上海滬工閥門(mén)廠(chǎng)（集團）有限公司
摘要：通過(guò)對疏水閥各種型式技術(shù)性能特點(diǎn)對比分析，結合苯酐一期工程實(shí)際使用情況，探討換熱器大負荷高壓力疏水閥的選用，在二期工程中對數量較大的伴熱用疏水閥進(jìn)一步優(yōu)化及采購選型以降低能耗。
關(guān)鍵詞：節能降耗；疏水閥；背壓率；雙金屬型；倒吊捅型；苯酐裝置
近些年隨著(zhù)科學(xué)發(fā)展觀(guān)的落實(shí)和循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展，國家和上海市比以往更加強調節能工作的具體落實(shí)。上海焦化有限公司是大中型化工企業(yè)之一，公司嚴格管理，不斷細化各個(gè)生產(chǎn)裝置消耗的具體指標。采購的蒸汽疏水閥遍布公司各個(gè)裝置與管廊。除去項目建設外，2006 年 - 2008 年備件采購量就多達 1694 臺，總價(jià)一百多萬(wàn)元。為提高能源利用效率．選擇更為節能適用的產(chǎn)品，是采購人員的節能工作的重點(diǎn)。
1 概述
公司擁有二套 4 萬(wàn)噸/年苯酐裝置，一套已投產(chǎn) 4 年，一套在建，苯酐生產(chǎn)中副產(chǎn)高能級蒸汽，經(jīng)過(guò)過(guò)熱和各級減壓，蒸汽在裝置中不僅驅動(dòng)動(dòng)力設備，還提供換熱器熱源和供熔鹽、苯酐管線(xiàn)伴熱。通過(guò)對蒸汽的合理利用，國際先進(jìn)的苯酐裝置為負能耗。公司苯酐裝置總體擁有上萬(wàn)米的各類(lèi)管線(xiàn)，其中各級蒸汽與回凝管線(xiàn)長(cháng)度超過(guò)總長(cháng)度的一半。廣泛使用的一個(gè)個(gè)疏水閥作為蒸汽管網(wǎng)中的一個(gè)環(huán)節，對苯酐工藝裝置的穩定運行和節能降耗至關(guān)重要，在精益生產(chǎn)中扮演了重要角色。疏水閥的合理選型是良好應用的基礎。本文結合自己的本職工作和苯酐一期工程實(shí)際使用情況，探討換熱器大負荷高壓力疏水閥的選用，并對二期工程中數量較大的伴熱用疏水閥進(jìn)一步優(yōu)化采購選型，以降低能耗。
2 疏水閥的分類(lèi)與工作原理
疏水閥按工作原理一般可分為三種類(lèi)型：機械型、熱靜力型、熱動(dòng)力型。還有目前越來(lái)越廣泛使用的泵式疏水閥。
機械型常見(jiàn)有浮筒式、倒吊桶式、先導式、杠桿浮球式、自由浮球式，都是利用蒸汽和凝結水的密度差。允許的背壓高，可靠、動(dòng)作間隔時(shí)間短。
熱靜力型常見(jiàn)有波紋管式、雙金屬式、金屬溫調式、可調恒溫式，利用蒸汽與金屬的溫度差，允許的背壓中等，較可靠、動(dòng)作間隔時(shí)間長(cháng)。
熱動(dòng)力型主要有孔板式、園盤(pán)式，利用蒸汽與凝結水的熱力學(xué)特性，允許的背壓低，較可靠、動(dòng)作間隔時(shí)間較長(cháng)。
3 苯酐裝置一期換熱器所用疏水閥使用情況與選型
3.1 一期換熱器所用疏水閥使用情況
一期苯酐裝置自產(chǎn)蒸汽，其蒸汽系統由 6.0MPa 過(guò)熱蒸汽降至 6.0MPa、2.0MPa、0.6MPa、0.3MPa 飽和蒸汽到各用戶(hù)使用，各級凝液回收經(jīng)閃蒸到下一級管網(wǎng)，逐級減壓。由于管網(wǎng)較小，用戶(hù)之間的使用波動(dòng)會(huì )有一定的相互影響。要求每個(gè)用戶(hù)盡可能保持平穩。裝置上有大半的蒸汽為幾個(gè)大的用戶(hù)所使用，其中有汽輪機、各類(lèi)換熱器。因此首先考慮確保大用戶(hù)的蒸汽凝液系統良好，其關(guān)鍵是疏水閥是否良好�，F以最大的換熱器用戶(hù)為例分析其疏水閥的特點(diǎn)與使用。
