催化裂化裝置煙氣輪機入口閥門(mén)的配置

　　催化裂化裝置煙氣輪機入口閥包括切斷閥和調節閥兩類(lèi)，包括氣動(dòng)鑄造式和電液?jiǎn)蚊娼饘儆裁芊夂附邮礁邷仄桨彘l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。文章從結構特點(diǎn)、密封性能、應用狀況等方面進(jìn)行了分析比較，并對閥門(mén)的配置提出了建議。

　　煙氣輪機入口切斷閥和調節閥是催化裂化裝置能量回收系統的重要設備，是煙氣輪機能否安全長(cháng)周期運行的關(guān)鍵設備。在國內各煉油廠(chǎng)催化裂化裝置現有多種配置方式與閥門(mén)型式。

1、高溫平板閘閥

　　煙氣輪機入口管線(xiàn)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有兩種結構，都可國內制造，一是氣動(dòng)鑄造高溫平板閘閥;二是電液驅動(dòng)焊接式高溫平板閘閥。

　　1.1、氣動(dòng)鑄造式高溫平板閘閥

　　氣動(dòng)鑄造式高溫平板閘閥的閥體結構見(jiàn)圖1(a)，采用雙面軟密封結構。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，閥體內無(wú)襯里，與管道采用法蘭連接。兩個(gè)柔性石墨密封圈各鑲嵌于閥體Ⅰ、閥體Ⅱ 的環(huán)形凹槽內，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(gè)與流通直徑相同的通孔。閥板沿閥體Ⅱ的導軌上下移動(dòng)，實(shí)現閥門(mén)的開(kāi)關(guān)。

圖1 氣動(dòng)鑄造式高溫平板閘閥閥體結構示意

　　氣動(dòng)鑄造式高溫平板閘閥的雙面軟密封結構，在使用過(guò)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(guò)程中應按設計要求，在每次裝置停車(chē)檢修時(shí)更換密封圈。如長(cháng)期不檢修，會(huì )造成閥板損壞、卡死，導致泄漏量增加，甚至會(huì )造成裝置事故停工。

　　氣動(dòng)高溫平板閘閥大部分存在“縮徑”問(wèn)題，無(wú)論其公稱(chēng)直徑多大，實(shí)現流通直徑最大為900mm，不能與煙氣輪機入口高溫調節蝶閥合理匹配，影響了煙氣輪機的回收功率。

　　氣動(dòng)高溫平板閘閥的上述缺點(diǎn)也促進(jìn)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?jiǎn)蚊娼饘儆裁芊夂附邮礁邷仄桨彘l閥的閥體結構見(jiàn)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構，閥體內無(wú)襯里，其公稱(chēng)直徑與流通直徑一致，與管道采用焊接方式連接，現已實(shí)現工業(yè)應用的最大公稱(chēng)直徑為1200mm。

圖2 電液?jiǎn)蚊娼饘儆裁芊夂附邮礁邷仄桨彘l閥閥體結構示意

　　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構，兩側耳板加工有與“L”形導軌相一致的斜度，當閥門(mén)關(guān)閉時(shí)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(cháng)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(jiàn)。中石化荊門(mén)分公司一套催化裂化裝置DN900氣動(dòng)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(mén)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(dòng)或氣動(dòng)執行機構。

2、高溫蝶閥

　　2.1、進(jìn)口金屬彈性密封三偏心蝶閥

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

圖3 金屬彈性密封三偏心蝶閥結構示意

　　當向閥桿施加扭矩時(shí)，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(dòng)和徑向壓縮產(chǎn)生彈性來(lái)實(shí)現嚴密的切斷，完全靠扭轉密封來(lái)實(shí)現蝶閥持續的雙向密封特性。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(cháng)期使用存在一定安全隱患。

　　2.2、進(jìn)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(diǎn)，采用三偏心斜置錐形閥座結構見(jiàn)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(kāi)閉時(shí)進(jìn)一步減少閥板與閥座之間相對摩擦的區域和幾率，無(wú)需靠金屬密封圈的彈性變形即可獲得滿(mǎn)意的密封效果。由于沒(méi)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構密封，消除了壓緊螺栓可能脫落進(jìn)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構示意

　　2.3、臺階式高溫調節蝶閥

　　煙氣輪機入口調節蝶閥目前一般都采用臺階式高溫調節蝶閥結構，大部分國產(chǎn)，直徑大于1600mm以上的也有少量進(jìn)口。進(jìn)口臺階型調節蝶閥的密封性能可達到Ⅱ級密封(泄漏量小于0.5%)，國產(chǎn)臺階型調節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構，國產(chǎn)臺階型高溫調節蝶閥大部分為閥軸一端伸出結構。使用三偏心切斷型蝶閥作為煙氣輪機入口調節型蝶閥沒(méi)有太多實(shí)用意義，反而會(huì )增加投資和開(kāi)工時(shí)蝶閥打不開(kāi)的幾率，宜優(yōu)選閥軸一端伸出的臺階型高溫調節蝶閥。

