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    調節閥特性的優化和閥內件改造的探析

    來源:上海自動化儀表有限公司作者:祁維軍,胡彥文,楊一仁,蔣 瑞發表時間:2023-10-12 16:57:37

     摘 要: 對于汽提塔調節閥在工藝低負荷運行時自動調節不穩定、調節性能差的問題,分析液位控制系統,通過運行參數跟蹤、調節閥的流量系數計算、流通面積復核,根據液位變化特性和控制規律,優化調節閥的流量特性,從線性流量特性改造為近似等百分比流量特性,以達到液位自控穩定的效果。

     
    青海云天化國際化肥有限公司一期尿素裝置于 2010 年投產,采用二氧化碳汽提法工藝,汽提塔液位調節閥為 Fisher 高壓角閥。整套尿素生產工藝對該調節閥的調節性能要求很高,汽提塔液位是否能順利投入自控模式也是重要的工藝指標。
     
    該汽提塔液位調節閥(LV-2202)原設計為線性流量特性,且流通能力過大,造成實際使用開度較小(18% ~22. 4%)。自尿素裝置投產以來,該閥長期處于手動控制狀態,操作頻繁、難以控制,影響尿素裝置穩定運行。為此,在 2018 年大修期間對該閥流通能力進行計算,并對閥芯進行重新設計和加工。優化后,該閥的調節性能有了明顯的改善,在裝置高負荷生產時,汽提塔液位調節可以投入自控模式。
     
    1 工藝流程
    合成塔的液相從出液閥(HV-2201)進入汽提塔頂部,經汽提塔內的液體分配器將尿液均勻地分配到每根列管中,并以液膜狀態沿壁往下降,防止 CO 2 氣體竄流到循環系統中。如果液位波動劇烈,超過低限,會出現竄氣現象,導致循環系統超壓;如果液位過高,易造成出液溫度高,使產品縮二脲含量升高。因此,汽提塔液位一般控制在30% ~ 60%,由汽提塔液位調節閥(LV-2202)自動控制完成。汽提塔液位調節工藝流程圖見圖 1。
    汽提塔液位調節工藝流程圖
    2 控制原理
    使用同位素銫 137 配上海伯托 LB 4700T 探測器來測量汽提塔液位 1(LT-2201),汽提塔有效液位高度為 62 cm,液位有效直徑為 60 cm。在高壓差下,有效液位變化很快,對調節閥的控制要求很高。在正常生產過程中,汽提塔的液位要求在自動控制模式運行[1] 。在生產工藝穩定的情況下,汽提塔的進出近似平衡狀態,當汽提塔液位 2(LT-2202)測量值低于設定值時,經集散控制系統(DCS)判斷、比較,輸出信號減小 LV-2202 開度;當 LT-2202 測量值與設定值相符時,LV-2202
    開度保持不變;當 LT-2202 測量值大于設定值時,輸出信號增大 LV-2202 開度,直至液位測量值與設定值相等。這個過程是連續的,在這個過程中液位測量會有波動,測量值與設定值出現偏差。為消除偏差,DCS 會控制 LV-2202 進行調節。由于汽提塔有效控制液位很少,因此要求調節閥的開關幅度很小,以及流量變化量、閥門流通面積變化量很小,才有益于液位的穩定控制 [2] 。汽提塔液位調節系統控制原理見圖 2。
    汽提塔液位調節系統原理圖
     
    3 調節閥運行數據分析
    3. 1 調節閥流量系數計算
    根據工藝參數,計算調節閥的流量系數及流通能力,進一步確定閥門的閥座通徑,以及相對流量和相對流通面積。LV-2202 的工藝參數見表 1,其液體通流介質為尿素、氨基甲酸銨、水、NH 3和 CO 2 。
    LV-2202 工藝參數表
    根據表 1 參數,使用閥門計算軟件計算得到調節閥流量系數 C v 為 17;根據 C v ,選擇閥座通徑為 30 mm [3] 。2018 年前閥座通徑為 40 mm,C v為41.7,明顯選擇太大,這是閥門長期在小開度下運行,無法投自動控制的原因。
     