位號為 ST-E2109a/b 的 2 個(gè)并列安裝的疏水閥．用于熱油加熱器的冷凝液疏水。熱油加熱器出口溫度為關(guān)鍵控制指標。該換熱設備溫度控制要求高，必須保持在加熱設備中不能積存凝結水，只要有水就得排，最好選擇能排飽和水的機械型疏水閥。因為它是有水就排的疏水閥，能及時(shí)消除設備中因積水造成的不良后果，迅速提高和保證設備所要求的加熱效率。
3.2 熱油加熱器的冷凝液疏水閥的選擇
1) 設計參數
疏水閥的設計參數見(jiàn)《表 1》
| 管道工程直徑 DN | 介質(zhì) | 冷凝液負荷 | 安全系數 | 排放量（正常/最大）kg/h | 操作壓力 MPa | 操作溫度 ℃ | 背壓 MPa | 最小操作壓力 MPa | 設計壓力 MPa | 設計溫度 ℃ | 連結端型式 | 連接法蘭標準 | 法蘭密封面型式 | 法蘭密封面粗糙度 | 閥體材質(zhì) | 閥芯材質(zhì) | 法蘭材質(zhì) | 檢驗與試驗水壓試驗 MPa | 安裝方式 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 50 | 高壓冷凝液 | 3360 | 2 | 6720 | 6.0 | 276 | 2.5 | 3.5 | 6.8 | 310 | 法蘭 | HG20596 PN10.0 | RF | Ra3.2 | WCB | 不銹鋼 | 同閥體 | 15.0 | 立式安裝 |
2) 選擇疏水閥
如前所述，此處的疏水閥最好選機械型。
● 計算最高背壓率：因為最高背壓率為疏水閥在最高工作壓力下能正常動(dòng)作的基本條件，所以要先計算最高背壓。最高背壓率=最高背壓/操作壓力×100%，由《表 1》計算出最高背壓率為 15%。一般機械型疏水閥背壓率不小于 80%，都能滿(mǎn)足。
● 型式選擇：由于設計參數要求其壓力等級下的冷凝液負荷量較大，國產(chǎn)的只有某知名品牌可以選到一款先導式。進(jìn)口產(chǎn)品可選到倒吊桶式和浮球式。但國產(chǎn)設備實(shí)際壽命達不到國標要求的 8000 小時(shí)，故原國產(chǎn)疏水閥日常備件采購數量不少。若不及時(shí)更換將影響苯酐產(chǎn)品的收率、能耗和運行費用。并且操作壓力、操作溫度較高、背壓高、排量大，使用壽命要求高，因此考慮采用進(jìn)口浮球或倒吊桶疏水器。浮球疏水器的閥孔在下部，倒吊桶的閥孔在上部。倒吊桶式疏水閥能在蒸汽進(jìn)入倒吊桶內，使桶浮起來(lái)，關(guān)閉閥孔。凝結水進(jìn)入疏水閥改變桶受到的浮力，使其下沉，打開(kāi)疏水閥孔放出凝結水，在蒸汽溫度下可以連續排放不凝性氣體。且閥座閥頭等易磨損處采用高鉻不銹鋼研磨而成，增加了耐蝕和耐磨性，使用壽命長(cháng)。因此在進(jìn)口浮球式價(jià)格與倒吊桶式價(jià)格相近時(shí)，我們考慮選擇進(jìn)口倒吊桶疏水閥。
● 型號選擇：由倒吊桶疏水閥系列型號《表 2》，根據設計要求的安裝方式、最大壓差、最大排量選擇 400 系列。
| 系列 | 材質(zhì) | 安裝方式 | 最大壓差 MPa | 最大排量 kg/h |
|---|---|---|---|---|
| 880 | 鑄鐵 | 水平 | 1.7 | 2000 |
| 814-816 | 鑄鐵 | 水平 | 1.7 | 9072 |
| 980 | 鑄鋼 | 水平 | 4.1 | 2000 |
| 400 | 鉻鉬鍛鋼 | 垂直安裝 | 6.9 | 9072 |
