 kg/h 240 240 370
价格 元 2142 1410 1235
安装 垂直 任意角度安装 任意角度安装
连接口径 同设计 同设计 同设计
材质 同设计 内置过滤器及止回阀哈氏合金膜盒,其他同设计 同设计

从《表 6》、《表 7》可以看出,对背压满足情况较好的是前两个方案,但是方案一的价格昂贵,体积也相对较大。最终在二期工程上我们对选型上做了重新调整,将所有双金属片改为膜盒式疏水阀。进口膜盒式疏水阀在外形尺寸上与双金属型相同,能互换,并且具有下列特点,克服了双金属型存在背压低的问题,性价比较好:

  • 反应灵敏,特性跟踪饱和曲线
  • 高背压不影响功能
  • 膜盒抗腐蚀不受水锤影响
  • 不受环境温度和大气影响
  • 内置过滤器和止回阀
  • 无石棉阀盖垫片(石墨或 GrNi)

具体配置为,内置过滤器及止回阀,碳钢阀体,不锈钢主件,哈氏合金膜盒,产品设计寿命 5 年。

对二期工程的节能经济预期为,0.3MPa 的蒸汽价格假定为 90 元/吨,有效回收蒸汽可减少浪费每月 18 万元,每年减少损失 216 万元。最终验证有待装置的投产检验。如果使用情况较好,在适当的时候对一期装置伴热管线进行改造,将进一步优化一期的疏水阀配置。

5 结论

抓住苯酐装置实现负能耗的蒸汽系统节能重点,通过着重探讨大负荷高压疏水阀的选型过程和大量使用的伴热疏水阀的优化选择,对各种型式疏水阀的对比,对国产进口同类产品的综合比较,结合一期装置疏水阀的实际运用经验,苯酐二期项目疏水阀选型较一期总体优化,并预期有明显收益。


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