    3. 2 調節閥運行開度分析
    2019 年全年調節閥運行開度在 50% ~60%;
    2020 年全年調節閥運行開度在 40% ~ 50%;
    2021 年全年調節閥運行開度在 30% ~ 40%。其間,閥芯加工尺寸相同,在 2021 年大修時發現,閥座通徑由于腐蝕,從 30 mm 變為 31 mm,分析原因為腐蝕沖刷。流通面積稍微發生變化,閥門的開度就會發生變化,調節閥實際有效可調范圍很小。LV-2202 歷年運行數據見表 2。
    LV-2202 歷年運行數據
    3. 3 調節閥運行流通面積
    根據歷年的運行參數,可計算出調節閥在工藝中常用的流通面積,進一步優化調節閥的調節性能。LV-2202 歷年運行流通面積數據見表 3,其中閥芯的截面間隔為 2 mm。由表 3 可以看出:調節閥的在運行中由于加工誤差、閥座的腐蝕等因素,通徑變大,閥門開度逐年減小。閥門的常用流通面積為 210 ~ 270 mm 2 ;閥門開度在 30% ~55%。理論計算閥門的開度在 35% ~50% (見表4),雖然有偏差,但開度還是吻合的。
    LV-2202 歷年運行流通面積數據
    4 閥門的選型和加工
    4. 1 閥門流量特性的選擇
    根據對閥門流量系數的計算,以及對閥門運行參數、加工數據的分析,閥門總行程 L =32 mm,為了方便計算和測量,取 10%L =3. 2 mm;常用開度 35% ~50%,對應行程變化量為 4. 8 mm;流通面積 200 ~ 260 mm 2 ,閥門流通面積變化量約60 mm 2 。汽 提 塔 的 可 控 液 位 的 總 體 積 為0. 175 m 3 ,液位控制范圍為 30% ~ 60%,介質體積變化范圍 0. 052 ~ 0. 105 m 3 ;閥門特性為直線型,特點為閥門開度小、流量變化量大、調節作用太快太強,易出現超調,引起系統不穩。線性流量特性在液位變化快、可調范圍小的工況下,調節性能差。而等百分比流量特性可以解決這個問題,在行程開度相同、相對流量變化量相等,以及流通面積變化量相同時,開度小、流量變化量也小,調節平穩,可調比寬[4] 。線性流量特性和等百分比流量特性,閥門開度和相對流量的關系[2] 見圖 3。由圖 3 可以看出:閥門相同開度,線性引起相對流量的變化量比等百分比大,等百分比變化比較柔和,所以對于汽提塔的液位調節閥,流量特性應該選擇等百分比。
     
    4. 2 等百分比流量特性時閥芯尺寸和流通面積的計算
    4. 2. 1 數據計算
    根據對 LV-2202 運行數據的分析,選擇等百分比流量特性的閥芯更加適合現在的生產工藝,
    對此特性的閥芯限流段設計數據(見表 5),使用閥芯和閥座計算軟件計算 [3] ,結果見表 6(總計算有 14 組,現取 10 組數據做說明)。優化過程中,發現閥座通徑由于腐蝕變大為31 mm,則閥芯根據閥座通徑為 31 mm 計算。閥芯根據等百分比流量特性計算并加工,總行程為32 mm,總共計算 14 個截面,截面間隔 2 mm。在車床分 14 刀做出閥芯實物胚,再打磨圓整成為成品;全過程手工加工,因此存在誤差,加上管道流通阻力,閥門特性為近似等百分比流量特性,加工最大允許誤差≤0. 3 mm。與線性流量特性閥芯相比,在閥門開度變化量相同時,等百分比流量特性閥芯的相對流通面積變化量小,相對流量的變化也會柔和,液位的變化也會平穩,更加適應于汽提塔液位自動調節。
     
    后續內容......................
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