于陽(yáng)

摘 要：為了提高調(diào)節(jié)閥使用性能，本研究對(duì)煤化工調(diào)節(jié)閥進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。構(gòu)建調(diào)節(jié)閥的三維模型，借助流體力學(xué)原理，從連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程3個(gè)方面闡述煤化工調(diào)節(jié)閥的運(yùn)行原理。同時(shí)，根據(jù)煤化工生產(chǎn)需求，將球閥閥芯設(shè)計(jì)成兩體分離式結(jié)構(gòu)，優(yōu)化調(diào)節(jié)閥加工工藝，進(jìn)行閥門特性測(cè)試。試驗(yàn)證明，改進(jìn)的調(diào)節(jié)閥使用效果良好，堵塞、磨損等問題都得到了較好的解決，構(gòu)件使用周期也有了良好的保證。

關(guān)鍵詞：煤化工;調(diào)節(jié)閥;加工工藝

中圖分類號(hào)：TQ53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）32-0038-03

Improved Design of New Type Coal Chemical Control Valve

YU Yang

（CHN ENERGY Ningxia Coal Industry Co.， Ltd.， Yinchuan Ningxia 750011）

Abstract： In order to improve the performance of the regulating valve， this study improves the design of the coal chemical control valve. In the meantime， a three-dimensional model of the control valve is constructed， and the operating principle of the coal chemical industry control valve is explained from the three aspects of continuity equation， momentum equation and energy equation with the help of the principle of fluid mechanics. At the same time， according to coal chemical production requirements， the ball valve core is designed into a two-part separable structure， the processing technology of the regulating valve is optimized， and the valve characteristic test is carried out. Tests have proved that the improved regulating valve has a good use effect， problems such as blockage and wear have been better solved， and the service life of the components is also well guaranteed.

Keywords： coal chemical industry;regulating valve;processing technology

隨著我國(guó)工業(yè)的發(fā)展，近年來(lái)，煤化工生產(chǎn)與制造成為熱門行業(yè)。在現(xiàn)代化技術(shù)的支撐下，我國(guó)已從煤焦油、煤氣化等低效率工種逐步向煤質(zhì)燃料等綜合行業(yè)發(fā)展。隨著行業(yè)的更新，與之相關(guān)的設(shè)備也需要向綜合參數(shù)、大口徑方面優(yōu)化。目前，我國(guó)制造業(yè)在此方面的科技研究仍處于“零成果”狀態(tài)，這也證明此項(xiàng)研究具有迫切性。

調(diào)節(jié)閥是煤化工生產(chǎn)與制造工藝的重要支撐設(shè)備，也是大部分煤化工企業(yè)的主要運(yùn)行裝置。目前使用較多的調(diào)節(jié)閥包括截止閥、球閥及閘閥等。煤化工作業(yè)環(huán)境較為復(fù)雜，這些集成在煤化工裝置中的調(diào)節(jié)閥需要長(zhǎng)期運(yùn)行在高溫（>500.0 ℃）與高壓（>30.0 MPa）環(huán)境。我國(guó)早期已嘗試從國(guó)外引進(jìn)優(yōu)化的調(diào)節(jié)閥制造技術(shù)，但由于國(guó)內(nèi)外的生產(chǎn)模式不同，引進(jìn)的技術(shù)與設(shè)備與我國(guó)煤化工生產(chǎn)存在不匹配問題[1]。例如，山東某大型煤化工企業(yè)花費(fèi)大量資金引進(jìn)Masoneilan調(diào)節(jié)閥，用于企業(yè)生產(chǎn)中的黑水宏觀調(diào)整。但是，由于黑水操作處理的工況與作業(yè)環(huán)境較差，且黑水中含有較多的顆粒物與固態(tài)物，導(dǎo)致花費(fèi)大量資金引進(jìn)的調(diào)節(jié)閥在使用一周后出現(xiàn)內(nèi)部構(gòu)件損壞問題，甚至對(duì)企業(yè)的常規(guī)生產(chǎn)與正常運(yùn)營(yíng)造成負(fù)面影響。根據(jù)企業(yè)使用后的反饋，由于調(diào)節(jié)閥異常問題，其大型持續(xù)運(yùn)行裝置已出現(xiàn)多次違規(guī)停運(yùn)，不僅影響企業(yè)生產(chǎn)，也對(duì)企業(yè)造成了大量財(cái)產(chǎn)損失。因此，優(yōu)化現(xiàn)有煤化工調(diào)節(jié)閥，完善調(diào)節(jié)閥使用方法，已成為工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)急需解決的關(guān)鍵問題。

