工藝設(shè)計對煤化工控制閥選型的影響

楊 銳，邢 影，鄭 偉，馮建東

（北京航天石化技術(shù)裝備工程有限公司，北京 100176）

工藝設(shè)計對煤化工控制閥選型的影響

楊 銳，邢 影，鄭 偉，馮建東

（北京航天石化技術(shù)裝備工程有限公司，北京 100176）

控制閥是控制系統(tǒng)全部自動化中最重要的執(zhí)行機構(gòu)組織，其質(zhì)量的優(yōu)劣將直接顯現(xiàn)在整個系統(tǒng)的操作質(zhì)量上。伴隨著工業(yè)自動化水平的提高，控制閥這一重要組件將被應(yīng)用到生產(chǎn)過程的每一個環(huán)節(jié)，其質(zhì)量好壞也就直接影響生產(chǎn)效益的高低。所以，選擇一個高品質(zhì)、高效率控制閥是管控好整個生產(chǎn)過程的關(guān)鍵。本文從工藝設(shè)計的角度，介紹了控制閥選型的基本原則，分析了化工行業(yè)控制閥應(yīng)用現(xiàn)狀，闡述了工藝設(shè)計對控制閥的影響。

煤化工控制閥；工藝設(shè)計；選型

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2016.04.006

控制閥是控制系統(tǒng)全部自動化中最重要的執(zhí)行機構(gòu)組織，其質(zhì)量的優(yōu)劣效果將直接顯現(xiàn)在整個系統(tǒng)的操作質(zhì)量上，作為過程控制中的執(zhí)行操作組件，人們對其重要性的認(rèn)識跟過去相比有了較大提升。控制閥應(yīng)用質(zhì)量的優(yōu)劣，除產(chǎn)品自身質(zhì)量、使用、維護外，正確地計算、選型十分重要。由于控制閥計算選型的失誤，造成系統(tǒng)開開停停，有的甚至無法投用，所以從最基礎(chǔ)的工藝設(shè)計上，筆者就優(yōu)化控制閥選型的幾項重要因素進行分析。

1　控制閥選型的基本原則

控制閥選型的基本原則包括以下幾個：①結(jié)合工藝設(shè)計的要求，確定適宜的組件形式和材料品種；②結(jié)合工藝控制的特性，確定控制閥的流量特性；③結(jié)合工藝工作的數(shù)據(jù)，確定適宜的控制閥口徑大??；④結(jié)合工藝設(shè)計過程的特點，確定其必備的配件裝置；⑤選擇正確的執(zhí)行組件，組件相應(yīng)參數(shù)需滿足工藝要求。

在實際的操作過程中應(yīng)該主要注重以下幾個方面影響條件：①閥芯特性組織：特別要參照所確定的流量特點和不平衡力等條件選擇；②抗磨性：當(dāng)流體介質(zhì)是含有高濃度磨損性顆粒的懸浮液時，閥門的內(nèi)部材料要具備一定的硬度；③耐腐蝕性：因為介質(zhì)具有腐蝕性，最大可能地選擇結(jié)構(gòu)簡單的閥門，注意閥內(nèi)件材質(zhì)的耐腐蝕性；④介質(zhì)的溫度、壓力：當(dāng)介質(zhì)的溫度、壓力高且變化大時，應(yīng)選用閥芯和閥座的材料受溫度、壓力變化影響小的閥門；⑤防止閃蒸和氣蝕：閃蒸和氣蝕只產(chǎn)生在液體介質(zhì)。在實際生產(chǎn)過程中，閃蒸和氣蝕會形成振動和噪聲，縮短閥門的使用壽命，因此在確定閥門時應(yīng)盡量減少閥門產(chǎn)生閃蒸和氣蝕。

被挑選的執(zhí)行組件必須符合控制閥運行過程和工藝對泄漏量等級的要求。一般情況下，要是選擇了壓力控制閥，就需結(jié)合實際可能存在的壓差來適當(dāng)調(diào)整增大，也就是說需要執(zhí)行組件必須供給足夠大的作用力。否則，就會在工藝設(shè)計上出現(xiàn)問題的時候，控制閥兩方的實際壓差差距太大，造成關(guān)不上或者啟動不了的嚴(yán)重后果。

