摘要：中海油氣 (泰州) 石化有限公司 50 000 m³/h 制氫裝置自開工以來，180、182 單元 2 套 PSA 中的程控閥每年都會出現諸多不同原因的故障導致切塔，生產裝置被迫降低負荷甚至停運，影響裝置的正常平穩運行以及各用氫單位的正常生產。文章就兩套 PSA 程控閥出現的各類故障進行展開梳理和分析優化，并提出了改進措施，最大程度降低 PSA 程控閥的故障率，確保 PSA 的正常平穩運行和全廠氫氣管網穩定。

關鍵詞：PSA 程控閥；制氫裝置；石油化工

前言

      中海油氣 (泰州) 石化有限公司運行一部 50 000 m³/h 制氫裝置擁有的兩套 PSA (180 制氫和 182 重整)，均采用四川天一科技股份有限公司開發的變壓吸附氣體分離技術。該技術的實現主要依賴于系統內各程控閥在既定程序的控制下周期性的頻繁開關動作，從而實現原料氣的吸附凈化，并產出純度極高的氫氣，具有高度的自動化、程序化、大型化的特點。因此，PSA 程控閥的穩定性與 PSA 系統的平穩生產息息相關。而隨著制氫裝置長期生產及設備、材料老化，PSA 程控閥逐步開始出現各種不同類型的故障，嚴重影響 PSA 系統的正常穩定運行，導致制氫裝置工藝生產被迫降低負荷，裝置產氫波動，甚至裝置停車等事故，對全廠各用氫裝置產生氫壓波動，影響用氫裝置的穩定生產。

01 PSA 系統工藝原理及流程介紹

      PSA 系統工藝的基本原理就是利用諸多吸附塔內多種吸附劑對不同氣體組分的吸附能力不同以及某種氣體在吸附劑中的吸附量隨著吸附壓力的變化而變化的原理，實現氣體混合物的提純分離與吸附劑的再生循環，即從 PSA 的原料氣中大量吸附多種雜質組分，提純產出合格的氫氣，使其純度大于 99.9%，以滿足其他裝置的工藝用氫要求。再通過降低塔內壓力，使得吸附塔內的吸附劑中的雜質組分脫附析出，吸附劑得到再生，并通過程控閥的開關，使解析氣體經混合罐、緩沖罐后送出。180PSA 產出的解析氣送至轉化爐作為燃料，182PSA 解析氣送至 182K101，經壓縮后送至 180 裝置作生產原料。

      泰州石化制氫和重整 PSA 裝置主程序均采用 10-3-4/P 工藝，即10 個工作塔，3 塔同時吸附，4 次均壓，具體而言就是主要由 10 臺吸附器、2 臺順放罐、1 臺解吸氣緩沖罐、1臺解吸氣混合罐、1臺氣液分離器和 78 臺程控閥組成。在該系統中，任意時間始終保持有 3 臺吸附塔處于吸附步序，每臺吸附器在不同的時間依次經歷吸附 (A)、1 級壓力均降 (E1D)、2 級壓力均降 (E2D)、3 級壓力均降 (E3D)、4 級壓力均降 (E4D)、順放 (PP)、逆向放壓 (D)、沖洗 (P)、4 級壓力均升 (E4R)、3 級壓力均升 (E3R)、2 級壓力均升 (E2R)、1 級壓力均升 (E1R) 和最終充壓 (FR) 等步驟。10 個塔按照廠家設定的程序交替循環運行，時間上互相交錯有序銜接，以此實現原料氣不斷輸入，產品氫不斷輸出的目的。

02 程控閥原理及其簡介

      PSA 系統中的各個步序：吸附、均壓、順放、逆放、沖洗、終充等步驟，整個過程是通過生產廠家編寫的程序在 DCS 系統的控制下，各個不同作用的程控閥自動的周期性開關，切換吸附塔，并調整其內部壓力來實現。由于 PSA 系統內的氣體都具有易燃易爆性質，且每小時的進料量多氣體通過量很大，單個程控閥在一年內最多的需要開關幾十萬次，這種超高頻率的啟閉模式，對閥門性能與制造質量的要求非常高。

      首先，程控閥門的密封性能要好。防止閥門出現外漏及內漏的現象，嚴防出現燃燒或者爆炸事故。其次，程控閥門的開關速度要快。耗用時間應小于3 s，以保證后續程序的順利進行，否則將會出現閥檢報警。若同時伴隨塔壓報警，則 PSA 系統將自動切塔。最后，程控閥門的結構及材料要具有雙向抗壓、抗沖刷、抗腐蝕性的要求。