1 煤化工調(diào)節(jié)閥改進(jìn)設(shè)計(jì)

1.1 基于三維建模的煤化工調(diào)節(jié)閥運(yùn)行原理

為了優(yōu)化煤化工調(diào)節(jié)閥構(gòu)件設(shè)計(jì)，要使用三維建模軟件，分析調(diào)節(jié)閥運(yùn)行原理[2]。在此過程中，根據(jù)企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際工況，構(gòu)建一個(gè)針對(duì)調(diào)節(jié)閥的三維模型，借助流體力學(xué)原理，進(jìn)行建模分析。此過程涉及的調(diào)節(jié)閥流體力學(xué)方程如表1所示。

其中，連續(xù)性方程是指調(diào)節(jié)閥在實(shí)際應(yīng)用中遵循質(zhì)量守恒定律。對(duì)于所有經(jīng)過調(diào)節(jié)閥的流體，都可以采用連續(xù)介質(zhì)模型的方式，進(jìn)行密度與速度關(guān)系的表達(dá)，因此也可以將此函數(shù)表示為微函數(shù)。式中：ρ表示流體密度;t表示流體流經(jīng)周期;div表示流體散度;p表示質(zhì)量;u表示空間連續(xù)性。

動(dòng)量方程可以認(rèn)為是物質(zhì)經(jīng)過調(diào)節(jié)閥時(shí)所受到的合力計(jì)算公式，可將合力計(jì)算看作流體加速度與質(zhì)量的乘積，也可將其理解為閥門流體微團(tuán)受力的動(dòng)量變化[3]。式中，P表示流體做功;F表示流體的體積力。

能量方程是能量守恒定律的衍生物，可以將此方程表示為單位時(shí)間內(nèi)閥門流經(jīng)流體的增加能量。在進(jìn)行能量守恒計(jì)算時(shí)應(yīng)注意，方程中不可導(dǎo)入具有不可壓的黏性流體。

按照上述公式，進(jìn)行煤化工調(diào)節(jié)閥運(yùn)行特性的計(jì)算，計(jì)算的整體過程包括對(duì)調(diào)節(jié)閥整體結(jié)構(gòu)合理性的分析、閥門流體網(wǎng)格劃分、數(shù)值前期處理、數(shù)值求解計(jì)算、數(shù)值后期處理等，只有在計(jì)算中將真實(shí)數(shù)值代入標(biāo)準(zhǔn)的方程式，才能保證調(diào)節(jié)閥改進(jìn)設(shè)計(jì)的合理性。

1.2 閥門結(jié)構(gòu)選型改進(jìn)

調(diào)節(jié)閥在煤化工生產(chǎn)線應(yīng)用時(shí)，若流經(jīng)閥門的流體含有粒徑較大的顆粒介質(zhì)，流道轉(zhuǎn)折處將產(chǎn)生一定的堵塞風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)介質(zhì)長(zhǎng)期堆在腔體內(nèi)時(shí)，局部會(huì)受到大量沖刷，從而出現(xiàn)沖漏現(xiàn)象[4]。因此，要結(jié)合上文對(duì)調(diào)節(jié)閥運(yùn)行原理的分析，進(jìn)行閥門結(jié)構(gòu)選型改進(jìn)。根據(jù)煤化工生產(chǎn)需求，可將球閥閥芯設(shè)計(jì)成兩體分離式結(jié)構(gòu)，其中密封面優(yōu)選耐沖、耐磨、耐損等的硬質(zhì)類合金材料。此種方式可以較好地解決閥芯密封結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中存在的被沖刷、磨損問題。同時(shí)，閥門基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)可以選擇流線型外形，優(yōu)選不銹鋼作為設(shè)計(jì)原材料，以此解決煤化工生產(chǎn)中的煤粉堆積問題。

