120000m3/h等级空分设备配套阀门选型

　　针对120 000 m3 /h 特大型空分设备阀门选型的设计，通过分析阀门工作参数和内部结构，在充分考虑空分安全性前提下，选择满足工艺条件和控制要求的阀门。介绍了特大型空分设备上重要阀门在选型上不同于常规空分设计的一些改进措施，科学合理地选择适用的阀门，使阀门材质、结构及功能应用适合于整套空分工况的需要，为空分设备提供了安全可靠的技术保证，同时也降低了建造特大型空分设备的建设成本，为特大等级空分设备全面合理选择阀门提供有利的参考经验。

引言

　　目前60 000 m3 /h 等级及以下规模的空分设备技术日益成熟，运行的设备也较多，阀门设计选型已经成熟，但是对于特大型空分设备阀门的选型不是简单复制扩大常规空分设备的阀门，因此在设计选型方面需要全面整体考虑，阀门的材质、内部构造、调节特性及密封特性等都要根据使用工况，科学合理的选择阀门，使空分装置操作方便、控制容易，能够长期安全稳定的运行。阀门选型直接关系到生产安全，关系到系统的调节性能，进而影响产量、质量和投资费用，因而选型是该设备正常运型的关键要素。根据120 000 m3 /h 空分设备工艺提出的特殊工况和控制要求，介绍阀门的选型方法、选型依据以及选型过程中应当注意的事项，以保证整套空分系统的安全性和稳定性。

1、阀门选型原则

　　整个空分流程包括空气压缩系统，大型空气预冷系统、特大型分子筛纯化系统、空气增压系统、增压透平膨胀机系统及特大型精馏系统和换热系统组成。120 000 m3 /h 空分工艺流程原理如图1 所示。

图1 120 000 m3 /h 等级空分设备工艺流程简图

1. 氧气; 2. 氮气; 3. 液氮; 4. 液氩; 5. 液氧

　　原料空气自吸入口进入空压机( MAC) ，压缩后进入空气冷却塔冷却，冷却水为冷塔冷却后的水，空气自下而上穿过空冷塔，在冷却的同时，又得到清洗。经冷却塔冷却后的空气进入分子筛纯化器，其中的二氧化碳、碳氢化合物和水分被吸附，两只纯化器交替切换使用，一只工作，另一只再生，净化后的空气分为两股，一股空气进入低压板式换热器，被返流污氮气冷却后直接进入下塔，另一股空气去增压机( BAC) ，这股空气分成三部分，一部分经增压机第一段增压后进入膨胀机的增压端增压，然后进入下塔，另一部分空气在增压机的第二段继续增压，冷却后进入板式换热器，用来与液氧换热，然后空气经过高压节流阀进入下塔。空气经下塔初步精馏后，获得液态气体、纯液氮和污液氮，经过冷器冷却后进入上塔，经上塔进一步精馏，在上塔底部获得液氧，经过液氧泵压缩后进入板式换热器复热，出冷箱进入氧气管网。下塔顶部引出液氮，一路可以直接进储槽，一路经过低压板式换热器复热后出冷箱，送入氮气管网。上塔顶部引出污氮气一部分作为分子筛再生气体，其余污氮气去水冷塔。

　　空分设备的阀门的选选型原则:

　　(1) 根据工艺条件，选择合适的结构形式和材料;

　　(2) 根据工艺对象的特点，选择合适的流量特性;

　　(3) 根据工艺操作参数，计算阀门的流通能力Cv或Kv) 值，选择合适的阀门口径和执行机构，阀门相应速度满足工艺要求。

2、重要阀门选型

　　预冷系统控制空冷塔液位的阀门LV500401，调节空冷塔液位，空分上通常选用套筒单座调节阀，可以避免循环水杂质堵塞，流体压力平衡式阀芯结构具有大容量、动态稳定性优良的特点，适合苛刻的工作条件高性能调节阀，不会因流体对阀杆作用力不均衡而损坏阀杆。调节阀有等百分比和线性流量特性，能够很好满足液位调节的要求，口径一般选择在300 mm 以下，就能保证常规及大型空分达到控制要求。但是120 000 空分由于根据工艺参数计算Cv值最大工况为248 L /s，计算后需要450 mm 口径套筒单座阀，造价过于昂贵，考虑空冷塔容积较大，液位变化较缓并且滞后，对调节性能要求较低，改用400 mm 口径，额定Cv为549 L /s 的高性能蝶阀替代套筒单座阀，蝶阀的近似等百分比调节性能完全能满足液位调节的要求。