      程控閥由閥體、執行機構、閥桿、閥芯、閥銷等組成，附件由電磁閥、回訊開關、儀表管線、消音器、過濾器等組成。其控制模式主要是在既定程序的步序控制下，系統輸出 24 V(DC) 開關信號至電磁閥，電磁閥根據信號控制不同氣路的導通，改變該閥執行機構的供風方向，推動執行機構上下動作來實現閥門的開關，進而達到程序繼續運行所需滿足的工藝參數和閥檢信號條件。閥檢信號是由回訊開關模塊發出的，即閥桿頂端安裝有跟隨閥桿上下移動的金屬塊，在閥體頂部閥桿開孔中心旁安裝有感應探頭及防雨罩。該探頭可感應金屬塊的具體位置，反饋閥桿上下移動是否到位，閥門開關是否正常，并可在DCS系統顯示閥檢報警。

03程控閥常見故障

3.1 電磁閥故障 

      電磁閥故障是導致程控閥出現問題的主要原因之一。電磁閥的作用就是將 DCS 的輸出電信號轉化為氣動信號，電磁閥得電后驅動儀表風帶動閥門執行機構實現閥門的開關動作。因此，電磁閥的作用非常關鍵，一旦出現故障，程控閥動作將難以完成，很有可能導致閥門卡澀、開關異常乃至自動切塔，造成生產波動。電磁閥故障常見的是電磁閥串氣或失效，直接導致閥門無法正常開關或開關緩慢。其故障主要原因是儀表風質量差、活塞 O 型圈失效、線圈損壞等，改善方式主要是優化儀表風質量、定期更換電磁閥或密封圈及線圈。同時，加強日常巡檢，發現電磁閥異常情況，及時匯報處理。

3.2 閥檢信號故障 

      閥檢信號故障主要是指 DCS 閥檢顯示與實際閥位開關不一致。當閥檢信號出現故障時，DCS 畫面就會出現閥檢報警，若只是信號故障，不伴隨塔壓偏差報警，則不會自動切塔，即可聯系儀表人員和外操人員到現場檢查處理。閥檢信號故障的常見原因包括閥門回訊探頭松動、閥桿端感應金屬體脫落、閥檢接線不良、反饋回路安全柵損壞、儀表風壓力不足等。處理方式主要是檢查探頭、緊固接線、更換安全柵、提高風壓等。

3.3 執行機構故障

      執行機構包括氣缸、活塞、閥桿、閥芯等部分，閥芯通過螺紋、半圓環、閥銷與閥桿連接，閥桿與活塞桿作為一個整體與位于氣缸內的活塞連接，活塞在儀表風的作用下實現上下移動，從而帶動閥桿及閥芯上下動作，實現閥門的正常開關。程控閥的執行機構作為金屬部件且硬性連接，在經過長期高頻次的動作后，一些受力較大的金屬部件，如閥桿、支撐環、半圓環等，就有會發生磨損變形或疲勞破壞等現象，可能造成閥門卡澀、氣缸串氣、開關不到位，甚至產生閥桿斷裂、閥芯脫落、填料拉傷閥桿外漏等嚴重故障，導致裝置非計劃降負荷乃至停車。處理方式一般只有將故障閥門對應的塔切出，閥門下線拆修，由此帶來不必要的生產波動與額外成本。

3.4 閥門泄漏故障 

      閥門泄漏可分為內漏與外漏，且基本是閥門某處密封件失效導致的。閥門的密封附件主要由橡膠密封圈 (O 形圈、L 形圈) 以及填料、密封片 (PEEK 復合材料、304 復合件) 等組成。程控閥的外漏主要包括閥桿填料泄漏以及閥體泄漏，其中前者最常見。閥桿填料泄漏原因一般是填料老化失效、壓蓋螺栓松動、密封面有雜質磨損失效等。當填料處出現泄漏時，可通過可燃氣報警儀或噴肥皂水冒泡及時發現，對輕微泄漏，可聯系維保人員，通過緊固壓蓋螺栓的方式解決，若未有緩解且有嚴重的趨勢，則可將對應閥門下線，更換填料密封解決。程控閥內漏主要是閥芯內漏，即閥芯與閥座的密封面失效，導致閥門出入口串壓，表現為吸附塔之間壓力互竄，影響吸附塔的正常狀態。在閥門開關過程中，閥芯始終會承受高壓差氣流的沖刷，而且氣流中還會有吸附劑顆粒、焊渣等雜質，跟隨氣流在密封面及金屬表面沖刷出細小凹點。這種凹點會隨著使用時間的延長、材質的老化逐漸擴大，使閥門密封性能衰弱，最終導致密封片失效。對泄漏較為嚴重的，只能將該塔或該系列切出，程控閥下線檢修。

3.5 控制系統故障 

      PSA 控制系統主要是指 PSA 的程序控制，PSA 系統內部程控閥均按照廠家設定內部程序控制進行開關動作，由于內部程序在出廠時候就已設定好，并可自動運行，程序本身出現故障的概率極低。截至目前，在泰州石化制氫裝置兩套 PSA 運行期間，暫未出現程序本身故障，但多次出現過保險絲燒壞、接線松動及安全柵失效等問題。這些問題都將導致 PSA 的控制系統出現故障，影響 PSA 程序的正常運行。

