孫志強(qiáng),王 萌
(北京航天石化技術(shù)裝備工程有限公司, 北京 100076)
近幾年來(lái),以華東理工大學(xué)四噴嘴對(duì)置技術(shù)為代表的水煤漿氣化工藝和以航天爐為代表的干煤粉氣化工藝,在國(guó)內(nèi)獲得了大量應(yīng)用[1]。由于各設(shè)計(jì)單位對(duì)工況的理解不同,與之配套的調(diào)節(jié)閥在選型和使用上區(qū)別較大,部分調(diào)節(jié)閥使用效果不佳。筆者調(diào)研了氣化工段常用的偏心旋轉(zhuǎn)閥、黑水角閥的使用情況,分析了出現(xiàn)的問(wèn)題,并提出了使用建議。
偏心旋轉(zhuǎn)閥和黑水角閥的基本結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。
(a) 偏心旋轉(zhuǎn)閥
偏心旋轉(zhuǎn)閥[2]是一種通用性較強(qiáng)的角行程閥門,直通型結(jié)構(gòu),流通能力較強(qiáng),由于閥門旋轉(zhuǎn)中心與流道中心不在一個(gè)平面內(nèi)而得名,可用于含固、含纖維介質(zhì)。
黑水角閥[3]是煤氣化裝置上的關(guān)鍵閥門,常用于控制氣化爐、洗滌塔和閃蒸罐黑水的流量、壓力,黑水角閥的閥芯閥座采用整體碳化鎢材質(zhì),具有抗沖刷耐氣蝕等特點(diǎn)。
圖2為某氣化工藝的典型工藝流程圖。
圖2 氣化工藝典型工藝流程圖
煤氣化工藝一般由氣化、渣水處理兩個(gè)基本工段組成。由圖2可以看出:氣化爐、洗滌塔、旋風(fēng)分離器位于氣化工段,A、B、C、D等工位上的調(diào)節(jié)閥的主要功能是為洗滌塔、旋風(fēng)分離器補(bǔ)水,正常工況為閥前壓力7.22 MPa,閥后壓力6.36 MPa。
目前,經(jīng)常出現(xiàn)的問(wèn)題是A、B、C、D等位置的偏心旋轉(zhuǎn)閥閥體被沖刷。圖3是某工廠偏心旋轉(zhuǎn)閥使用一段時(shí)間后被沖刷的照片。由圖3可以看出,在偏心旋轉(zhuǎn)閥的出口部位,閥體被擊穿。
圖3 偏心旋轉(zhuǎn)閥擊穿照片
造成閥門失效的原因一般為沖刷和汽蝕[4]。在氣化工段,介質(zhì)含固質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般小于0.5%,來(lái)自介質(zhì)的磨粒磨損并不嚴(yán)重,計(jì)算發(fā)現(xiàn)沖刷位置流速不超過(guò)6 m/s,沖刷的概率不大;從數(shù)據(jù)表看正常工況壓差不大,但根據(jù)對(duì)用戶現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,該位置閥門有開(kāi)車工況,即洗滌塔、氣化爐等未建壓的工況。以閥門失效時(shí)用戶現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)為例,閥門流關(guān),操作溫度為191 ℃,閥門開(kāi)度為30%,閥前壓力為7.22 MPa,閥后壓力為1.5 MPa,壓差較大,該工況下容易發(fā)生介質(zhì)汽蝕,極有可能是導(dǎo)致閥門失效的原因。
通過(guò)ANSYS Workbench 14.0軟件對(duì)閥門流場(chǎng)進(jìn)行了驗(yàn)證。圖4為在以上工況為邊界條件,通過(guò)純水計(jì)算的偏心旋轉(zhuǎn)閥的壓力分布云圖。圖5為引入cavitation模型后進(jìn)行的閃蒸率計(jì)算結(jié)果。
