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(1.神華寧煤集團(tuán)煤制油分公司，寧夏 銀川 750000；2.北京航天石化技術(shù)裝備工程公司，北京 100000)

盤閥在“寧煤爐”上的選型和應(yīng)用

郭中山1，張國民1，趙亮1，郭金1，楊歡2

(1.神華寧煤集團(tuán)煤制油分公司，寧夏 銀川 750000；2.北京航天石化技術(shù)裝備工程公司，北京 100000)

介紹了盤閥的工作原理和寧煤爐粉煤加壓輸送單元盤閥的選型，該氣化爐采用了一種單盤閥、雙盤閥組合安裝的配置方法，這種配置方法在閥門密封的可靠性、單閥質(zhì)量和尺寸、安裝檢修的便利性、節(jié)省備閥成本上有一定的優(yōu)勢(shì)，可供同類裝置盤閥選型參考。

盤閥；寧煤爐；選型

煤氣化技術(shù)是煤炭深加工的龍頭技術(shù)，是提高煤炭利用效率、降低溫室氣體排放、減少環(huán)境污染的重要途徑之一。神華寧煤400萬t/a煤間接液化項(xiàng)目是我國“十二五”煤炭深加工示范項(xiàng)目規(guī)劃確定的重點(diǎn)示范項(xiàng)目，承擔(dān)多項(xiàng)重大技術(shù)工業(yè)化示范和裝備國產(chǎn)化任務(wù)。氣化裝置共有7個(gè)系列，使用氣化爐28臺(tái)，其中第7系列的25～ 28號(hào)4臺(tái)氣化爐采用的是神寧煤業(yè)集團(tuán)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的2 000 t/d干煤粉加壓氣化爐(激冷流程)寧煤爐。

寧煤爐煤粉加壓輸送單元所用煤鎖斗閥、平衡閥以及鎖斗泄壓閥，是保證氣化爐穩(wěn)定給料的關(guān)鍵閥門，在以往類似的裝置上，一般都按進(jìn)口金屬密封球閥選型和采購。由于這些閥門操作壓差大、開關(guān)頻繁、沖刷嚴(yán)重，進(jìn)口閥門使用也不甚理想，故障率一直較高，制約了裝置長周期運(yùn)行。近幾年來，盤閥作為球閥的一種替代閥門，在煤鎖斗上已經(jīng)有了較多應(yīng)用，使用效果也得到了眾多用戶的認(rèn)可。神華寧煤集團(tuán)首批4臺(tái)寧煤爐選用了北京航天石化技術(shù)裝備工程有限公司(北京航天動(dòng)力研究所)56臺(tái)耐磨盤閥作為上述閥門的主要閥型，經(jīng)過緊張地調(diào)試和投煤試車，28#氣化爐已經(jīng)成功產(chǎn)出合格粗煤氣，盤閥運(yùn)行狀態(tài)良好，達(dá)到了預(yù)期目的。

1 盤閥介紹

1.1 盤閥的工作原理

盤閥是一種金屬平面硬密封耐磨開關(guān)兩位閥，廣泛應(yīng)用于高溫、高壓、高硬度顆粒狀介質(zhì)、磨損嚴(yán)重并且需要嚴(yán)密關(guān)斷的苛刻工況。盤閥動(dòng)作靈活、密封可靠、壽命長，可作為金屬硬密封球閥等傳統(tǒng)耐磨切斷閥的替代閥門。

其工作原理如下：執(zhí)行器(一般是雙作用氣缸)帶動(dòng)閥桿組件(由套筒、連板和閥軸組成的焊接件)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)閥盤繞閥軸做一定角度的擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)閥門的切斷功能。開關(guān)過程中，整個(gè)閥盤的密封表面在碟簧的作用下一直緊貼著閥座，碟簧為閥門密封提供初始預(yù)緊力，同時(shí)有助于補(bǔ)償閥內(nèi)件的熱膨脹和收縮，平衡管道壓力，防止小顆粒物質(zhì)進(jìn)入密封表面。由于套筒和閥盤之間間隙δ的存在，在摩擦力的作用下，閥盤在繞閥軸擺動(dòng)的同時(shí)會(huì)一定程度地自動(dòng)旋轉(zhuǎn)，這種自動(dòng)旋轉(zhuǎn)可以拋光密封面和鏟掉密封面堆積物，盤閥開關(guān)過程示意見圖1。

