探討了乙烯項(xiàng)目熱電聯(lián)產(chǎn)裝置高壓鍋爐給水泵起最小流量保護(hù)作用的國(guó)產(chǎn)自控回流閥在開工生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的振動(dòng)問(wèn)題，通過(guò)理論計(jì)算結(jié)合實(shí)際解體檢查情況分析了故障原因，并以此為依據(jù)提出了相應(yīng)的改進(jìn)方案。

1、概述

　　中石化武漢分公司80 萬(wàn)t /年乙烯裝置( 武漢乙烯，后同) 是國(guó)內(nèi)新建的大型乙烯項(xiàng)目之一，是以乙烯制造為主導(dǎo)產(chǎn)品，以裂解汽油加氫、丁二烯抽提、芳烴抽提、高密度聚乙烯及線性低密度聚乙烯等工藝裝置和配套聯(lián)合生產(chǎn)的綜合型項(xiàng)目。熱電聯(lián)產(chǎn)裝置是武漢乙烯配套建設(shè)的重要裝置之一，共設(shè)置3 臺(tái)360t /h 循環(huán)流化床( CFB) 鍋爐，不僅為乙烯裝置生產(chǎn)提供超高壓、高壓以及中壓蒸汽，還根據(jù)蒸汽平衡，合理利用高品位的蒸汽發(fā)電，以節(jié)約能源并為乙烯裝置提供必要的電力。真空技術(shù)網(wǎng)(http://shengya888.com/)根據(jù)總體設(shè)計(jì)，熱電聯(lián)產(chǎn)裝置設(shè)計(jì)運(yùn)行時(shí)間為8kh / 年。

2、系統(tǒng)介紹

　　熱電聯(lián)產(chǎn)裝置共設(shè)置3 臺(tái)CFB 鍋爐，供水用高壓鍋爐給水泵為三開一備。鍋爐給水設(shè)計(jì)壓力泵出口壓力為20. 6MPa。采用了自控回流閥用于最小流量保護(hù)，閥門安裝在泵出口，泵閥具體工況如表1所示，整體系統(tǒng)組成如圖1 所示。

表1 泵閥工況數(shù)據(jù)

　　自控回流閥是一種自力式的三通式閥門，其主路敏感工藝流量，隨主路流量調(diào)整止回閥瓣開度，并自行控制旁路的開閉，以保證泵出流量在任何時(shí)間均不低于其最小需求流量。閥門為3 種工作狀態(tài)。

　　(1) 旁路狀態(tài)主路為完全關(guān)閉，止回閥防止主路介質(zhì)倒流回泵，旁路通過(guò)多級(jí)減壓結(jié)構(gòu)保證系統(tǒng)即管道內(nèi)無(wú)汽蝕出現(xiàn)。

　　(2) 主路狀態(tài)旁路為完全關(guān)閉，旁路在高壓差下實(shí)現(xiàn)可靠密封，主路止回閥根據(jù)流量需求自行調(diào)整開高。

　　(3) 切換狀態(tài)主、旁路均完全開啟，由于工藝需求流量低于泵的最小需求流量，因此需要旁路部分開啟以補(bǔ)足剩余流量，此狀態(tài)為自控回流閥最苛刻的運(yùn)行狀態(tài)。

圖1 鍋爐給水泵最小流量保護(hù)系統(tǒng)

3、問(wèn)題分析

　　為了節(jié)省乙烯項(xiàng)目蒸汽管網(wǎng)的吹掃時(shí)間并保證吹掃效果，該項(xiàng)目采用了蓄能降壓和穩(wěn)壓相結(jié)合的吹掃方式。蓄能降壓時(shí)所需鍋爐流量為2min 內(nèi)從20t /h 快速增加至200t /h，因此自控回流閥工作處于不斷的快速切換狀態(tài)。裝置運(yùn)行后，1 號(hào)泵和4號(hào)泵的旁路先后出現(xiàn)劇烈振動(dòng)的現(xiàn)象，具體表現(xiàn)為當(dāng)工藝需求流量降低至140t /h 時(shí)，旁路管線開始振動(dòng)，閥內(nèi)產(chǎn)生錘擊音，繼續(xù)降低流量則振動(dòng)加劇，整個(gè)設(shè)備運(yùn)行處于危險(xiǎn)狀態(tài)，高于此流量振動(dòng)消失。自控回流閥的旁路通過(guò)引入多級(jí)減壓結(jié)構(gòu)，使得系統(tǒng)壓力在每一級(jí)上均勻降低，從而使任意一級(jí)縮流斷面處的壓力均不低于當(dāng)?shù)仫柡驼羝麎海瑥亩�避免閥內(nèi)汽蝕的發(fā)生( 圖2) 。

　　多級(jí)減壓結(jié)構(gòu)是否滿足工況設(shè)計(jì)可由需求壓力恢復(fù)系數(shù)表示。壓力恢復(fù)系數(shù)定義為

　　式中Pvc為閥門產(chǎn)生阻塞流時(shí)縮流斷面的壓力( 最低壓力) ，其與飽和蒸汽壓Pv的關(guān)系為

　　式中FF為液體臨界壓力比系數(shù)，這是一個(gè)與液體特性有關(guān)的無(wú)量綱數(shù)

