上海滬工閥門廠（集團）有限公司
摘要：通過對疏水閥各種型式技術(shù)性能特點對比分析，結(jié)合苯酐一期工程實際使用情況，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(shù)量較大的伴熱用疏水閥進一步優(yōu)化及采購選型以降低能耗。
關(guān)鍵詞：節(jié)能降耗；疏水閥；背壓率；雙金屬型；倒吊捅型；苯酐裝置
近些年隨著科學發(fā)展觀的落實和循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展，國家和上海市比以往更加強調(diào)節(jié)能工作的具體落實。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裝置與管廊。除去項目建設(shè)外，2006 年 - 2008 年備件采購量就多達 1694 臺，總價一百多萬元。為提高能源利用效率．選擇更為節(jié)能適用的產(chǎn)品，是采購人員的節(jié)能工作的重點。
1 概述
公司擁有二套 4 萬噸/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)過過熱和各級減壓，蒸汽在裝置中不僅驅(qū)動動力設(shè)備，還提供換熱器熱源和供熔鹽、苯酐管線伴熱。通過對蒸汽的合理利用，國際先進的苯酐裝置為負能耗。公司苯酐裝置總體擁有上萬米的各類管線，其中各級蒸汽與回凝管線長度超過總長度的一半。廣泛使用的一個個疏水閥作為蒸汽管網(wǎng)中的一個環(huán)節(jié)，對苯酐工藝裝置的穩(wěn)定運行和節(jié)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(yīng)用的基礎(chǔ)。本文結(jié)合自己的本職工作和苯酐一期工程實際使用情況，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(shù)量較大的伴熱用疏水閥進一步優(yōu)化采購選型，以降低能耗。
2 疏水閥的分類與工作原理
疏水閥按工作原理一般可分為三種類型：機械型、熱靜力型、熱動力型。還有目前越來越廣泛使用的泵式疏水閥。
機械型常見有浮筒式、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(jié)水的密度差。允許的背壓高，可靠、動作間隔時間短。
熱靜力型常見有波紋管式、雙金屬式、金屬溫調(diào)式、可調(diào)恒溫式，利用蒸汽與金屬的溫度差，允許的背壓中等，較可靠、動作間隔時間長。
熱動力型主要有孔板式、園盤式，利用蒸汽與凝結(jié)水的熱力學特性，允許的背壓低，較可靠、動作間隔時間較長。
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(tǒng)由 6.0MPa 過熱蒸汽降至 6.0MPa、2.0MPa、0.6MPa、0.3MPa 飽和蒸汽到各用戶使用，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，用戶之間的使用波動會有一定的相互影響。要求每個用戶盡可能保持平穩(wěn)。裝置上有大半的蒸汽為幾個大的用戶所使用，其中有汽輪機、各類換熱器。因此首先考慮確保大用戶的蒸汽凝液系統(tǒng)良好，其關(guān)鍵是疏水閥是否良好。現(xiàn)以最大的換熱器用戶為例分析其疏水閥的特點與使用。
位號為 ST-E2109a/b 的 2 個并列安裝的疏水閥．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(shè)備溫度控制要求高，必須保持在加熱設(shè)備中不能積存凝結(jié)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，能及時消除設(shè)備中因積水造成的不良后果，迅速提高和保證設(shè)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(shè)計參數(shù)
疏水閥的設(shè)計參數(shù)見《表 1》
| 管道工程直徑 DN | 介質(zhì) | 冷凝液負荷 | 安全系數(shù) | 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(shè)計壓力 MPa | 設(shè)計溫度 ℃ | 連結(jié)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%，都能滿足。
● 型式選擇：由于設(shè)計參數(shù)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。進口產(chǎn)品可選到倒吊桶式和浮球式。但國產(chǎn)設(shè)備實際壽命達不到國標要求的 8000 小時，故原國產(chǎn)疏水閥日常備件采購數(shù)量不少。若不及時更換將影響苯酐產(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入倒吊桶內(nèi)，使桶浮起來，關(guān)閉閥孔。凝結(jié)水進入疏水閥改變桶受到的浮力，使其下沉，打開疏水閥孔放出凝結(jié)水，在蒸汽溫度下可以連續(xù)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。因此在進口浮球式價格與倒吊桶式價格相近時，我們考慮選擇進口倒吊桶疏水閥。