大部分煤化工企業(yè)需要調(diào)節(jié)閥作為運(yùn)行支撐，因此調(diào)節(jié)閥選用高密封性能與高綜合性能的球閥[5]。通常，球閥由左閥門、右閥門與閥座等構(gòu)成。由于球閥的機(jī)械性與耐磨性較強(qiáng)，因此對(duì)應(yīng)的楔形材料也需要耐高溫與耐腐蝕。只有滿足設(shè)計(jì)需求，才能確保改進(jìn)設(shè)計(jì)后的調(diào)節(jié)閥適應(yīng)煤化工惡劣的作業(yè)環(huán)境。

1.3 加工工藝優(yōu)化與閥門特性測(cè)試

完成上述設(shè)計(jì)后，可從調(diào)節(jié)閥的加工工藝入手進(jìn)行優(yōu)化。調(diào)節(jié)閥性能要求較高，在進(jìn)行加工工藝優(yōu)化時(shí)，要將重點(diǎn)置于閥門支座與底座的設(shè)計(jì)上，即設(shè)計(jì)一體化的閥門球體。高強(qiáng)度表面采用硬化處理的方式進(jìn)行研磨，確保表面具有較高的平滑性與平整度。當(dāng)表面光整度達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)后，密封帶將保持較高的連續(xù)性，滿足調(diào)節(jié)閥零泄漏的使用要求。

調(diào)節(jié)閥投入使用前，要進(jìn)行閥門特性測(cè)試。將調(diào)節(jié)閥的環(huán)境溫度上升到550.0 ℃，設(shè)置閥門密封等級(jí)，保持此種狀態(tài)5.0 s后，閥門將進(jìn)行頻繁的動(dòng)作[6]。特性測(cè)試使用的流體介質(zhì)為黑水，此種材料對(duì)閥門有一定的腐蝕性和磨損性。調(diào)節(jié)閥運(yùn)行一段時(shí)間后，球體表面仍然保持較高的光滑度。改進(jìn)設(shè)計(jì)后的調(diào)節(jié)閥可滿足煤化工企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行需求。按照上述方式優(yōu)化加工工藝，對(duì)煤化工調(diào)節(jié)閥進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，可以為我國(guó)煤化工生產(chǎn)提供更優(yōu)的技術(shù)與更高性能的構(gòu)件。

2 對(duì)比試驗(yàn)

目前，本次煤化工調(diào)節(jié)閥改進(jìn)設(shè)計(jì)仍處于理論研究階段，尚未有單位應(yīng)用設(shè)計(jì)成果。因此，在完成設(shè)計(jì)后，提取試驗(yàn)成果，對(duì)其使用性能進(jìn)行分析。這里選擇某煤化工企業(yè)作為試驗(yàn)對(duì)象。該企業(yè)屬于大型企業(yè)，主營(yíng)業(yè)務(wù)為煤礦生產(chǎn)和煤化工生產(chǎn)。生產(chǎn)工況數(shù)據(jù)表明，該企業(yè)在運(yùn)用煤氣化工藝時(shí)會(huì)排出大量的黑水與灰水（氣流床高壓煤粉在處理時(shí)會(huì)產(chǎn)生循環(huán)水，其中含有大量細(xì)灰）。通常，黑水與灰水會(huì)經(jīng)過碳洗塔、激冷室、渣池等作業(yè)區(qū)域，因此水體的濁度較高。根據(jù)企業(yè)反饋，該工況下原使用的煤化工調(diào)節(jié)閥平均使用壽命為3個(gè)月。使用壽命超出3個(gè)月后，調(diào)節(jié)閥會(huì)受到黑水的影響，出現(xiàn)閥內(nèi)堵塞或構(gòu)件被侵蝕的現(xiàn)象，從而影響裝置整體運(yùn)行。因此，選擇該企業(yè)作為試驗(yàn)對(duì)象是可行的。