　　分子筛系统8 只切换阀选用进口ORBINOX 三杆阀，阀门直径1 600 mm 和1 400 mm 两种，阀门阻力小于1 kPa，利于空分设备节能。设置阀门最大开启压差15 kPa，如果阀门前后压差超过设定值，阀门关闭，这样能够有效防止冲床事故的发生。分子筛吸附器处理空气量大约610 000 N·m3 /h，发生冲床事故，处理分子筛填料会非常麻烦，对生产带来严重后果，因此有必要选用有压差保护的三杆阀。

　　分子筛均压阀HV500607 用一个直通全腔型球阀，阀芯为固定球型，计算阀门需要选用300 mm 口径的球阀，由于大口径球阀在小开度时介质流量较大流速过快，对床层冲击力较大，而且成本太高，现改用两个口径分别为200 mm 和150 mm 口径球阀，这样配置降低了气体对分子筛床层的冲击力，并且均压时间可以控制在合理范围内。分子筛加热器用蒸气加热器，污氮气经过加热器加热后温度最高达到250 ℃，故而阀芯球体双向软密封环材质选用耐250℃的高温碳纤维强化聚四氟乙烯。分子筛冷吹阀HV500617，污氮气流过此阀门作为分子筛再生气，计算流通最大Cv值约为1 640L /s，设计选用1 000 mm 口径蝶阀，带智能定位器。

　　常规空分设备这只阀门设计为开关特性蝶阀，带机械调节螺钉，阀门可在40° ～ 90° 范围最大开度可调，不带智能定位器。因为分子筛加热阶段，污氮气经过加热器加热，加热管路较长，并且分子筛吸附器的大部分水析出，因此加热管路阻力较大，致使精馏塔上压力较高; 加热阶段结束，进入冷吹阶段，污氮气不经过加热器，管路直接进分子筛吸附器，因此管路阻力显著减小，由于阻力变小，导致精馏塔上压力又会显著变小，精馏塔工况发生剧烈波动，因此冷吹阀门设计需要加上机械调节螺钉，限制开度，把加热和冷吹阶段管路阻力调节到尽量平衡，保证空分工况稳定。对于本套空分设备，由于加热器为四台蒸气加热器，设备较多，所以该冷吹阀不再应用开关阀，取消机械定位销，而使用智能定位器替代定位销，保证加热阶段转换到冷吹阶段时，阀门根据空分工况变化自动调节阀门开度，使上塔阻力能够保持稳定，从而精馏塔工况不会发生较大波动。

　　空分系统精馏下塔液氮回流阀HV501511A/B，空分设备通常由一个或两个蝶阀控制下塔的回流比，回流比决定下塔氮气纯度的高低。由于蝶阀为近似等百分比调节特性，调节线性度差， 120 000 空分下塔容器较大，回流量特别大的情况下，下塔精馏工况依靠蝶阀较难稳定，所以选用一个蝶阀277DB200 和一个低温角阀363CJ200，低温角式单座调节阀比蝶阀调节性能好，利用调节阀优良的线性调节性能，使下塔较快达到工况所需的回流比，建立精馏工况。

　　出冷箱阀门HV501201 和HV501202 分两路将氧气送往氧气管网，PV501203 为氧气放空阀。氧气阀门的选取关键在于流速的限制和阀门材质的选取，《GB16912 - 2008 深度冷冻法生产氧气及相关气体安全技术规程》8. 2 中氧气流速规定: 管道中氧气的最高允许流速，根据管道材质、工作压力，应不超过3. 0 MPa < p≤10. 0 MPa，不锈钢材质，适用于pv≤15 MPa·m/s 撞击场合或pv≤80 MPa·m/s非撞击场合，最高允许流速v 是指管系最低工作压力、最高工作温度时的实际流速，铜及铜合金( 铝铜合金除外) 、镍及镍铜合金，在≤21. 0 MPa 条件下，流速在压力降允许时没有限制。当0. 6 MPa < p≤10.0 MPa，阀门材质选用不锈钢，铜合金或不锈钢与铜合金的组合，镍和镍合金。阀门可看做节流的管道元件，按照这个规定选择阀门材质。阀门上通常选用用途最广泛的蒙乃尔，纯氧下燃点450 ℃以上，具有阻燃防爆特点。蒙乃尔合金是镍基耐蚀合金中的镍铜系合金，典型成分是70% 镍和30% 铜，既具有较高的强度和韧度，又具有优良的抗还原酸及强碱介质和海水等腐蚀的性能。