圖1 盤閥開關(guān)過程示意注：1—閥盤；2—套筒；3—彈簧座；4—連扳；5—閥座；6—閥軸

1.2 盤閥結(jié)構(gòu)

盤閥的結(jié)構(gòu)型式主要有2種(均已申請(qǐng)專利)：單盤閥[1]和雙盤閥[2]。單盤閥閥腔內(nèi)只有一個(gè)閥盤、一個(gè)閥座，閥門關(guān)閉后主要承受來自于下游的關(guān)閉壓差，允許的正向(自上而下)壓差很小，對(duì)于口徑較大(例如DN300)的閥門，一般只用在需要單向密封的場合。雙盤閥閥腔內(nèi)有兩個(gè)閥盤、兩個(gè)閥座，允許介質(zhì)雙向流動(dòng)，雙向密封。閥門關(guān)閉后可能承受雙向壓差，最大允許壓差為閥門最大允許工作壓力。每臺(tái)閥有一個(gè)獨(dú)立的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。單盤閥結(jié)構(gòu)示意見圖2，雙盤閥結(jié)構(gòu)示意見圖3。

圖2 單盤閥結(jié)構(gòu)示意注：1—入口閥體組件；2—閥座；3—閥盤；4—出口閥體組件；5—彈簧座；6—彈簧；7—閥桿組件；8—搖臂；9—填料組件；10—軸承

圖3 雙盤閥結(jié)構(gòu)示意注：1—閥座密封環(huán)；2—上閥盤；3—下閥盤；4—外防塵環(huán)；5—內(nèi)防塵環(huán)；6—碟型彈簧；7—彈簧座

1.3 閥腔的吹掃

為了延長閥門的使用壽命，保證雙閥的嚴(yán)密關(guān)斷，特別是主管線切斷閥。雙閥的開關(guān)是有推薦順序的，下料時(shí)先開下閥，再開上閥；關(guān)閉時(shí)，先關(guān)上閥，再開下閥，可以保證下閥始終處于受保護(hù)的狀態(tài)。在某些非順控手動(dòng)操作下，可能會(huì)出現(xiàn)下料時(shí)先開上閥的情況，造成在下閥打開之前，上閥閥腔內(nèi)可能已經(jīng)灌滿物料。下料結(jié)束，關(guān)閉閥門時(shí)，上閥閥腔內(nèi)可能會(huì)殘留一些物料，導(dǎo)致上閥無法正常關(guān)閉到位或者再次打開時(shí)無法完全打開。為了應(yīng)對(duì)這種情況，需要在閥腔設(shè)置吹掃口，并引入高壓CO2或者N2作為吹掃氣，對(duì)閥腔進(jìn)行斷續(xù)的吹掃，每次吹掃5s左右，并反復(fù)開關(guān)閥門，直到閥門正常開關(guān)。也可在吹掃管路增加DN25、600Lb氣動(dòng)耐磨閥1套，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)吹掃。盤閥吹掃見圖4。

圖4 盤閥吹掃示意

1.4 盤閥的選材

盤閥的使用工況一般都比較惡劣，介質(zhì)硬度高、磨損嚴(yán)重，并且常常在高壓差、高扭矩的條件下頻繁開關(guān)動(dòng)作，閥門主要材質(zhì)的選擇對(duì)閥門的性能和壽命有著重要影響。

根據(jù)溫度、壓力、介質(zhì)的性質(zhì)，閥體能選擇A105/WCB/LCB、F304/F316等碳鋼、不銹鋼以及其他耐高溫、耐腐蝕的特殊材質(zhì)。閥體一般都為鍛件，對(duì)一些口徑較大的閥門，會(huì)選擇鑄件。選擇鑄件時(shí)，除了要進(jìn)行嚴(yán)格的壓力試驗(yàn)，還要按B16.34等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)閥體頸部等一些易出現(xiàn)鑄造缺陷的薄弱部位進(jìn)行射線檢查、超聲波檢查等無損檢查，確保現(xiàn)場使用安全。為了避免介質(zhì)對(duì)閥體沖刷，閥體流道內(nèi)壁需進(jìn)行硬化處理。

