探討了乙烯項目熱電聯產裝置高壓鍋爐給水泵起最小流量保護作用的國產自控回流閥在開工生產過程中出現的振動問題，通過理論計算結合實際解體檢查情況分析了故障原因，并以此為依據提出了相應的改進方案。

1、概述

　　中石化武漢分公司80 萬t /年乙烯裝置( 武漢乙烯，后同) 是國內新建的大型乙烯項目之一，是以乙烯制造為主導產品，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合生產的綜合型項目。熱電聯產裝置是武漢乙烯配套建設的重要裝置之一，共設置3 臺360t /h 循環流化床( CFB) 鍋爐，不僅為乙烯裝置生產提供超高壓、高壓以及中壓蒸汽，還根據蒸汽平衡，合理利用高品位的蒸汽發電，以節約能源并為乙烯裝置提供必要的電力。真空技術網(http://smsksx.com/)根據總體設計，熱電聯產裝置設計運行時間為8kh / 年。

2、系統介紹

　　熱電聯產裝置共設置3 臺CFB 鍋爐，供水用高壓鍋爐給水泵為三開一備。鍋爐給水設計壓力泵出口壓力為20. 6MPa。采用了自控回流閥用于最小流量保護，閥門安裝在泵出口，泵閥具體工況如表1所示，整體系統組成如圖1 所示。

表1 泵閥工況數據

　　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間均不低于其最小需求流量。閥門為3 種工作狀態。

　　(1) 旁路狀態主路為完全關閉，止回閥防止主路介質倒流回泵，旁路通過多級減壓結構保證系統即管道內無汽蝕出現。

　　(2) 主路狀態旁路為完全關閉，旁路在高壓差下實現可靠密封，主路止回閥根據流量需求自行調整開高。

　　(3) 切換狀態主、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足剩余流量，此狀態為自控回流閥最苛刻的運行狀態。

圖1 鍋爐給水泵最小流量保護系統

3、問題分析

　　為了節省乙烯項目蒸汽管網的吹掃時間并保證吹掃效果，該項目采用了蓄能降壓和穩壓相結合的吹掃方式。蓄能降壓時所需鍋爐流量為2min 內從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。裝置運行后，1 號泵和4號泵的旁路先后出現劇烈振動的現象，具體表現為當工藝需求流量降低至140t /h 時，旁路管線開始振動，閥內產生錘擊音，繼續降低流量則振動加劇，整個設備運行處于危險狀態，高于此流量振動消失。自控回流閥的旁路通過引入多級減壓結構，使得系統壓力在每一級上均勻降低，從而使任意一級縮流斷面處的壓力均不低于當地飽和蒸汽壓，從而避免閥內汽蝕的發生( 圖2) 。

　　多級減壓結構是否滿足工況設計可由需求壓力恢復系數表示。壓力恢復系數定義為

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

　　式中FF為液體臨界壓力比系數，這是一個與液體特性有關的無量綱數

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

表2 不同工況下壓力恢復系數需求對比

圖2 多級減壓防汽蝕原理

　　分析結果得出，自控回流閥旁路并未達到阻塞流工況，排除了汽蝕引起振動的可能性。為進一步解決問題，對自控回流閥旁路進行了現場分解。結果表明，自控回流閥旁路多級減壓閥芯( 圖3) 無汽蝕現象。但是，用于隔絕高低壓腔的活塞動密封完全失效，活塞及控制器蓋出現較嚴重的沖蝕痕跡( 圖4) 。初步確定振動故障是由動密封失效引起。動密封失效后，高壓介質經由活塞與控制器蓋的配合間隙進入，在局部形成阻塞流，沖蝕零件并誘發局部汽蝕，從而引起旁路閥腔的壓力振蕩，進一步引發旁路閥芯反復竄動，而引起系統振動。

4、改進分析

　　經了解，該閥門活塞動密封處由梯形硬環和O形圈形成的組合密封( 圖5) ，可以兼具O 形圈的可靠和PTFE 硬環的低摩阻特點，且適用于雙向密封，可以應用于相對運動速度小于15m /s 的動密封場合。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。分析認為，該溝槽尺寸不合理是導致故障的主要原因。

(a) 多級閥芯(b) 多級閥座

圖3 自控回流閥旁路分解

圖4 活塞動密封失效

圖5 GLYD 圈密封機理

　　圖6( a) 為改進前活塞動密封結構。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 圈推薦值設置，在20MPa 壓力時為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，進而導致活塞與缸孔的間隙配合向上偏移，此時GLYD 圈上下兩側間隙不均等，一側幾乎為0，而另一側則可達0. 5 ～ 0. 6mm，在此壓力下，GLYD 圈硬環本身容易被擠出，加之實際吹掃工況旁路動作較為頻繁，使得作為消耗品的GLYD 圈硬環加劇磨損，最終從該處出現泄漏，產生局部汽蝕。

　　活塞動密封配合結構改進后，將孔桿配合間隙改為H8 /f7 等級，將GLYD 圈溝槽位置后移，進一步減小杠桿力引起的兩側間隙不均等效應，改進后結構如圖6( b) 。

(a) 改進前(b) 改進后

圖6 活塞動密封配合結構

5、結語

　　通過對自控回流閥運行的機理分析及旁路受力分析，確定了鍋爐給水泵系統振動故障的原因，在此基礎上對結構設計進行了局部改進，同時對關鍵部件進行了備用處理，以確保熱電裝置的長周期正常運行。近期試車結果表明改進手段合理，自控回流閥運行可靠，可有效地實現鍋爐給水泵的最小流量保護。在熱電聯產裝置的可靠運行保證下，武漢乙烯項目已投料成功，未發生同類問題，取得了較好的結果。