　　式中Pv和Pc分別為介質(zhì)的飽和蒸汽壓和熱力學(xué)臨界壓力。在本文討論的范圍內(nèi)，前者是溫度的單值函數(shù)，后者完全是常量。已知所用自控回流閥的旁路壓力恢復(fù)系數(shù)為0. 997，將運(yùn)行期間的冷熱態(tài)工況代入式( 1) ～ ( 3) ，得出不同工況下的需求壓力恢復(fù)系數(shù)( 表2) 。

表2 不同工況下壓力恢復(fù)系數(shù)需求對(duì)比

圖2 多級(jí)減壓防汽蝕原理

　　分析結(jié)果得出，自控回流閥旁路并未達(dá)到阻塞流工況，排除了汽蝕引起振動(dòng)的可能性。為進(jìn)一步解決問(wèn)題，對(duì)自控回流閥旁路進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)分解。結(jié)果表明，自控回流閥旁路多級(jí)減壓閥芯( 圖3) 無(wú)汽蝕現(xiàn)象。但是，用于隔絕高低壓腔的活塞動(dòng)密封完全失效，活塞及控制器蓋出現(xiàn)較嚴(yán)重的沖蝕痕跡( 圖4) 。初步確定振動(dòng)故障是由動(dòng)密封失效引起。動(dòng)密封失效后，高壓介質(zhì)經(jīng)由活塞與控制器蓋的配合間隙進(jìn)入，在局部形成阻塞流，沖蝕零件并誘發(fā)局部汽蝕，從而引起旁路閥腔的壓力振蕩，進(jìn)一步引發(fā)旁路閥芯反復(fù)竄動(dòng)，而引起系統(tǒng)振動(dòng)。

4、改進(jìn)分析

　　經(jīng)了解，該閥門活塞動(dòng)密封處由梯形硬環(huán)和O形圈形成的組合密封( 圖5) ，可以兼具O 形圈的可靠和PTFE 硬環(huán)的低摩阻特點(diǎn)，且適用于雙向密封，可以應(yīng)用于相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度小于15m /s 的動(dòng)密封場(chǎng)合。GLYD 圈的具體使用一般是給定的溝槽尺寸及孔桿配合尺寸，由成品安裝。分析認(rèn)為，該溝槽尺寸不合理是導(dǎo)致故障的主要原因。

(a) 多級(jí)閥芯(b) 多級(jí)閥座

圖3 自控回流閥旁路分解

圖4 活塞動(dòng)密封失效

圖5 GLYD 圈密封機(jī)理

　　圖6( a) 為改進(jìn)前活塞動(dòng)密封結(jié)構(gòu)。活塞軸部溝槽為GLYD 圈安裝位置，其中缸孔與活塞桿的配合間隙按GLYD 圈推薦值設(shè)置，在20MPa 壓力時(shí)為0. 3mm。活塞由于受到左端杠桿的作用，使得活塞頭部始終存在向上分力，進(jìn)而導(dǎo)致活塞與缸孔的間隙配合向上偏移，此時(shí)GLYD 圈上下兩側(cè)間隙不均等，一側(cè)幾乎為0，而另一側(cè)則可達(dá)0. 5 ～ 0. 6mm，在此壓力下，GLYD 圈硬環(huán)本身容易被擠出，加之實(shí)際吹掃工況旁路動(dòng)作較為頻繁，使得作為消耗品的GLYD 圈硬環(huán)加劇磨損，最終從該處出現(xiàn)泄漏，產(chǎn)生局部汽蝕。

　　活塞動(dòng)密封配合結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，將孔桿配合間隙改為H8 /f7 等級(jí)，將GLYD 圈溝槽位置后移，進(jìn)一步減小杠桿力引起的兩側(cè)間隙不均等效應(yīng)，改進(jìn)后結(jié)構(gòu)如圖6( b) 。

(a) 改進(jìn)前(b) 改進(jìn)后

圖6 活塞動(dòng)密封配合結(jié)構(gòu)

5、結(jié)語(yǔ)

　　通過(guò)對(duì)自控回流閥運(yùn)行的機(jī)理分析及旁路受力分析，確定了鍋爐給水泵系統(tǒng)振動(dòng)故障的原因，在此基礎(chǔ)上對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了局部改進(jìn)，同時(shí)對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行了備用處理，以確保熱電裝置的長(zhǎng)周期正常運(yùn)行。近期試車結(jié)果表明改進(jìn)手段合理，自控回流閥運(yùn)行可靠，可有效地實(shí)現(xiàn)鍋爐給水泵的最小流量保護(hù)。在熱電聯(lián)產(chǎn)裝置的可靠運(yùn)行保證下，武漢乙烯項(xiàng)目已投料成功，未發(fā)生同類問(wèn)題，取得了較好的結(jié)果。