2　常見控制閥類型

煤化工生產(chǎn)工藝中，控制閥常見的閥型為角閥、Globe閥及偏心旋轉(zhuǎn)閥，按照工藝設(shè)計的不同，各控制閥優(yōu)劣不同。

2.1偏心旋轉(zhuǎn)閥

偏心旋轉(zhuǎn)閥因流通能力強、可調(diào)比大、流道簡單、防堵能力強等特點，因此常用于水回收系統(tǒng)的灰水或黑水控制上。結(jié)合灰水顆粒成分及壓差，通過現(xiàn)代計算流體軟件（CFD）的模擬分析，設(shè)計了低流阻、耐沖刷球芯型面及適應(yīng)小開度調(diào)節(jié)的型腔及球芯型面。閥芯閥座可以采用堆焊特殊硬質(zhì)粉末合金、超音速火焰噴涂技術(shù)，也可選用燒結(jié)WC技術(shù)，大大提高閥內(nèi)件及閥體的耐沖刷能力，完全能夠適應(yīng)更加廣泛而苛刻的使用條件。

偏心旋轉(zhuǎn)閥包含鍛件閥體結(jié)構(gòu)、鑄件閥體結(jié)構(gòu)兩類，并具備法蘭式及對夾式兩種形式，可實現(xiàn)60°轉(zhuǎn)角至90°轉(zhuǎn)角。鍛件閥體可很好地進行超音速噴涂、等離子堆焊等工藝操作，硬化層與基體材料結(jié)合力強，適用于固體含量大的場合，鑄件閥體易于成型，適宜固體顆粒小、含量少、壓差低的灰水工況。閥芯、閥座可采用堆焊鎳基合金、噴涂碳化鎢、整體實體碳化鎢等工藝方式。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)經(jīng)過CFD流體分析軟件進行了不同開度下流體參數(shù)分析，可有效避免薄弱環(huán)節(jié)受到?jīng)_刷。

2.2角閥

黑水角閥主要用于高壓差、強沖刷、強腐蝕、介質(zhì)中含有固體顆粒和有閃蒸工況的流量及壓力控制。產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于煤化工行業(yè)黑水介質(zhì)的壓力及流量調(diào)節(jié)。同一般的控制閥相比，要求黑水角閥更耐沖刷，適用于高壓差，并且便于維修。

閥體采用流體介質(zhì)自隔離的平衡式自循環(huán)處理結(jié)構(gòu)，避免大量煤粉顆粒進入閥門閥桿與填料部分，有效地解決了因磨損而產(chǎn)生的閥門外漏。內(nèi)腔光滑的流線型設(shè)計結(jié)構(gòu)，有效避免了顆粒介質(zhì)對閥體內(nèi)壁的沖擊。

目前國內(nèi)外的黑水角閥大都采用整體碳化鎢材質(zhì)的閥芯閥座，通過合適的選型計算，先進的流道設(shè)計模擬，閥芯閥座連接結(jié)構(gòu)的不斷改進，適當(dāng)?shù)膬?nèi)件材質(zhì)使用和硬化處理手段，可以大大提高閥門使用壽命，是高壓差、高含固量介質(zhì)的首選控制閥。

2.3G lobe閥

Globe閥在煤化工行業(yè)中一般指的是直行程的單座閥或者套筒閥。其閥芯與閥座的不同設(shè)計結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)廣泛的位置應(yīng)用，通過套筒的加入，進一步提升閥門的防振動、降噪聲能力，令其應(yīng)用在更高的壓差工況。