　　氧气输送阀HV501201 和HV501202 阀前压力4. 69 MPa( A) ，考虑到氧气输送到管网的安全性，选用300 mm 口径气动薄膜套筒调节阀ANSI600，阀门前后压差0. 02 MPa，计算流速v 约为6. 2 m/s，阀体选用不锈钢材质，阀芯、阀座和套筒材质选用蒙乃尔材质。该阀门使用流体压力平衡阀芯结构，阀芯有两个小孔，使阀芯上下腔流体压力平衡，阀杆受力均匀，这样的阀芯调节时能快速稳定调节，防止阀杆在高压下被顶开或受损以及调节时产生振动现象。放空阀PV501203 阀门前后压差3. 59 MPa，最大氧气放空量120 000 m3 /h，计算氧气流速v 约为17 m/s，流速较快，选用250 mm 口径气动薄膜套筒调节阀，阀体以及阀内件选用蒙乃尔材质，并且阀后需带铜合金阻火器。

　　三只循环液氧泵回流阀PV501603A/B /C，液氧泵阀门前压力为0. 74 MPa ( A) ，阀门前后压差为0. 55 MPa，选用杭氧工装367CJ100 低温角式调节阀，阀内件是V 型单座形式，液体回流阀由于通常前后压差大，易产生闪蒸和气蚀，因而阀芯材质为司太莱合金，阀座材质为不锈钢整体堆焊钴基硬质合金，V - PORT 阀芯能够将流入液体分为三股流，因此耐高压差，降低气蚀对阀芯的损坏。

　　高压液氧泵回流阀PV501403A/B /C，给液氧加压到管网压力要求值，阀门前压力为4. 77 MPa( A) ，阀门前后压差为4. 29 MPa，选用多级降压式套筒导向型调节阀，流体压力平衡型阀芯，考虑液氧介质安全流速因素，阀芯、阀座和多级套筒均选用蒙乃尔材质，通过多级降压降低流经阀内件的流体速度，大幅降低噪音，有效防止液体产生的气蚀现象。循环液氧泵入口阀UV501601A/B /C，选用开关特性的低温三偏心351D 蝶阀，阀门前后压差为0. 002 MPa，工作温度- 180 ℃，泵安装在隔离小冷箱内，管道为不锈钢管道，小冷箱外为铝管道，因此阀门进口为铝法兰，出口为不锈钢法兰，实现快速关断功能，保证紧急状况下液氧泵和空分设备的安全。同理，高压液氧泵进口阀UV501401A/B /C，也选用杭氧低温三偏心351D 蝶阀。

　　高压空气节流阀HV501015A，通过增压机后空气经低压板式换热器后节流为主塔的下塔提供提供冷量，阀前压力7. 15 MPa( A) ，前后压差6. 55 MPa，原来选用杭氧工装767CJ150 /80 低温角式调节阀，阀内件V 型，由于V 型阀芯在压节流阀使用中易损坏阀芯，所以改用776CJ150Ma型低温角式多级降压调节阀，阀芯采用多级带孔套筒形式，迷宫结构，流体介质通过迷宫套筒，降低流速，有效降低流体产生闪蒸和气蚀现象的发生，阀芯不锈钢部分堆焊硬质合金，阀座整体堆焊硬质合金，阀芯外环绕一圈防尘不锈钢罩，可以有效防止杂质堵塞阀芯。

3、结束语

　　伊朗120 000 m3 /h 空分配套阀门的设计选型在保证安全的前提下，考虑到工艺流程调节的稳定性，降低整套项目的配套成本，降低空分设备的能耗等要素。阀门计算选型在理论上要兼顾这些选型要素，在应用实践中再进一步去检验阀门的使用效能，为低温制冷及石油化工行业大型设备的阀门选型提供可参考的实际经验。