● 400 系列查排量表，式樣如下，按壓差值選斜線(xiàn)，核對排量值符合要求，即為可選的系列，在 413、416、415 三個(gè)表中選出 416 為合適系列。
● 驗證材質(zhì)要求，系列內溫度壓力連接尺寸的詳細選擇：按設計要求由《表 3》、《表 4》最終驗證選出采購型號為 416 可行。
| 型號 | 受壓部件在相應溫度下的最大允許壓力 MPa | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| -28~343℃ | 371℃ | 399℃ | 427℃ | 454℃ | 482℃ | |
| 413 | 8.27 | 8.27 | 8.27 | 8.27 | 7.24 | 5.38 |
| 415 | 7.58 | 7.58 | 7.58 | 7.58 | 7.45 | 6.65 |
| 416 | 11.72 | 11.72 | 11.72 | 11.44 | 9.31 | 6.83 |
| 型號 | 413 | 415 | 416 |
|---|---|---|---|
| 管道連接 mm | 15,20,25 | 25,32,40 | 40,50 |
3.3 倒吊桶疏水閥系列 416 型號主要參數見(jiàn)《表 5》
| 管道工程直徑 DN | 介質(zhì) | 冷凝液負荷 | 安全系數 | 排放量（正常/最大）kg/h | 操作壓力 MPa | 操作溫度 ℃ | 背壓 MPa | 最小操作壓力 MPa | 設計溫度 343℃下的最大允許壓力 MPa | 檢驗與試驗水壓試驗 MPa | 安裝方式 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 50 | 高壓冷凝液 | 3360 | 2.38 | 8000 | 6.0 | 276 | 2.55 | 0.12 | 11.7 | 15.0 | 立式安裝 |
材質(zhì)：
閥體：鍛鋼 ASTM Al82 F22 Class3
內件：304
閥座閥瓣：17-4PH 或 440F
該型號的疏水閥完全滿(mǎn)足設計的要求。一期現在使用的就是該型號的產(chǎn)品。目前已使用 5 年，總體使用情況良好。
4 伴熱疏水閥二期苯酐的優(yōu)化選型
苯酐一期裝置上使用的伴熱疏水閥多，是公司內單套裝置使用疏水閥最多的裝置。由于苯酐介質(zhì)熔點(diǎn)高達 130℃，粗制苯酐與精制苯酐工藝都為液態(tài)工況操作，苯酐管線(xiàn)大多為夾套蒸汽伴熱。苯酐裝置蒸汽冷凝液管幾根到十幾根并列豎線(xiàn)布置成一個(gè)凝液站，裝置內多達二十余個(gè)凝液站，成為裝置的特色。一期工程中使用的是雙金屬型疏水閥，由于其結構小巧緊湊，在配管布置上顯得十分美觀(guān)，占地較小，查找方便。蒸汽采用 6bar-8bar 飽和蒸汽，凝液回收進(jìn)一步利用。這種疏水閥多達 300 余只，管線(xiàn)凝液量平均 3.0t/h。蒸汽的有效伴熱對穩定生產(chǎn)十分重要。而伴熱的效果直接與疏水閥的使用效果相關(guān)，但伴熱管線(xiàn)疏水閥使用狀況一直不理想，伴熱管線(xiàn)存水，管道溫度提不上去。如果苯酐發(fā)生凝固，將導致堵管而引起停車(chē)。業(yè)內有統計，由于管線(xiàn)伴熱不良造成部分或某一管線(xiàn)堵管而引起裝置停車(chē)的比例不低。
分析其原因，雙金屬疏水閥的背壓率按國標要求 >50%，系統實(shí)際的背壓率達 80% 以上。一期使用的是國內知名產(chǎn)品，但其背壓率不超過(guò) 60%。國內其他廠(chǎng)的產(chǎn)品普遍背壓率在 50~60% 之間。因此雙金屬疏水閥不適合本裝置的實(shí)際需求。
