降低制氢装置 PSA 程控阀故障率的研究

摘要：中海油气 (泰州) 石化有限公司 50 000 m³/h 制氢装置自开工以来，180、182 单元 2 套 PSA 中的程控阀每年都会出现诸多不同原因的故障导致切塔，生产装置被迫降低负荷甚至停运，影响装置的正常平稳运行以及各用氢单位的正常生产。文章就两套 PSA 程控阀出现的各类故障进行展开梳理和分析优化，并提出了改进措施，最大程度降低 PSA 程控阀的故障率，确保 PSA 的正常平稳运行和全厂氢气管网稳定。

关键词：PSA 程控阀；制氢装置；石油化工

前言

      中海油气 (泰州) 石化有限公司运行一部 50 000 m³/h 制氢装置拥有的两套 PSA (180 制氢和 182 重整)，均采用四川天一科技股份有限公司开发的变压吸附气体分离技术。该技术的实现主要依赖于系统内各程控阀在既定程序的控制下周期性的频繁开关动作，从而实现原料气的吸附净化，并产出纯度极高的氢气，具有高度的自动化、程序化、大型化的特点。因此，PSA 程控阀的稳定性与 PSA 系统的平稳生产息息相关。而随着制氢装置长期生产及设备、材料老化，PSA 程控阀逐步开始出现各种不同类型的故障，严重影响 PSA 系统的正常稳定运行，导致制氢装置工艺生产被迫降低负荷，装置产氢波动，甚至装置停车等事故，对全厂各用氢装置产生氢压波动，影响用氢装置的稳定生产。

01 PSA 系统工艺原理及流程介绍

      PSA 系统工艺的基本原理就是利用诸多吸附塔内多种吸附剂对不同气体组分的吸附能力不同以及某种气体在吸附剂中的吸附量随着吸附压力的变化而变化的原理，实现气体混合物的提纯分离与吸附剂的再生循环，即从 PSA 的原料气中大量吸附多种杂质组分，提纯产出合格的氢气，使其纯度大于 99.9%，以满足其他装置的工艺用氢要求。再通过降低塔内压力，使得吸附塔内的吸附剂中的杂质组分脱附析出，吸附剂得到再生，并通过程控阀的开关，使解析气体经混合罐、缓冲罐后送出。180PSA 产出的解析气送至转化炉作为燃料，182PSA 解析气送至 182K101，经压缩后送至 180 装置作生产原料。

      泰州石化制氢和重整 PSA 装置主程序均采用 10-3-4/P 工艺，即10 个工作塔，3 塔同时吸附，4 次均压，具体而言就是主要由 10 台吸附器、2 台顺放罐、1 台解吸气缓冲罐、1台解吸气混合罐、1台气液分离器和 78 台程控阀组成。在该系统中，任意时间始终保持有 3 台吸附塔处于吸附步序，每台吸附器在不同的时间依次经历吸附 (A)、1 级压力均降 (E1D)、2 级压力均降 (E2D)、3 级压力均降 (E3D)、4 级压力均降 (E4D)、顺放 (PP)、逆向放压 (D)、冲洗 (P)、4 级压力均升 (E4R)、3 级压力均升 (E3R)、2 级压力均升 (E2R)、1 级压力均升 (E1R) 和最终充压 (FR) 等步骤。10 个塔按照厂家设定的程序交替循环运行，时间上互相交错有序衔接，以此实现原料气不断输入，产品氢不断输出的目的。

02 程控阀原理及其简介

      PSA 系统中的各个步序：吸附、均压、顺放、逆放、冲洗、终充等步骤，整个过程是通过生产厂家编写的程序在 DCS 系统的控制下，各个不同作用的程控阀自动的周期性开关，切换吸附塔，并调整其内部压力来实现。由于 PSA 系统内的气体都具有易燃易爆性质，且每小时的进料量多气体通过量很大，单个程控阀在一年内最多的需要开关几十万次，这种超高频率的启闭模式，对阀门性能与制造质量的要求非常高。

      首先，程控阀门的密封性能要好。防止阀门出现外漏及内漏的现象，严防出现燃烧或者爆炸事故。其次，程控阀门的开关速度要快。耗用时间应小于3 s，以保证后续程序的顺利进行，否则将会出现阀检报警。若同时伴随塔压报警，则 PSA 系统将自动切塔。最后，程控阀门的结构及材料要具有双向抗压、抗冲刷、抗腐蚀性的要求。

