王鑫

(华陆工程科技有限责任公司，西安 710065)



费托合成装置放空系统的自控设计方案

王鑫

(华陆工程科技有限责任公司，西安 710065)

介绍了费托合成反应器在超温、汽包液位过低等紧急情况下，为了降低内在压力并且减缓或停止反应而需要的放空控制方案的设计原则。详细介绍了该特殊工况中控制阀、切断阀的选型要点，为了保证阀的密封性和抗腐蚀及抗冲刷能力，着重说明了阀体材质选择的重要性，阀体加工过程中需要特殊处理的方法。应用表明： 放空系统工作稳定可靠，操作维护方便。

费托合成装置紧急放空气动控制阀气动切断阀

1　概　述

在煤间接液化工艺中，费托合成装置是将合成气液化成油的核心工段。此工艺过程大致分为三个部分： 烃类产品收集系统、石蜡收集及反冲系统、反应余热利用系统，其主要工艺流程如图1所示。其中烃类产品收集系统是将反应产生的主要产品收集并送至炼油工段的主要工艺过程。为保证运行安全，设置了不同方式的安全措施，联锁放空就是其中非常重要的一种措施。

2　费托合成放空系统的特点

费托合成反应器中，在压力2.4MPa，温度240℃的条件及催化剂的作用下，将气化工段送过来的合成气通过合成反应液化成高低温冷凝物、石蜡及其他副产物；未反应的合成气和生成的气态副产物通过反应器上端的气相出口送至二级反应器进一步反应。在此过程中不管是由于一些不可控的因素导致的反应速度加快，还是汽包中的锅炉水不足的情况下，有可能导致反应热量无法及时移出，都会导致反应器温度过高而引起反应速度加快；而费托合成反应又是一个剧烈放热反应，从而使反应器飞温失控，将引发非常严重的后果。因此，在反应器温度过高情况下，需要对反应器进行紧急停车以保证装置安全。联锁动作包括切断反应器进料以降低反应速度和降低系统压力，以免设备在过高温度状态下发生爆炸事故。降低系统压力的措施是将系统中的气态介质通过紧急放空系统向火炬系统泄放，但是如果将所有气体全部放掉，合成反应器中的浆态介质就有可能被带入下游装置，对下游装置及反应器本身造成很大的损害。因此，需要将放空动作发生后的系统压力稳定于1.0MPa，以避免造成进一步的危害和经济损失。该过程中放空气内含有各类气态有机物、大量的氢气以及粉型颗粒。

3　控制方案设计

传统的紧急放空形式和手段多种多样，最常用的方案有使用1路切断阀和限流孔板组合进行放空控制。该种方案由于有限流孔板的加入，虽然可以稳速放空，但是对前系统的压力没有稳定作用，会造成前系统压力波动，且限流孔板的加入又限制了泄压速度，无法满足联锁动作发生后系统迅速泄压并稳压于1.0MPa的工艺要求。还有的方案使用2路切断阀并联进行快速放空，该种方案虽然能迅速降低系统压力，但是会对前系统造成更大的压力波动，因而不能采纳。也有使用1路控制阀来实现放空控制的方案，但是该种方案又无法满足放空回路的严密关断要求，并且一般此阀门的控制常做成HIC手动控制放空速度，在合成联锁动作发生时，操作人员会因为需要操作的动作过多产生误操作，引起不必要的设备和经济损失。因此，需要设计出1套新的方案以满足以上所有要求。

图1　费托合成装置流程示意

总体上笔者采取了1个控制阀和1个切断阀串联的方式来满足工艺需要，如图2所示。正常操作情况下，电磁阀XV-001和PV-001B处于关闭状态，整个系统处于PIC-001A的控制中，将压力稳定于2.4MPa。在联锁放空动作发生时，XV-001电磁阀失电，PV-001A电磁阀失电，并改为手动，切断进入压缩机的合成气。阀PV-001B开度强制打至100%，并将控制改为手动，使合成气迅速向火炬系统紧急泄压;当压力值低于1.2MPa时，阀PV-001B与PT-001组成的放空状态压力调节回路PIC-001B介入控制，阀PV-001B的控制方式改为自动，控制向火炬系统的合成气泄放量，使整个系统稳定于1.0MPa的压力。

4　费托合成放空系统自控方案

4.1检测仪表的选择

如图2所示，参与放空系统联锁动作的检测仪表由反应器温度测量元件、汽包液位测量元件以及高压分离器压力测量元件组成。反应器的温度测量元件采用铠装铂热电阻，考虑到反应器中的介质处于运动状态，其插入深度不宜太长，通过对套管共振频率的计算，确定使用400mm的插入深度。考虑到反应器体积比较大，有可能出现催化剂堆积导致局部温度上升，因而全反应器共设48个温度测量点，采取48取3的方式来判断反应器是否发生温度过高的情况。汽包液位采取三冲量调节控制方式，其液位主测量元件为2块差压变送器，辅以1块磁致伸缩液位变送器，在正常操作过程中3块仪表测量数据取中值进行控制，联锁动作发生时，3块仪表组成“2oo3”的表决逻辑结构进行逻辑判断。由于高压分离器中的气相介质组成较复杂，其中含有许多酸性成分，因而分离器的压力采用隔膜密封式压力变送器进行测量。为了应对固体粉末对取压口的堵塞可能，膜片结构采取插入式结构。由于高压分离器中含有大量氢气，因而膜片为了防止氢气渗透现象需做镀金处理。