圖4 壓力分布云圖圖
圖5 氣相體積分?jǐn)?shù)分布圖
191 ℃下介質(zhì)的飽和蒸汽壓力為1.28 MPa,高于此壓力時(shí)介質(zhì)為液態(tài),低于此壓力時(shí)介質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)。由圖4可以看出:喉徑等處(圓圈標(biāo)識(shí)),由于節(jié)流嚴(yán)重,閥門流速很高;對(duì)應(yīng)的,根據(jù)能量守恒,靜壓降低到飽和蒸汽壓力之下,會(huì)導(dǎo)致介質(zhì)由單一液相轉(zhuǎn)變?yōu)闅庖簝上嗔?,即閃蒸,當(dāng)靜壓恢復(fù)至飽和蒸汽壓力之上時(shí),氣相以爆炸的形式轉(zhuǎn)變?yōu)橐合啵雌g,汽蝕的局部能量很高,與閥體壁面撞擊時(shí)將造成強(qiáng)烈破壞。
由于偏心旋轉(zhuǎn)閥結(jié)構(gòu)特性,介質(zhì)流經(jīng)閥芯以后流向不對(duì)中,攜帶氣泡的介質(zhì)在壁面處汽蝕,對(duì)壁面造成破壞,閥門短期內(nèi)即宣告失效。由圖5可以看出:在貼近壁面處閃蒸率較高,這與閥門失效的位置相吻合。
與之對(duì)應(yīng)的,雖然汽蝕也會(huì)發(fā)生在黑水角閥中,但黑水角閥未出現(xiàn)沖刷問(wèn)題,這與黑水角閥的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)相關(guān)。一方面,經(jīng)過(guò)閥芯節(jié)流以后,介質(zhì)的流向仍然是居中的,這將使大多數(shù)閃蒸的介質(zhì)在流道中心對(duì)撞,汽蝕發(fā)生在此處而非壁面;另一方面,黑水角閥本身為閃蒸工況定制,流道中的碳化鎢硬度可達(dá)HRA90,能夠較長(zhǎng)時(shí)間的耐受汽蝕破壞。
圖6為相同參數(shù)下角閥出口處流動(dòng)跡線圖。
圖6 角閥流動(dòng)跡線圖
綜上,對(duì)于有開(kāi)車工況,即閃蒸、汽蝕無(wú)法避免的閥門,因?yàn)槠男D(zhuǎn)閥本身不耐受汽蝕,黑水角閥顯然是更安全的選擇;但是從成本上講,黑水角閥的成本高于偏心旋轉(zhuǎn)閥。如果既想使用偏心旋轉(zhuǎn)閥,又想規(guī)避閃蒸和汽蝕問(wèn)題,建議:(1)意識(shí)到開(kāi)車工況的危害,通過(guò)工藝手段控制開(kāi)車過(guò)程,將開(kāi)車工況的持續(xù)時(shí)間盡可能縮短;(2)給偏心旋轉(zhuǎn)閥設(shè)置開(kāi)車旁路,僅用于短時(shí)開(kāi)車工況,可選用成本較低的閥門,開(kāi)車時(shí)走旁路,待洗滌塔、旋風(fēng)分離器建壓以后再切換至偏心旋轉(zhuǎn)閥。
近年來(lái),煤氣化技術(shù)在國(guó)內(nèi)獲得了長(zhǎng)足發(fā)展,但在調(diào)節(jié)閥選型和使用上仍存一些問(wèn)題。筆者介紹了煤氣化常用的兩種調(diào)節(jié)閥,即黑水角閥和偏心旋轉(zhuǎn)閥,介紹了各自的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),結(jié)合實(shí)際使用情況,通過(guò)數(shù)值仿真對(duì)兩種閥型的適用性進(jìn)行了分析。針對(duì)不同的開(kāi)車方式及具體工況提出了調(diào)節(jié)閥的優(yōu)化選型及使用建議,希望能給閥門用戶帶來(lái)一些參考。