关于氢气压缩机氮气卸荷工况引起的气阀故障-阀门分会

关于氢气压缩机氮气卸荷工况引起的气阀故障

更新时间 2010-01-14 已被浏览： 2780

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    事件起因：
    某煤制油加氢稳定装置的进口高压氢压机（共A、B、C、D4台），原配贺尔碧格气阀，三级出口压力高达205bar。2008年10月22日，氮气试车过程中D机发生三级排温过高、连锁停车的情况。现场人员对三级进、排气阀进行了检查，发现进气阀发片表面与卸荷叉接触的地方都有很深的击打痕，有些被卸荷叉完全顶穿，有些阀片在接触部位已经发生断裂（我们对这些现象统称为“窗式损坏”）。看到这种情况，客户又陆续检查了该装置其他几台并列机的三级气阀，发现三级进气阀片都有类似的问题。经统计，由此造成的气阀损坏达13个之多。信息反馈到贺尔碧格（上海）有限公司后，贺尔碧格公司服务人员即刻赶到现场，对阀片损坏情况及压缩机试运行情况进行了详细了解、分析。
    分析与处理：
    阀片发生“窗式损坏”的根本原因是由于阀片在运动过程中经常处于非正常的“半开半闭”的状态，阀片在气流的冲击下频繁与叉脚发生撞击，造成阀片与叉脚接触的地方发生“窗式损坏”。窗式损坏的原因可能有：
    一、膜式气缸与进气阀的相对安装尺寸不匹配。例如，膜式气缸顶杆较长，压缩机在加载运行时，膜式气缸顶杆已将气阀卸荷叉、阀片压下，但又没有完全将阀片顶开，造成阀片与叉脚反复撞击。再比如，膜式气缸顶杆与气阀卸荷叉上部距离过大或顶杆长度较短，当压缩机需要卸载时，膜式气缸在既定的顶杆行程中无法完全将阀片完全压开，从而造成“窗式损坏”。
    二、顶开进气阀所需要的卸荷力大于膜式气缸所能提供的最大卸荷力。所谓顶开进气阀所需要的卸荷力，是指为了保证进气阀在一个压缩机循环中全部保持开启所需的外力，它是由气阀弹簧力、卸荷器的回复弹簧力、顶开阀片时气体回流时气体回流产生的阻力等部分组成。一旦为氢气工况设计的气阀结构确定下来，气阀弹簧力、卸荷器的回复弹簧力都不再变化，但气阀的阻力损失、却与实际的运行工况密切相关。气阀的阻力损失可用以下公式分析：
                                                     ΔP=ξρ*（υ2/2）
                         ρ——介质密度，υ——阀隙气体流速，ξ——阻尼系数
    由上面的公式可以看出，当压缩介质由氢气转为氮气时，由于气体分子量、密度变化了十几倍，气阀阀损也将以同样倍数增加。事实上，氮气工况下其他一些常规性能参数例如气阀弹簧力的匹配、压缩机的气量、排温也将发生显著变化，在此不再赘述。
    基于上述分析，贺尔碧格公司的服务人员首先复核了膜式气缸与进气阀相对安装位置，经现场测量，顶杆长度202.5mm、压阀罩高度297.6mm、气阀SB值54.0mm、气阀GD值148.1mm。测量结果显示，膜式气缸与进气阀相对安装尺寸匹配。
在确认尺寸没有问题后，现场了解到：
    1、压缩机从2008年3、4月份起，陆续在进行氮气试车，试车期间，加、卸载比较频繁，且由于没有充足的氮气，经常需要50%负荷工况运行；
    2、试车期间没有完整的运行记录，只在控制室有电脑历史记录，电脑记录中有一级排压和三级排压。氮气试车最高试到三级排压超过100barG（一级进气压力25barG），氢气试车最高试到约180 barG（一级进气压力29 barG）；
    根据现场试车工况数据及流量平衡原理，我们推算出了氮气工况的级间压力，并在此基础上复核了卸荷力，结果如下：
    i. 当一级进气压力25 barG，三级排气压力100~110 barG的氮气运行时，三级进气阀所需要的卸荷力为37719N。
    ii. 当一级进气压力29 barG，三级排气压力180 barG的氢气运行时，三级进气阀所需的卸荷力为16182N。
    iii. 现场仪表空气压力7.8 barG，膜式气缸所能提供的最大卸荷力为17333N；
    我们发现，氢气工况时的气阀所需的卸荷力（16182N），小于膜式气缸提供的最大卸荷力(17333N)，膜式气缸能满足压缩机的正常卸载。但在氮气工况下，膜式气缸所能提供的最大卸荷力（17333N），远远小于气阀在氮气工况试车所需的卸荷力（37719N），压缩机如果在这种情况下卸载，膜式气缸顶杆将无法完全压开阀片，造成阀片窗式损坏。这可能是三级进气阀片大量损坏的主要原因。
    结论：
    从以上案例可以看出，气阀都是根据特定工况（氢气…）度身定制的。针对氢压机设计的气阀，由于分子量和气体性质与氮气有很大差别，两种介质工况下的气阀性能也有很大差异，除了要校核气阀弹簧力、压缩机排温、耗功、气量等主要指标之外，我们还需要特别关注卸荷力。因此，我们建议客户将氢气压缩机的工况，包括试车工况一起给我们进行设计校核，以便实现气阀的优化设计。如果氮气运行工况较长，建议客户再配一套氮气阀。

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