二期對這部分伴熱疏水閥進(jìn)行了重新選型，在參考制造廠(chǎng)疏水閥參數與價(jià)格后，調整了最終的選型。以下以位號 ST-201 閥為例，說(shuō)明選型的過(guò)程：
4.1 位號 ST-201 的設計條件
位號 ST-201 的設計條件見(jiàn)《表 6》
| 公稱(chēng)直徑 | DN25 |
|---|---|
| 介質(zhì) | 低壓冷凝液 |
| 所在位置 | 管線(xiàn)，任意角度安裝 |
| 冷凝液負荷 kg/h | 80 |
| 排放量（正常、最大）kg/h | 240 |
| 操作壓力 MPa | 0.6 |
| 操作溫度 ℃ | 164 |
| 背壓 MPa | 0.5 |
| 最小壓差 MPa | 0.1 |
| 設計壓力 MPa | 0.9 |
| 設計溫度 ℃ | 200 |
| 連接端 | 法蘭 HG20956 RF 材質(zhì)同閥體 |
| 材質(zhì) | 閥體：WCB ，閥芯：不銹鋼 |
4.2 制造廠(chǎng)的方案對比
選了三個(gè)制造廠(chǎng)的方案進(jìn)行比較，如《表 7》所示：
| 制造廠(chǎng)方案一（國產(chǎn)） | 制造廠(chǎng)方案二（進(jìn)口） | 制造廠(chǎng)方案三（進(jìn)口） | |
|---|---|---|---|
| 選型 | 單杠桿浮球 | 熱靜力膜盒 | 倒吊桶 |
| 背壓 | 允許背壓率 90% | 允許壓差 0.1MPa | 允許壓差 0.2MPa |
| 排量 kg/h | 240 | 240 | 370 |
| 價(jià)格 元 | 2142 | 1410 | 1235 |
| 安裝 | 垂直 | 任意角度安裝 | 任意角度安裝 |
| 連接口徑 | 同設計 | 同設計 | 同設計 |
| 材質(zhì) | 同設計 | 內置過(guò)濾器及止回閥哈氏合金膜盒，其他同設計 | 同設計 |
從《表 6》、《表 7》可以看出，對背壓滿(mǎn)足情況較好的是前兩個(gè)方案，但是方案一的價(jià)格昂貴，體積也相對較大。最終在二期工程上我們對選型上做了重新調整，將所有雙金屬片改為膜盒式疏水閥。進(jìn)口膜盒式疏水閥在外形尺寸上與雙金屬型相同，能互換，并且具有下列特點(diǎn)，克服了雙金屬型存在背壓低的問(wèn)題，性?xún)r(jià)比較好：
- 反應靈敏，特性跟蹤飽和曲線(xiàn)
- 高背壓不影響功能
- 膜盒抗腐蝕不受水錘影響
- 不受環(huán)境溫度和大氣影響
- 內置過(guò)濾器和止回閥
- 無(wú)石棉閥蓋墊片（石墨或 GrNi）
具體配置為，內置過(guò)濾器及止回閥，碳鋼閥體，不銹鋼主件，哈氏合金膜盒，產(chǎn)品設計壽命 5 年。
對二期工程的節能經(jīng)濟預期為，0.3MPa 的蒸汽價(jià)格假定為 90 元/噸，有效回收蒸汽可減少浪費每月 18 萬(wàn)元，每年減少損失 216 萬(wàn)元。最終驗證有待裝置的投產(chǎn)檢驗。如果使用情況較好，在適當的時(shí)候對一期裝置伴熱管線(xiàn)進(jìn)行改造，將進(jìn)一步優(yōu)化一期的疏水閥配置。
5 結論
抓住苯酐裝置實(shí)現負能耗的蒸汽系統節能重點(diǎn)，通過(guò)著(zhù)重探討大負荷高壓疏水閥的選型過(guò)程和大量使用的伴熱疏水閥的優(yōu)化選擇，對各種型式疏水閥的對比，對國產(chǎn)進(jìn)口同類(lèi)產(chǎn)品的綜合比較，結合一期裝置疏水閥的實(shí)際運用經(jīng)驗，苯酐二期項目疏水閥選型較一期總體優(yōu)化，并預期有明顯收益。