生产乙烯的原料和方法【乙烯原料泵最小流量控制回路噪音产生分析及消除】

　　摘要：通过分析、计算乙烯原料泵最小流量控制回路运行状况，找出噪音产生原因并提出整改方案。 　　关键词：乙烯原料泵；噪音；空化；控制阀；限流孔板 　　 　　1 乙烯原料泵最小流量控制回路操作现状
　　 在80万吨/年乙烯装置中，由于乙烯原料泵流量大，扬程高，因而需要设置最小流量保护回路（见图1）。在生产操作过程中，当最小流量控制阀开启至22~25%，流量至200~250m3/h时，最小流量控制回路就会发出刺耳的噪音，接近110db（A），不仅影响职工的日常工作，同时其伴生的振动也会给安全生产带来隐患。
　　
　　2 当前工艺条件及初步分析[1]
　　 乙烯原料泵输送物料主要为凝析油，操作条件下温度T为30.8℃，比重G为0.73，粘度Vis为0.43cP，饱和蒸汽压PV：0.653bar。乙烯原料泵在最小流量操作下扬程为280m，即20.053bar。由于最小流量保护回路流程短，无其他附属设施（见图1），回路中的阻力降主要集中在控制阀和限流孔板上，因而在控制阀或限流孔板的缩径附近非常容易发生空化现象，产生噪音及振动。
　　
　　
　　
　　图1 乙烯原料泵最小流量控制回路流程图
　　
　　
　　根据机械能守恒原理（见式1，Bernoulli方程式），当流体经过缩口（调节阀或限流孔板）时，流束会变细收缩，并在缩口下游形成缩流断面。在此缩流断面处流体流速最大，压力最小，当此时流体压力PVC小于介质的饱和蒸汽压PV时，流体将会沸腾，产生气泡，PVC压力越低，气泡越多。流体通过缩流断面后，流速降低，压力升高。流体流速最终稳定于u2，由于缩口前后管道直径相同，因而u1等于u2；压力最终稳定于P2，但由于缩口消耗了流体的能量，即ΔPo，因而下游压力P2无法完全恢复到P1。经以上分析，式1可简化为P1=P2+ΔPo。如果P2大于PV，流体在缩口处产生的气泡在高压下将迅速破裂，即发生空化现象。此时管道会发出刺耳的噪音并伴有振动，长期作用下会造成管路损坏。如果P2仍然小于PV，气泡将继续逸出，在管道中形成汽液混合相，即发生闪蒸现象。（见图2）
　　
　　
　　
　　图2 工艺介质通过孔板时压力变化曲线
　　
　　
　　 Bernoulli方程式：
　　 （式1）
　　式中：
　　 ρ――介质密度；
　　 u1――缩口前流速；
　　 P1――缩口前压力；
　　 u2――缩口后流速；
　　 P2――缩口后压力；
　　 ΔPo――缩口阻力降。
　　
　　3 空化现象计算及判断[1]
　　 为了判断是否发生空化现象，需要对阻塞流压差进行计算。当缩口两端压差（ΔPo= P1-P2）增加，即缩口前压力P1不变，缩口后压力P2减小。此时，缩流断面处压力PVC将减小，直至下降到流体饱和蒸汽压PV以下，流体发生汽化，通过缩口的流体流量不再随压差增加而增加，即形成阻塞流现象。此时，缩口两端的压差即是阻塞流压差ΔPchocked。当缩口实际压差ΔPo小于其对应的阻塞流压差ΔPchocked时，无空化现象发生，反之则有空化现象发生。
　　
　　 （式2）
　　 （式3）
　　式中：
　　 ΔPchocked――阻塞流压差；
　　 FL――液体压力恢复系数；
　　 FF――液体临界压力比值系数；
　　 PV――液体的蒸汽呀；
　　 PC――液体临界压力。
　　
　　 经计算，操作条件下：
　　调节阀前压力P1调节阀为21.103bar，压差ΔPo调节阀 为13.735bar，阻塞流压差ΔPchocked调节阀为16.608bar，ΔPo调节阀小于ΔPchocked调节阀，因而在调节阀处无空化现象发生；
　　限流孔板孔径DO为60mm，孔板前压力P1限流孔板为7.368bar，压差ΔPo限流孔板 为6.200bar，阻塞流压差ΔPchocked限流孔板为5.483bar，ΔPo限流孔板大于ΔPchocked限流孔板，因而在限流孔板处有空化现象发生，引起了回路的噪音及振动。
　　详见表1，乙烯原料泵最小流量控制回路压力平衡表。
　　
　　4 整改方案
　　 整改措施是通过采用双限流孔板，降低单个孔板上的压差，从而避免空化现象发生，消除噪音。整个回路其它部分保持不变。整改后空化现象计算如下：
　　调节阀前压力P1调节阀为21.103bar，压差ΔPo调节阀 为13.506bar，阻塞流压差ΔPchocked调节阀为16.608bar，ΔPo调节阀小于ΔPchocked调节阀，因而在调节阀处无空化现象发生；
　　限流孔板孔径DOA为65mm，孔板前压力P1限流孔板A为7.597bar，压差ΔPo限流孔板A 为4.487bar，阻塞流压差ΔPchocked限流孔板A为5.668bar，ΔPo限流孔板A大于ΔPchocked限流孔板A，因而在限流孔板A处无空化现象发生；
　　限流孔板孔径DOB为80mm，孔板前压力P1限流孔板B为3.110bar，压差ΔPo限流孔板B为1.942bar，阻塞流压差ΔPchocked限流孔板B为2.034bar，ΔPo限流孔板B大于ΔPchocked限流孔板B，因而在限流孔板B处无空化现象发生；
　　由以上结论可知，整改方案简单可行，可以避免空化现象发生，消除噪音其伴生的振动给安全生产带来隐患。
　　详见表1，乙烯原料泵最小流量控制回路压力平衡表。
　　
　　表1，乙烯原料泵最小流量控制回路压力平衡表
　　
　　乙烯原料泵吸入端 乙烯原料泵排放端
　　项目 整改前/后 单位 项目 整改前 整改后 单位
　　乙烯原料罐操作压力 0.002 barg 乙烯原料罐操作压力 0.002 0.002 barg
　　管道阻力降 0.02 bar 管道阻力降 0.051 0.051 bar
　　过滤器阻力降 0.009 bar ROA压差 6.200① 4.487 bar
　　静压头 0.115 bar ROB压差 1.942 bar
　　吸入端净压力 0.088 barg 流量计压差 0.037 0.037 bar
　　 静压头 0.115 0.115 bar
　　乙烯原料泵压头 20.052 bar 调节阀压差 13.735 13.506 bar
　　① 整改前单个限流孔板压差
　　
　　5 结论
　　 在生产过程中，装置上微小的异常都应引起相应的重视，从理论上分析其产生的原因及其可能造成的危害。往往通过简单的整改即可消除隐患，保证整个装置系统长期稳定的运行。
　　
　　[1] Valve Handbook (Second Edition), Philip L.Skousen
　　注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。

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