      程控阀由阀体、执行机构、阀杆、阀芯、阀销等组成，附件由电磁阀、回讯开关、仪表管线、消音器、过滤器等组成。其控制模式主要是在既定程序的步序控制下，系统输出 24 V(DC) 开关信号至电磁阀，电磁阀根据信号控制不同气路的导通，改变该阀执行机构的供风方向，推动执行机构上下动作来实现阀门的开关，进而达到程序继续运行所需满足的工艺参数和阀检信号条件。阀检信号是由回讯开关模块发出的，即阀杆顶端安装有跟随阀杆上下移动的金属块，在阀体顶部阀杆开孔中心旁安装有感应探头及防雨罩。该探头可感应金属块的具体位置，反馈阀杆上下移动是否到位，阀门开关是否正常，并可在DCS系统显示阀检报警。

03程控阀常见故障

3.1 电磁阀故障 

      电磁阀故障是导致程控阀出现问题的主要原因之一。电磁阀的作用就是将 DCS 的输出电信号转化为气动信号，电磁阀得电后驱动仪表风带动阀门执行机构实现阀门的开关动作。因此，电磁阀的作用非常关键，一旦出现故障，程控阀动作将难以完成，很有可能导致阀门卡涩、开关异常乃至自动切塔，造成生产波动。电磁阀故障常见的是电磁阀串气或失效，直接导致阀门无法正常开关或开关缓慢。其故障主要原因是仪表风质量差、活塞 O 型圈失效、线圈损坏等，改善方式主要是优化仪表风质量、定期更换电磁阀或密封圈及线圈。同时，加强日常巡检，发现电磁阀异常情况，及时汇报处理。

3.2 阀检信号故障 

      阀检信号故障主要是指 DCS 阀检显示与实际阀位开关不一致。当阀检信号出现故障时，DCS 画面就会出现阀检报警，若只是信号故障，不伴随塔压偏差报警，则不会自动切塔，即可联系仪表人员和外操人员到现场检查处理。阀检信号故障的常见原因包括阀门回讯探头松动、阀杆端感应金属体脱落、阀检接线不良、反馈回路安全栅损坏、仪表风压力不足等。处理方式主要是检查探头、紧固接线、更换安全栅、提高风压等。

3.3 执行机构故障

      执行机构包括气缸、活塞、阀杆、阀芯等部分，阀芯通过螺纹、半圆环、阀销与阀杆连接，阀杆与活塞杆作为一个整体与位于气缸内的活塞连接，活塞在仪表风的作用下实现上下移动，从而带动阀杆及阀芯上下动作，实现阀门的正常开关。程控阀的执行机构作为金属部件且硬性连接，在经过长期高频次的动作后，一些受力较大的金属部件，如阀杆、支撑环、半圆环等，就有会发生磨损变形或疲劳破坏等现象，可能造成阀门卡涩、气缸串气、开关不到位，甚至产生阀杆断裂、阀芯脱落、填料拉伤阀杆外漏等严重故障，导致装置非计划降负荷乃至停车。处理方式一般只有将故障阀门对应的塔切出，阀门下线拆修，由此带来不必要的生产波动与额外成本。

3.4 阀门泄漏故障 

      阀门泄漏可分为内漏与外漏，且基本是阀门某处密封件失效导致的。阀门的密封附件主要由橡胶密封圈 (O 形圈、L 形圈) 以及填料、密封片 (PEEK 复合材料、304 复合件) 等组成。程控阀的外漏主要包括阀杆填料泄漏以及阀体泄漏，其中前者最常见。阀杆填料泄漏原因一般是填料老化失效、压盖螺栓松动、密封面有杂质磨损失效等。当填料处出现泄漏时，可通过可燃气报警仪或喷肥皂水冒泡及时发现，对轻微泄漏，可联系维保人员，通过紧固压盖螺栓的方式解决，若未有缓解且有严重的趋势，则可将对应阀门下线，更换填料密封解决。程控阀内漏主要是阀芯内漏，即阀芯与阀座的密封面失效，导致阀门出入口串压，表现为吸附塔之间压力互窜，影响吸附塔的正常状态。在阀门开关过程中，阀芯始终会承受高压差气流的冲刷，而且气流中还会有吸附剂颗粒、焊渣等杂质，跟随气流在密封面及金属表面冲刷出细小凹点。这种凹点会随着使用时间的延长、材质的老化逐渐扩大，使阀门密封性能衰弱，最终导致密封片失效。对泄漏较为严重的，只能将该塔或该系列切出，程控阀下线检修。

3.5 控制系统故障 

      PSA 控制系统主要是指 PSA 的程序控制，PSA 系统内部程控阀均按照厂家设定内部程序控制进行开关动作，由于内部程序在出厂时候就已设定好，并可自动运行，程序本身出现故障的概率极低。截至目前，在泰州石化制氢装置两套 PSA 运行期间，暂未出现程序本身故障，但多次出现过保险丝烧坏、接线松动及安全栅失效等问题。这些问题都将导致 PSA 的控制系统出现故障，影响 PSA 程序的正常运行。