閥桿組件是閥門承受扭矩的主要部件，閥桿材質(zhì)一般選擇17-4PH等高強(qiáng)度耐腐蝕合金鋼，并進(jìn)行合適的熱處理。閥桿表面進(jìn)行超音速噴涂硬化處理，硬度在HRC65以上，并磨削至較高的光潔度，避免閥桿與導(dǎo)向軸承咬合，降低填料磨損，提高閥桿部位的密封可靠性。在高溫的工況下，可以選擇高強(qiáng)度的奧氏體不銹鋼等材質(zhì)。

閥盤、閥座基材一般選用F316鍛件、F51雙相鋼鍛件等，并在密封面部位進(jìn)行硬化處理。硬化材料為鈷基硬質(zhì)合金，硬度可達(dá)HRC65以上，在超音速火焰噴涂的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次重熔，可以大幅度提高合金涂層的厚度和結(jié)合力，也可以選擇整體燒結(jié)的鈷基硬質(zhì)合金，硬度要更高一些，但脆性大，在選擇合金牌號(hào)時(shí)要進(jìn)行權(quán)衡。

閥盤預(yù)緊彈簧的必備條件是剛度大，可以提供更大的預(yù)緊力，一般選用X-750、15-7PH等材質(zhì)的碟型彈簧。

閥桿、閥體密封件一般選用柔性石墨組合填料、纏繞式墊片等密封材料。

2 寧煤爐盤閥的選型

寧煤爐煤鎖斗設(shè)計(jì)壓力為6.2 MPa(g)，操作壓力為5.2 MPa(g)，設(shè)計(jì)溫度為150 ℃，A/B鎖斗循環(huán)給料，閥門每30 min開關(guān)1次。通過煤鎖斗的充壓泄壓，將煤粉從低壓系統(tǒng)輸送到高壓系統(tǒng)，閥座密封等級(jí)要求在ANSI B16.104 VI級(jí)以上。不同工位對(duì)閥門密封方式的要求是有區(qū)別的，可以根據(jù)需要選擇不同的盤閥結(jié)構(gòu)。

煤倉的工作壓力為微正壓，鎖斗入口切斷閥在閥門打開前，入口只承受物料產(chǎn)生的靜壓力，出口承受鎖斗的高壓，工藝上沒有雙向密封的要求，按單盤閥選型可滿足要求。

煤鎖斗為壓力交變?nèi)萜?，出口連接高壓煤進(jìn)料罐，正常情況下，給料罐的壓力不會(huì)低于鎖斗的壓力，鎖斗出口切斷閥只承受來自給料罐的壓差，工藝上沒有雙向密封的要求，按單盤閥選型可滿足要求。

在某些情況下，由于工藝控制或者現(xiàn)場操作的原因，鎖斗壓力會(huì)高于給料罐的壓力，閥門頻繁地承受正向壓差，此時(shí)如果閥門不能保證正向面密封性能，閥門密封面會(huì)受到不斷地沖刷。在正向、反向壓差的反復(fù)作用下，閥門的密封性能會(huì)急劇下降，甚至在較短時(shí)間內(nèi)完全失效。為了應(yīng)對(duì)這種異常情況，鎖斗出口切斷閥，至少要有1臺(tái)閥門能夠保證可靠的雙向密封，來實(shí)現(xiàn)鎖斗和給料罐的嚴(yán)密隔斷。由于單盤閥的懸臂梁結(jié)構(gòu)，靠提高碟簧力來實(shí)現(xiàn)雙向密封(正向0.3/反向6.2 MPa(g))是非常困難和不現(xiàn)實(shí)的，所以采用單盤閥、雙盤閥組合安裝的配置方法。

3 寧煤爐盤閥的安裝次序

根據(jù)上述對(duì)工藝過程和閥門選型的分析，盤閥安裝次序見圖5。這樣的配置方法和安裝次序，保證了煤鎖斗與給料罐之間雙向完全隔離，也避免了因閥門內(nèi)漏，造成閥門打開時(shí)憋壓、卡滯的隱患。

圖5 單雙組合的盤閥安裝配置方法

煤鎖斗入口切斷閥，采用2臺(tái)單盤閥串聯(lián)安裝。鎖斗充壓時(shí)，壓差自下而上，高壓氣體被2臺(tái)單盤閥嚴(yán)密切斷，不會(huì)進(jìn)入煤倉。鎖斗泄壓時(shí)，單盤閥閥腔內(nèi)的氣體會(huì)一起泄掉。鎖斗泄壓完畢，2臺(tái)閥的閥腔及煤倉、鎖斗均為低壓，沒有高壓區(qū)，閥門打開時(shí)壓差很小，不存在憋壓。