● 型號選擇：由倒吊桶疏水閥系列型號《表 2》，根據(jù)設(shè)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，核對排量值符合要求，即為可選的系列，在 413、416、415 三個表中選出 416 為合適系列。
● 驗證材質(zhì)要求，系列內(nèi)溫度壓力連接尺寸的詳細選擇：按設(shè)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(yīng)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(shù)見《表 5》
| 管道工程直徑 DN | 介質(zhì) | 冷凝液負荷 | 安全系數(shù) | 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(shè)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(nèi)件：304
閥座閥瓣：17-4PH 或 440F
該型號的疏水閥完全滿足設(shè)計的要求。一期現(xiàn)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(nèi)單套裝置使用疏水閥最多的裝置。由于苯酐介質(zhì)熔點高達 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布置成一個凝液站，裝置內(nèi)多達二十余個凝液站，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(jié)構(gòu)小巧緊湊，在配管布置上顯得十分美觀，占地較小，查找方便。蒸汽采用 6bar-8bar 飽和蒸汽，凝液回收進一步利用。這種疏水閥多達 300 余只，管線凝液量平均 3.0t/h。蒸汽的有效伴熱對穩(wěn)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)，但伴熱管線疏水閥使用狀況一直不理想，伴熱管線存水，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。業(yè)內(nèi)有統(tǒng)計，由于管線伴熱不良造成部分或某一管線堵管而引起裝置停車的比例不低。
分析其原因，雙金屬疏水閥的背壓率按國標要求 >50%，系統(tǒng)實際的背壓率達 80% 以上。一期使用的是國內(nèi)知名產(chǎn)品，但其背壓率不超過 60%。國內(nèi)其他廠的產(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際需求。
二期對這部分伴熱疏水閥進行了重新選型，在參考制造廠疏水閥參數(shù)與價格后，調(diào)整了最終的選型。以下以位號 ST-201 閥為例，說明選型的過程：
4.1 位號 ST-201 的設(shè)計條件
位號 ST-201 的設(shè)計條件見《表 6》
| 公稱直徑 | DN25 |
|---|---|
| 介質(zhì) | 低壓冷凝液 |
| 所在位置 | 管線，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(shè)計壓力 MPa | 0.9 |
| 設(shè)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 制造廠的方案對比
選了三個制造廠的方案進行比較，如《表 7》所示：
| 制造廠方案一（國產(chǎn)） | 制造廠方案二（進口） | 制造廠方案三（進口） | |
|---|---|---|---|
| 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(shè)計 | 同設(shè)計 | 同設(shè)計 |
| 材質(zhì) | 同設(shè)計 | 內(nèi)置過濾器及止回閥哈氏合金膜盒，其他同設(shè)計 | 同設(shè)計 |
從《表 6》、《表 7》可以看出，對背壓滿足情況較好的是前兩個方案，但是方案一的價格昂貴，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(diào)整，將所有雙金屬片改為膜盒式疏水閥。進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，克服了雙金屬型存在背壓低的問題，性價比較好：
- 反應(yīng)靈敏，特性跟蹤飽和曲線
- 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(nèi)置過濾器和止回閥
- 無石棉閥蓋墊片（石墨或 GrNi）
具體配置為，內(nèi)置過濾器及止回閥，碳鋼閥體，不銹鋼主件，哈氏合金膜盒，產(chǎn)品設(shè)計壽命 5 年。
對二期工程的節(jié)能經(jīng)濟預(yù)期為，0.3MPa 的蒸汽價格假定為 90 元/噸，有效回收蒸汽可減少浪費每月 18 萬元，每年減少損失 216 萬元。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?shù)臅r候?qū)σ黄谘b置伴熱管線進行改造，將進一步優(yōu)化一期的疏水閥配置。
5 結(jié)論
抓住苯酐裝置實現(xiàn)負能耗的蒸汽系統(tǒng)節(jié)能重點，通過著重探討大負荷高壓疏水閥的選型過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)進口同類產(chǎn)品的綜合比較，結(jié)合一期裝置疏水閥的實際運用經(jīng)驗，苯酐二期項目疏水閥選型較一期總體優(yōu)化，并預(yù)期有明顯收益。