當(dāng)介質(zhì)由閥瓣下方進入閥門時，操作力所需要克服的阻力是閥桿和填料的摩擦力與由介質(zhì)的壓力所產(chǎn)生的推力，關(guān)閥門的力比開閥門的力大，所以閥桿的直徑要大，否則會發(fā)生閥桿頂彎的故障。在設(shè)計出自密封式的控制閥門以后，閥門的介質(zhì)流向就改由閥瓣上方進入閥腔，由于介質(zhì)壓力的作用，就會造成關(guān)閉閥門的時候用力小，啟動閥門時作用大的情況，操作閥桿就會相應(yīng)地減小徑圍。同時，受介質(zhì)的影響，此種控制閥就會相對嚴(yán)密。

Globe控制閥適用范圍廣闊，閥內(nèi)件多采用堆焊鎳基合金、超音速噴涂碳化鎢等硬化措施提高其使用壽命。

3　化工行業(yè)控制閥應(yīng)用現(xiàn)狀

（1）煤化工專用閥門應(yīng)用場合包括以下幾類：①煤漿（粉）輸送，包括水煤漿（間接液化）、油煤漿（直接液化）等；②吹灰系統(tǒng)；③廢水處理系統(tǒng)；④排渣系統(tǒng)。

（2）煤化工行業(yè)閥門控制介質(zhì)特點有以下幾點：①介質(zhì)溫度高，輸送溫度最高可達350℃；②氣液固三相流體工況復(fù)雜；③工作壓力高，壓差可達10MPa以上，導(dǎo)致介質(zhì)流速高；④介質(zhì)中含有氯離子、氨、鉀鹽、硫化氫或磷酸等強腐蝕介質(zhì)。

（3）煤化工行業(yè)用閥現(xiàn)狀有以下兩種情況：①煤化工裝置關(guān)鍵閥門基本依靠進口，由于進口閥門價格昂貴，使用壽命短，導(dǎo)致頻繁停車，再加上制造廠遠離中國，售后服務(wù)不及時，成為煤化工裝置正常運行的“瓶頸”，近年隨著國內(nèi)閥門廠家的技術(shù)提升以及大量的使用業(yè)績增加，煤化工控制閥的國產(chǎn)化比例也在不斷提高；②以現(xiàn)在的煤化工裝置為例，每運行3～6個月，就需停車檢修。關(guān)鍵控制閥沖刷、腐蝕嚴(yán)重，不能長周期穩(wěn)定運行，是制約裝置正常運行的瓶頸設(shè)備。

4　工藝設(shè)計對控制閥影響

4.1影響選型的設(shè)計工藝

（1）相對于傳統(tǒng)的表面涂層工藝，優(yōu)先考慮高參數(shù)控制閥的閥體及內(nèi)件，采用耐腐蝕基材配以更先進的表面硬化措施，使控制閥過流部件具有更優(yōu)的基體結(jié)合力和耐磨性。

（2）通過建立計算流體動力的數(shù)學(xué)模型，為高參數(shù)控制閥奠定理論研究基礎(chǔ)。

（3）利用專用CFD流體分析軟件分別針對煤化工高溫、高壓差、含固體顆粒工況介質(zhì)對閥門沖蝕的影響因素，提出高參數(shù)控制閥耐沖蝕結(jié)構(gòu)工藝的設(shè)計方法。

4.2工藝參數(shù)對結(jié)構(gòu)形式和材料確定的影響

結(jié)合閥體的結(jié)構(gòu)形式和工藝管道的布置情況，合理選擇Globe閥、角閥、偏心旋轉(zhuǎn)閥。確定控制閥之前，要對控制過程的介質(zhì)、工藝條件和參數(shù)進行細(xì)心的分析，收集足夠的數(shù)據(jù)，了解系統(tǒng)對調(diào)節(jié)閥的要求?？梢詮囊韵聨讉€方面考慮。

（1）閥芯的形狀結(jié)構(gòu)主要結(jié)合所確定的流量特性和不平衡力等因素考慮。

（2）耐磨損性。當(dāng)流體介質(zhì)是含有高濃度磨損性顆粒的懸浮液時，閥芯、閥座接合面每一次關(guān)閉都會受到嚴(yán)重摩擦。因此閥門流道及內(nèi)部材料要光滑。