煤鎖斗出口切斷閥以及高壓平衡管線切斷閥的安裝次序是單盤閥在上，雙盤閥在下。當(dāng)給料罐第一次加壓時(shí)，高壓氣體被雙盤閥密封，單盤閥的閥腔以及兩閥之間的空腔為低壓。鎖斗充壓過程中，高壓氣體會(huì)將單盤閥的閥盤頂開，進(jìn)入到單盤閥的閥腔和兩閥之間的空腔。當(dāng)鎖斗壓力與給料罐的壓力基本相等時(shí)，雙盤閥、單盤閥按順序打開。由于兩閥打開時(shí)閥前、閥后均為高壓，基本不存在壓力梯度，不會(huì)出現(xiàn)憋壓的情況。

當(dāng)給料罐正常往氣化爐投料時(shí)，給料罐一直保持高壓狀態(tài)，鎖斗泄壓時(shí)，高壓氣體被單盤閥密封，兩閥的閥腔及中間的空腔仍保持在高壓。閥門打開前，鎖斗已充壓完畢為高壓。兩閥打開時(shí)閥前閥后均為高壓，同樣基本不存在壓力梯度，也不會(huì)出現(xiàn)憋壓的情況。

上述盤閥的選型和安裝次序的設(shè)計(jì)，已經(jīng)過了實(shí)際運(yùn)行的檢驗(yàn)，閥門密封可靠，動(dòng)作輕巧靈活，無卡滯、憋壓的情況出現(xiàn)，滿足工藝要求，達(dá)到了預(yù)期目的。

4 寧煤爐盤閥配置方法的優(yōu)點(diǎn)

寧煤爐盤閥配置方法，滿足了異常工況下的工藝要求，還有以下優(yōu)點(diǎn)。

(1)與雙閥一體式盤閥相比，單閥質(zhì)量輕，安裝檢修容易。

(2)安裝尺寸與球閥完全互換，與雙閥一體式盤閥相比，備閥成本更低。

(3)沒有用碟簧力實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制雙向密封，閥門的可靠性高。碟簧力過大會(huì)帶來密封面磨損加劇、閥桿軸承承受的徑向力大、閥門易卡死、執(zhí)行機(jī)構(gòu)龐大、安裝檢修困難、負(fù)載大、氣源能耗高等一系列潛在問題。

5 結(jié)語

本文介紹了寧煤爐粉煤加壓輸送裝置盤閥的選型，采用了一種單盤閥、雙盤閥組合安裝的配置方法，這種配置方法在閥門密封的可靠性、單閥重量和尺寸、安裝檢修的便利性、備閥成本上都有一定的優(yōu)勢(shì)，經(jīng)過了寧煤爐實(shí)際運(yùn)行的檢驗(yàn)，可以作為同類裝置盤閥選型的參考。

[1]郭玉生，李楚林，丁英仁，劉金賢.一種單盤閥：中國，ZL20112045397 1.3.[P].2012-08-08.

[2] 李楚林，丁英仁，郭玉生.一種軸向平衡式圓盤閥：中國，ZL200920163663.X.[P].2010-04-14.

修改稿日期：2017-07-25

TypeSelectionandApplicationofDiscValveinNingmeiGasifierProcess

GUO Zhong-shan1，ZHANG Guo-min1，ZHAO Liang1，GUO Jin1，YANG Huan2

(1.Coal-to-GasolineBranchCompanyofShenhuaNingxiaCoalIndustryGroup，YinchuanNingxia750000，China2.BeijingAerospacePetrochemicalTechnologyandEquipmentEngineeringCo.，Ltd.，Beijing100076，China)

This paper introduces the working principle and type selection of disc valve in Ningmei gasifier process. A combined single-double disc valve method is applied in this process. Due to its reliability in sealing performance，high quality，precise dimensions of single valve，convenience for installation and maintenance and lower cost，this configuration method can be used for reference when similar disc valve should be installed.

disc valve；Ningmei gasifier；type selection

10.3969/j.issn.1004-8901.2017.05.010

TQ545

B

1004-8901(2017)05-0039-03

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2017.05.010

郭中山(1966年—)，河北河間人，1988年畢業(yè)于青島化工學(xué)院生產(chǎn)過程自動(dòng)化專業(yè)，高級(jí)工程師，現(xiàn)主要從事煤制油及化工生產(chǎn)管理工作。