3.6 PSA 系統管線內部銨鹽結晶 

      在 182PSA 停工的檢修期間，檢修人員拆開程控閥閥體及入口分液罐人孔后發現，182PSA 系統內部存在大量白色粉末，經現場取樣、化驗分析得知其成分主要是氯化銨結晶。由于182PSA 主要的原料氣為泰州石化運行三部重整裝置送出的重整氣，同時，該重整氣必須經過脫氯處理，以減少對182PSA 吸附系統的腐蝕，減少銨鹽結晶，但由于重整氣中氯離子含量較多，容易出現脫氯劑的穿透或失效，偶爾會伴隨大量氯離子帶入 182PSA 的入口及內部。同時，182PSA 的另外一股原料氣是加氫后的低分氣，該原料中含大量的氨根，氨根與重整氣攜帶的氯離子容易反應，生成氯化銨結晶，該結晶固體極易堵塞 182PSA 入口過濾網以及各吸附塔入口的程控閥內部，從而容易導致 PSA 系統出入口壓差增大以及 PSA 程控閥開關異常。

      根據以上分析，結合兩套 PSA 出現的故障記錄，可以看出 PSA 程控閥故障頻率最高的是電磁閥故障及閥檢信號故障，其次是閥門填料泄漏，而閥門內漏、執行機構及控制系統故障的出現情況較少。因此，降低程控閥的故障率的關鍵就是減少電磁閥故障、閥檢信號故障及優化程控閥運行環境。

04 降低PSA 程控閥故障率的措施

4.1 日常巡檢與定期檢查 

      (1) 可通過加強日常巡檢、定期氣密、報警監控，從而可及時發現程控閥是否出現泄漏情況。對閥桿輕微的填料密封，可通過定期緊固壓蓋螺栓的方式得到有效初步控制；對泄漏嚴重、難以控制的，檢查應立即匯報，做好防護，聯系維保人員，按照應急方案處置。

      (2) 定期檢查 PSA 系統電磁閥，查看有無串氣、漏氣、堵塞等現象；對有串氣、漏氣現象的電磁閥做好臺賬記錄；對比較嚴重的，擇機進行現場更換，防止后續出現因氣壓不足，電磁閥故障導致閥門開關異常、PSA 切塔等事故發生。

4.2 維保巡查與現場檢修

      (1) 聯合儀表人員，加強對兩套 PSA 裝置的定期巡查，檢查所有程控閥的螺栓、法蘭、接頭、頂絲、探頭、消音器、防雨帽、儀表管線等附件有無異常，并做好臺賬記錄，對發現的問題，及時處理；加強 PSA 儀表供風總管氣源三聯管路的日常巡檢，增加儀表風線過濾系統及油霧潤滑系統，確保 PSA 儀表用氣無液滴、無雜質，保證程控閥氣缸活塞的潤滑性能。

      (2) 定期聯系裝置儀表人員，對兩套 PSA 系統的安全柵、保險絲進行現場檢查。對超過建議使用年限的，在不影響 PSA 運行的前提下，擇機進行更換，并做對應的臺賬記錄；對接線松動的，定期進行緊固。當 PSA 某塔或者某系列出現故障而自動或手動切出，處理相應問題的時候，可根據前期記錄臺賬，同時進行其他程控閥的檢查、維修、更換工作，消除隱患。

4.3 壓力調控與技術改進

       (1) 在原用氣基礎壓力上，提高 PSA 儀表風總管壓力 0.1 MPa，補償程控閥氣缸輸出摩擦力增大、推力不足的損失，滿足 PSA 程控閥正常開關的需求。

      (2) 適當低控全廠氫氣管網壓力，可降低 PSA 的 5 號程控閥在終充步序啟閉時候的前后壓差，避免出現因壓差過大，氣缸力矩不夠，閥門無法正常開關的情況。

      (3) 為保證 182 穩定運行，可考慮將 182PSA 入口分液罐過濾網改為管道過濾器，并分兩組，可進行切換清理。同時，加強與上游重整裝置的聯系，根據重整氣原料的定期化驗分析結果，定期更換脫氯劑，從根源上減少氯離子含量，從而避免銨鹽的大量生成。

05 結語

      中海油氣 (泰州) 石化有限公司制氫裝置的兩套 PSA 系統承擔著泰州石化全廠生產工藝氫氣的重任，當出現 PSA 系統的生產事故時，會有大量的解析氣放空及氫氣管網的波動，甚至容易導致制氫裝置發生聯鎖事故，進而帶來更大程度的生產波動。因此，保證兩套 PSA 的穩定運行，就是保證全廠氫氣管網的穩定，這對全廠各用氫裝置而言至關重要。對上文分析總結出的 PSA 程控閥出現的各類故障，泰州石化制氫裝置經過討論分析，有針對性、計劃性地展開了相應的整改和應對措施，從根本上降低了兩套 PSA 系統內程控閥出現故障的概率，保證了全廠氫氣管網的穩定，促進了全廠用氫裝置的平穩生產，有力助推了泰州石化高質量運行。