（3）耐腐蝕。由于介質(zhì)具有腐蝕性，在能滿足調(diào)節(jié)功能的情況下，應(yīng)盡量確定簡單的閥門。

（4）介質(zhì)的溫度、壓力。當(dāng)介質(zhì)的溫度、壓力高且變化大時，應(yīng)選用閥芯和閥座所用材料受溫度、壓力變化影響小的閥門。

（5）減少閃蒸和氣蝕。閃蒸和氣蝕不僅影響流量系數(shù)的計算，還會形成振動和噪聲，使閥門的使用壽命變短。如在振動和噪聲較大的場合選用套筒閥合適，而介質(zhì)有黏性或帶有微小顆粒時，則選用偏心旋轉(zhuǎn)閥較合適。

4.3確定控制閥的流量特性

控制閥的流量性質(zhì)也就是常說的介質(zhì)通過控制閥的相對量與位移變化的關(guān)系特性，實驗狀態(tài)下的流量特性常有拋物線型、對數(shù)型、快開、直線型等4種，實際中經(jīng)常用到的就是對數(shù)、直線、拋物線型3種。拋物線型存在于直線和對數(shù)之間，經(jīng)常用對數(shù)來代替，而快開特性主要用于二位調(diào)節(jié)及程序控制中，所以經(jīng)常說，控制閥特性的確定也就是直線和對數(shù)流量特性的確定。

5　結(jié)語

控制閥的選型是一項比較細(xì)致的任務(wù)，不單單要求擁有扎實的專業(yè)知識，還需要擁有較深厚的工藝設(shè)計知識，依據(jù)工藝設(shè)計要求確定合適、高效的控制閥，往往事半功倍。選擇一個好的控制閥不單有助于控制回路PID參數(shù)的整定，從而更加有效地控制被調(diào)參數(shù)，同時也會提高控制閥的使用壽命?？刂崎y的確定要因地、因時制宜，也不是確定不變的，要求人們在實踐的過程中結(jié)合工藝設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)不斷總結(jié)和創(chuàng)新，結(jié)合機電一體化技術(shù)、計算機和數(shù)字信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用水平，控制閥的結(jié)構(gòu)功能就會變得更好、更全面，為確定控制閥提供極大的方便。

［1］王懷義.石油化工管道安裝設(shè)計便查手冊（第二版）［M］.北京：中國石化出版社，2007.

［2］中國石化集團上海工程有限公司.化工工藝設(shè)計手冊（第三版）下冊［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

［3］張德姜，趙勇.石油化工工藝管道設(shè)計與安裝［M］.北京：中國石化出版社，2001.

［4］張德姜，王懷義，劉紹葉，等.石油化工裝置工藝管道安裝設(shè)計手冊［M］.北京：中國石化出版社，2013.

Influence of the Process Design on Type Selection of Control Valve in Coal Chem ical Industry

YANG Rui，XING Ying，ZHENGWei，F(xiàn)ENG Jian-dong
（Beijing Aerospace Petrochemical Technology and Equipment Engineering Co.，Ltd.，Beijing 100176 China）

Control valve is themost important implementing organization in the entire automation of the control system，the quality ofwhich will be directly shown in the quality of the whole system operation.With the improvement of the level of industrial automation，control valve，as an important component，will be applied to each link of the production process.Itsquality has direct impacton the production efficiency.Therefore，the selection of a high quality，high efficiency control valve is the key to controlling the entire production process.This paper，from the perspective of process design，introduces the basic principles of control valve selection，analyzes the application status of control valve in chemical industry and expounds the influence of process design on control valve.

coal chemical control valve；process design；type selection

10.3969/j.issn.1004-8901.2016.04.006

TQ055.81

B

1004-8901（2016）04-0020-003

2016-05-03

楊銳（1982年-），男，黑龍江哈爾濱人，2008年畢業(yè)于北京航空航天大學(xué)流體機械及工程專業(yè)，碩士研究生，工程師，現(xiàn)主要從事閥門銷售等工作。