上海滬工閥門廠（集團(tuán)）有限公司
摘要：通過對(duì)疏水閥各種型式技術(shù)性能特點(diǎn)對(duì)比分析，結(jié)合苯酐一期工程實(shí)際使用情況，探討換熱器大負(fù)荷高壓力疏水閥的選用，在二期工程中對(duì)數(shù)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(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(xué)發(fā)展觀的落實(shí)和循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國家和上海市比以往更加強(qiáng)調(diào)節(jié)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(yán)格管理，不斷細(xì)化各個(gè)生產(chǎn)裝置消耗的具體指標(biāo)。采購的蒸汽疏水閥遍布公司各個(gè)裝置與管廊。除去項(xiàng)目建設(shè)外，2006 年 - 2008 年備件采購量就多達(dá) 1694 臺(tái)，總價(jià)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(diǎn)。
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(jí)蒸汽，經(jīng)過過熱和各級(jí)減壓，蒸汽在裝置中不僅驅(qū)動(dòng)動(dòng)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(duì)蒸汽的合理利用，國際先進(jìn)的苯酐裝置為負(fù)能耗。公司苯酐裝置總體擁有上萬米的各類管線，其中各級(jí)蒸汽與回凝管線長度超過總長度的一半。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(jié)，對(duì)苯酐工藝裝置的穩(wěn)定運(yùn)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(shí)際使用情況，探討換熱器大負(fù)荷高壓力疏水閥的選用，并對(duì)二期工程中數(shù)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 疏水閥的分類與工作原理
疏水閥按工作原理一般可分為三種類型：機(jī)械型、熱靜力型、熱動(dòng)力型。還有目前越來越廣泛使用的泵式疏水閥。
機(jī)械型常見有浮筒式、倒吊桶式、先導(dǎo)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(dòng)作間隔時(shí)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(dòng)作間隔時(shí)間長。
熱動(dòng)力型主要有孔板式、園盤式，利用蒸汽與凝結(jié)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。
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(jí)凝液回收經(jīng)閃蒸到下一級(jí)管網(wǎng)，逐級(jí)減壓。由于管網(wǎng)較小，用戶之間的使用波動(dòng)會(huì)有一定的相互影響。要求每個(gè)用戶盡可能保持平穩(wěn)。裝置上有大半的蒸汽為幾個(gè)大的用戶所使用，其中有汽輪機(jī)、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(diǎn)與使用。
位號(hào)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(biāo)。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(jī)械型疏水閥。因?yàn)樗怯兴团诺氖杷y，能及時(shí)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(jì)參數(shù)
疏水閥的設(shè)計(jì)參數(shù)見《表 1》
| 管道工程直徑 DN | 介質(zhì) | 冷凝液負(fù)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(jì)壓力 MPa | 設(shè)計(jì)溫度 ℃ | 連結(jié)端型式 | 連接法蘭標(biāo)準(zhǔn) | 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(yàn)與試驗(yàn)水壓試驗(yàn) 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(jī)械型。
● 計(jì)算最高背壓率：因?yàn)樽罡弑硥郝蕿槭杷y在最高工作壓力下能正常動(dòng)作的基本條件，所以要先計(jì)算最高背壓。最高背壓率=最高背壓/操作壓力×100%，由《表 1》計(jì)算出最高背壓率為 15%。一般機(jī)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(jì)參數(shù)要求其壓力等級(jí)下的冷凝液負(fù)荷量較大，國產(chǎn)的只有某知名品牌可以選到一款先導(dǎo)式。進(jìn)口產(chǎn)品可選到倒吊桶式和浮球式。但國產(chǎn)設(shè)備實(shí)際壽命達(dá)不到國標(biāo)要求的 8000 小時(shí)，故原國產(chǎn)疏水閥日常備件采購數(shù)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(yùn)行費(fèi)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(nèi)，使桶浮起來，關(guān)閉閥孔。凝結(jié)水進(jìn)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(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(hào)選擇：由倒吊桶疏水閥系列型號(hào)《表 2》，根據(jù)設(shè)計(jì)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(duì)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(yàn)證材質(zhì)要求，系列內(nèi)溫度壓力連接尺寸的詳細(xì)選擇：按設(shè)計(jì)要求由《表 3》、《表 4》最終驗(yàn)證選出采購型號(hào)為 416 可行。
| 型號(hào) | 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(hào) | 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(hào)主要參數(shù)見《表 5》
| 管道工程直徑 DN | 介質(zhì) | 冷凝液負(fù)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(jì)溫度 343℃下的最大允許壓力 MPa | 檢驗(yàn)與試驗(yàn)水壓試驗(yàn) 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(hào)的疏水閥完全滿足設(shè)計(jì)的要求。一期現(xiàn)在使用的就是該型號(hào)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(diǎn)高達(dá) 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(gè)凝液站，裝置內(nèi)多達(dá)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(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(jìn)一步利用。這種疏水閥多達(dá) 300 余只，管線凝液量平均 3.0t/h。蒸汽的有效伴熱對(duì)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(dǎo)致堵管而引起停車。業(yè)內(nèi)有統(tǒng)計(jì)，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(biāo)要求 >50%，系統(tǒng)實(shí)際的背壓率達(dá) 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(shí)際需求。
二期對(duì)這部分伴熱疏水閥進(jìn)行了重新選型，在參考制造廠疏水閥參數(shù)與價(jià)格后，調(diào)整了最終的選型。以下以位號(hào) ST-201 閥為例，說明選型的過程：
4.1 位號(hào) ST-201 的設(shè)計(jì)條件
位號(hào) ST-201 的設(shè)計(jì)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(fù)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(jì)壓力 MPa | 0.9 |
| 設(shè)計(jì)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(duì)比
選了三個(gè)制造廠的方案進(jìn)行比較，如《表 7》所示：
| 制造廠方案一（國產(chǎn)） | 制造廠方案二（進(jìn)口） | 制造廠方案三（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(shè)計(jì) | 同設(shè)計(jì) | 同設(shè)計(jì) |
| 材質(zhì) | 同設(shè)計(jì) | 內(nèi)置過濾器及止回閥哈氏合金膜盒，其他同設(shè)計(jì) | 同設(shè)計(jì) |
從《表 6》、《表 7》可以看出，對(duì)背壓滿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(duì)較大。最終在二期工程上我們對(duì)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(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題，性價(jià)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(jì)壽命 5 年。
對(duì)二期工程的節(jié)能經(jīng)濟(jì)預(yù)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(fèi)每月 18 萬元，每年減少損失 216 萬元。最終驗(yàn)證有待裝置的投產(chǎn)檢驗(yàn)。如果使用情況較好，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候?qū)σ黄谘b置伴熱管線進(jìn)行改造，將進(jìn)一步優(yōu)化一期的疏水閥配置。
5 結(jié)論
抓住苯酐裝置實(shí)現(xiàn)負(fù)能耗的蒸汽系統(tǒng)節(jié)能重點(diǎn)，通過著重探討大負(fù)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(duì)各種型式疏水閥的對(duì)比，對(duì)國產(chǎn)進(jìn)口同類產(chǎn)品的綜合比較，結(jié)合一期裝置疏水閥的實(shí)際運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，苯酐二期項(xiàng)目疏水閥選型較一期總體優(yōu)化，并預(yù)期有明顯收益。