4.2控制系统方案

为了满足工艺过程对放空环节的联锁及控制要求，采用安全仪表系统(SIS)来执行联锁动作。根据IEC 51508和IEC 61511规定，为了保证SIS能够正常地执行安全功能，必须确定合理的安全完整性等级(SIL)，有效地评估功能安全，避免SIS的拒动作与误跳车。

由于放空系统的联锁动作是在SIS动作发生后，并向DCS发出信号，由DCS完成后续控制，因而SIS和DCS之间需要进行信号通信。该项目采取硬线连接的方式，并且为防止柜间接线松动所导致的信号传输失误，每组硬接线由3根物理线组成，形成“三取二”的冗余结构。SIS独立于DCS设置，可与DCS通过硬接线进行通信，并控制DCS相应回路在联锁动作发生时进行切换，但DCS不能通过数据链向SIS写入数据。SIS采用冗余电源，由独立的双路配电回路供电。

图2　放空系统串联控制方式

4.3阀门的选择

4.3.1控制阀的选择

在控制阀的选择上，一般放空系统经常使用笼式单座阀的结构形式，以减小放空阀门前后大差压对阀门造成的负荷和形成的噪音。但是单座阀在大口径管道上的应用会造成执行机构体积过大，并且制造成本太高的问题，因而在此位置选用三偏心蝶阀。三偏心蝶阀在全行程调节性能上不如单座阀，但是在放空系统压力调节的过程中，可以将阀门开度控制于三偏心蝶阀调节曲线较好的区间内；对于噪声过大的问题，可以使用相关的降噪元件来解决。因此，三偏心蝶阀完全可以满足此处的需求。

考虑到此阀门是该装置中使用条件要求非常苛刻的高压控制阀门，必须保证阀门有可靠的调节性能，同时阀内件要满足耐磨蚀、防颗粒抱死、抗气蚀、闪蒸等苛刻工况，因而三偏心蝶阀阀板材质选用不锈钢CF8M。由于阀板长期暴露在流道中，为了防止高速介质对密封面的损伤，所以阀板边缘用钴基合金进行硬化处理，以保护密封副并延长使用寿命。考虑高压及高压降工况，该阀门依据工艺压力参数计算选择自对中可拆卸阀内件。内件材料选择基材不锈钢加钴基合金硬化，阀杆选择不锈钢

硬化铬，更好地满足高压耐磨抗腐蚀及部分氢气介质的氢脆等问题的要求。

4.3.2切断阀的选择

控制阀虽然选择了特殊结构设计的三偏心蝶阀，但是因其自身的结构弱点，在放空动作发生后依然有可能被固体介质划伤密封面从而导致密封等级达不到CLASSⅥ的密封要求，因而需要在控制阀前设置一道能够更好耐受固体介质冲刷的切断阀来对整个放空回路进行严密关断。通常放空使用的切断阀有球阀和双平行闸板阀两种选择。鉴于此处所需阀门的特殊性及重要性，考虑到球阀的加工及使用条件限制较多，因而选用双平行闸板阀。

双平行闸板阀作为放空切断阀，具有结构上的优势。采用两片分离式阀板，中间用弹簧结合在一起，这种结构在关闭瞬间利用流体压差自密封，减少楔形密封面和阀座之间的硬磨擦，可延长阀板使用寿命，并且具有温度膨胀吸收作用，避免阀板卡死。为防止介质腐蚀，阀体做NACE 处理。阀内件堆焊硬质合金，增加阀门临界质部分的硬度，提升了抗冲刷能力。

5　结束语

放空系统是保护工艺设备和人员安全的重要手段，系统在设计、选型、使用和维护过程中需要严格遵守安全标准和设计规范。该项目自投产以来，放空系统工作稳定可靠、操作维护方便，使企业人身安全和环境安全得到充分的保障。

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Automatic Control Scheme of Fischer-Tropsch Synthesis Installation Blow-down System

Wang Xin

(Hualu Engineering & Technology Co. Ltd.， Xi’an， 710065， China)

Abstracts： During emergency situation of over temperature or low level of boiler drum， the design principle of blow-down control scheme for reducing inner pressure， and slowing down or stopping reaction is introduced. The key points for control valve and shot-down valve type selection under special working condition are described in detail. The importance of valve material selection and means for special treatment during valve body manufacture process are stressed to ensure valve’s capability of tightness， corrosiveness resistance and anti-scouring. Application indicates blow-down system is stable and reliable with easy maintenance.

Fischer-tropsch synthesis installation；emergency blow-down；pneumatic control valve；pneumatic on-off valve

王鑫(1983—)，男，陕西西安人，2006年毕业于西安电子科技大学自动化专业，现就职于华陆工程科技有限责任公司电控室，从事自控仪表工程设计工作，任工程师。

TP273

B

1007-7324(2016)04-0034-03

稿件收到日期： 2016-03-22，修改稿收到日期： 2016-06-10。