完成上述準(zhǔn)備工作后，將改進(jìn)設(shè)計(jì)的煤化工調(diào)節(jié)閥與煤化工生產(chǎn)設(shè)備對(duì)接，替換企業(yè)原有的調(diào)節(jié)閥，進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)閥的試運(yùn)行。試運(yùn)行設(shè)計(jì)4次黑水升程，獲取黑水升程中調(diào)節(jié)閥對(duì)流量的調(diào)節(jié)效果，將新型煤化工調(diào)節(jié)閥試運(yùn)行數(shù)據(jù)繪制成折線圖，如圖1所示。

從圖1調(diào)節(jié)閥試運(yùn)行效果可知，在4次升程中，調(diào)節(jié)閥可實(shí)現(xiàn)對(duì)灰水流量的主動(dòng)調(diào)節(jié)，直至流量上升到最高點(diǎn)。上述測(cè)試初步證明了改進(jìn)設(shè)計(jì)的調(diào)節(jié)閥具有一定的應(yīng)用可行性。完成上述測(cè)試后，選擇試點(diǎn)企業(yè)內(nèi)的兩條煤氣化生產(chǎn)線，分別使用本文設(shè)計(jì)的調(diào)節(jié)閥與改進(jìn)設(shè)計(jì)前的調(diào)節(jié)閥進(jìn)行煤氣化生產(chǎn)。試驗(yàn)周期為半年，記錄兩條生產(chǎn)線中調(diào)節(jié)閥對(duì)灰水流量的調(diào)控情況。現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員負(fù)責(zé)整理每天數(shù)據(jù)，將整理后的試驗(yàn)結(jié)果繪制成折線圖，如圖2所示。

從圖2試驗(yàn)結(jié)果可以看出，本文設(shè)計(jì)的新型煤化工調(diào)節(jié)閥對(duì)灰水流量的調(diào)節(jié)一直處于主動(dòng)狀態(tài)，灰水流量控制呈相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，控制效果較優(yōu)，可以滿足煤化工企業(yè)煤氣化工藝需求。未改進(jìn)的煤化工調(diào)節(jié)閥前3個(gè)月的調(diào)節(jié)效果較優(yōu)，在3個(gè)月以后，灰水流量調(diào)節(jié)呈被動(dòng)下降趨勢(shì)。經(jīng)分析，灰水含有大量的固體顆粒，顆粒會(huì)堵塞閥門通道，限制閥門流量，這時(shí)需要更換調(diào)節(jié)閥，否則將影響整條生產(chǎn)線的運(yùn)行。對(duì)比試驗(yàn)表明，相比未改進(jìn)設(shè)計(jì)的煤化工調(diào)節(jié)閥，改進(jìn)設(shè)計(jì)的煤化工調(diào)節(jié)閥使用效果良好，堵塞、磨損等問題都得到了較好的解決，構(gòu)件的使用周期也有了良好的保證，可以在實(shí)際生產(chǎn)中代替?zhèn)鹘y(tǒng)調(diào)節(jié)閥。

3 結(jié)語(yǔ)

為了確保煤化工調(diào)節(jié)閥滿足惡劣工況要求（包括長(zhǎng)期燃燒、受外界環(huán)境侵蝕、機(jī)械運(yùn)行磨損等），調(diào)節(jié)閥的支撐裝置需要優(yōu)選耐高溫與高強(qiáng)度的材料。為了滿足設(shè)計(jì)需求，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤化工現(xiàn)有調(diào)節(jié)閥構(gòu)件的優(yōu)化，本文從基于三維建模的煤化工調(diào)節(jié)閥運(yùn)行原理分析、閥門結(jié)構(gòu)改進(jìn)選型、加工工藝優(yōu)化與閥門特性測(cè)試3個(gè)方面對(duì)調(diào)節(jié)閥改進(jìn)設(shè)計(jì)展開研究。完成設(shè)計(jì)后，通過對(duì)比試驗(yàn)證明了改進(jìn)設(shè)計(jì)的煤化工調(diào)節(jié)閥使用效果良好，堵塞、磨損等問題得到了較好的解決，構(gòu)件使用周期具有良好的保證。因此，未來(lái)可以將此項(xiàng)成果量產(chǎn)，以代替原有設(shè)計(jì)。

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