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。

1 閥門概況

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)。

2 氣化工藝

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。

3 常見(jiàn)問(wèn)題

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

4 原因分析

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

5 選型及使用建議

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。

6 結(jié)語(yǔ)

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。