　　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煙氣輪機入口蝶閥實(shí)際應用僅要求進(jìn)煙氣輪機方向的單向密封和達到ANSI標準規定的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構，產(chǎn)生類(lèi)似三偏心凸輪效應，以保證良好的開(kāi)閉性能和密封效果，其結構見(jiàn)圖5。

　　偏心凸輪軸蝶閥的閥桿是一個(gè)三段凸輪軸式結構，閥桿兩端軸段同心，中間段軸中心線(xiàn)與兩端軸線(xiàn)有一個(gè)偏心距，閥板安裝在中間軸段上。此種結構使閥板在全開(kāi)時(shí)成為雙偏心狀態(tài)，而達到關(guān)閉時(shí)成為單偏心狀態(tài)。由于凸輪軸的作用，在接近關(guān)閉時(shí)，閥板可向閥座的密封錐面內移動(dòng)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(shí)，閥座密封面磨損后，可以調整執行機構，使閥板的關(guān)閉位置驅前若干角度，約向前移動(dòng)0.5mm，即可恢復到新的密封狀態(tài)，滿(mǎn)足長(cháng)周期使用的要求。

圖5 偏心凸輪軸高溫切斷型蝶閥結構示意

　　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(wú)需專(zhuān)用的橢圓密封面數控磨床，適合于大型高溫蝶閥的加工制造。

　　實(shí)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。在蝶閥轉動(dòng)到關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，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(gè)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(chēng)為“自壓密封”。

　　中石化荊門(mén)分公司與荊門(mén)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(chǎng)測試和現場(chǎng)觀(guān)察，可達到ANSI標準規定的Ⅲ級(泄漏量小于0.1%)上的密封等級，國產(chǎn)電液控制系統調節性能良好，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(mén)的配置與選型

　　煙氣輪機入口管線(xiàn)設置切斷閥和調節閥，前者功能是切斷煙氣，便于煙氣輪機中途能停機維修;后者起調節作用，控制再生器壓力。國內煙氣輪機入口閥門(mén)的配置根據裝置規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(mén)直徑小于或等于1200mm，大多數配置為高溫閘閥與臺階式高溫調節蝶閥的組合，也有少數為高溫閘閥與三偏心高溫蝶閥的配置，前者為切斷閥，后者為調節閥;二是煙氣輪機入口閥門(mén)直徑大于1200mm的配置多數為三偏心高溫切斷蝶閥與臺階式高溫調節蝶閥的組合，也有用2臺三偏心高溫切斷閥的配置，后1個(gè)閥門(mén)起調節作用。

　　有關(guān)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(shí)切斷煙氣，以便地在煙氣輪機入口管線(xiàn)上安全地安裝盲板，進(jìn)行煙氣輪機檢修。因此沒(méi)必要達到Ⅵ級密封(零泄漏)要求，UOP工藝包的數據表中僅要求達到Ⅳ密封(泄漏量小于0.01%)即可。實(shí)際上，出廠(chǎng)冷態(tài)試驗能達到Ⅲ～Ⅳ級密封即可完全滿(mǎn)足上述功能要求。過(guò)高的密封等級要求，勢必會(huì )增加高溫使用后閥門(mén)開(kāi)、關(guān)的卡阻機率，且使用一段時(shí)間后閥門(mén)因催化劑沖刷，泄漏量會(huì )有所增加。

　　2)煙氣輪機入口切斷閥的結構選型。當煙道直徑小于或等于1200mm時(shí)，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(shí)，由于高溫閘閥結構過(guò)于龐大和笨重，宜選用三偏心高溫蝶閥或者其它類(lèi)似結構的切斷型高溫蝶閥。

　　3)煙氣輪機入口調節蝶閥的結構選型。調節蝶閥的主要功能是調節和控制再生器壓力并在緊急自保時(shí)能夠快速關(guān)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(jìn)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(mén)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的高溫調節蝶閥，由于國內尚無(wú)研制并已工業(yè)應用的閥門(mén)，現在還需進(jìn)口。配套的國內電液執行機構的性能已完全不遜色于國外同類(lèi)產(chǎn)品，某些進(jìn)口電液執行機構在使用時(shí)出現問(wèn)題，均可由國內制造廠(chǎng)處理并改進(jìn)，因此配套的蝶閥電液執行機構完全可以國產(chǎn)，不必與閥門(mén)一起進(jìn)口，以節省費用和便于維修。

　　5)調節閥電液執行機構的性能要求。入口調節閥電液執行結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節閥緊急關(guān)閉時(shí)間宜小于1s，對獨立發(fā)電的煙氣輪機關(guān)閉時(shí)間則應更快，要達到0.6s。

4、結語(yǔ)

　　煙氣輪機入口閥是催化裂化煙氣能量回收系統的重要組成部分，可靠性要求高，既要求煙氣密封性能好又要調節性能良好，緊急動(dòng)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，加上電液執行機構油站的動(dòng)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(mén)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。