3.6 PSA 系统管线内部铵盐结晶 

      在 182PSA 停工的检修期间，检修人员拆开程控阀阀体及入口分液罐人孔后发现，182PSA 系统内部存在大量白色粉末，经现场取样、化验分析得知其成分主要是氯化铵结晶。由于182PSA 主要的原料气为泰州石化运行三部重整装置送出的重整气，同时，该重整气必须经过脱氯处理，以减少对182PSA 吸附系统的腐蚀，减少铵盐结晶，但由于重整气中氯离子含量较多，容易出现脱氯剂的穿透或失效，偶尔会伴随大量氯离子带入 182PSA 的入口及内部。同时，182PSA 的另外一股原料气是加氢后的低分气，该原料中含大量的氨根，氨根与重整气携带的氯离子容易反应，生成氯化铵结晶，该结晶固体极易堵塞 182PSA 入口过滤网以及各吸附塔入口的程控阀内部，从而容易导致 PSA 系统出入口压差增大以及 PSA 程控阀开关异常。

      根据以上分析，结合两套 PSA 出现的故障记录，可以看出 PSA 程控阀故障频率最高的是电磁阀故障及阀检信号故障，其次是阀门填料泄漏，而阀门内漏、执行机构及控制系统故障的出现情况较少。因此，降低程控阀的故障率的关键就是减少电磁阀故障、阀检信号故障及优化程控阀运行环境。

04 降低PSA 程控阀故障率的措施

4.1 日常巡检与定期检查 

      (1) 可通过加强日常巡检、定期气密、报警监控，从而可及时发现程控阀是否出现泄漏情况。对阀杆轻微的填料密封，可通过定期紧固压盖螺栓的方式得到有效初步控制；对泄漏严重、难以控制的，检查应立即汇报，做好防护，联系维保人员，按照应急方案处置。

      (2) 定期检查 PSA 系统电磁阀，查看有无串气、漏气、堵塞等现象；对有串气、漏气现象的电磁阀做好台账记录；对比较严重的，择机进行现场更换，防止后续出现因气压不足，电磁阀故障导致阀门开关异常、PSA 切塔等事故发生。

4.2 维保巡查与现场检修

      (1) 联合仪表人员，加强对两套 PSA 装置的定期巡查，检查所有程控阀的螺栓、法兰、接头、顶丝、探头、消音器、防雨帽、仪表管线等附件有无异常，并做好台账记录，对发现的问题，及时处理；加强 PSA 仪表供风总管气源三联管路的日常巡检，增加仪表风线过滤系统及油雾润滑系统，确保 PSA 仪表用气无液滴、无杂质，保证程控阀气缸活塞的润滑性能。

      (2) 定期联系装置仪表人员，对两套 PSA 系统的安全栅、保险丝进行现场检查。对超过建议使用年限的，在不影响 PSA 运行的前提下，择机进行更换，并做对应的台账记录；对接线松动的，定期进行紧固。当 PSA 某塔或者某系列出现故障而自动或手动切出，处理相应问题的时候，可根据前期记录台账，同时进行其他程控阀的检查、维修、更换工作，消除隐患。

4.3 压力调控与技术改进

       (1) 在原用气基础压力上，提高 PSA 仪表风总管压力 0.1 MPa，补偿程控阀气缸输出摩擦力增大、推力不足的损失，满足 PSA 程控阀正常开关的需求。

      (2) 适当低控全厂氢气管网压力，可降低 PSA 的 5 号程控阀在终充步序启闭时候的前后压差，避免出现因压差过大，气缸力矩不够，阀门无法正常开关的情况。

      (3) 为保证 182 稳定运行，可考虑将 182PSA 入口分液罐过滤网改为管道过滤器，并分两组，可进行切换清理。同时，加强与上游重整装置的联系，根据重整气原料的定期化验分析结果，定期更换脱氯剂，从根源上减少氯离子含量，从而避免铵盐的大量生成。

05 结语

      中海油气 (泰州) 石化有限公司制氢装置的两套 PSA 系统承担着泰州石化全厂生产工艺氢气的重任，当出现 PSA 系统的生产事故时，会有大量的解析气放空及氢气管网的波动，甚至容易导致制氢装置发生联锁事故，进而带来更大程度的生产波动。因此，保证两套 PSA 的稳定运行，就是保证全厂氢气管网的稳定，这对全厂各用氢装置而言至关重要。对上文分析总结出的 PSA 程控阀出现的各类故障，泰州石化制氢装置经过讨论分析，有针对性、计划性地展开了相应的整改和应对措施，从根本上降低了两套 PSA 系统内程控阀出现故障的概率，保证了全厂氢气管网的稳定，促进了全厂用氢装置的平稳生产，有力助推了泰州石化高质量运行。