盤閥在“寧煤爐”上的選型和應用

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

盤閥在“寧煤爐”上的選型和應用

郭中山1，張國民1，趙亮1，郭金1，楊歡2

(1.神華寧煤集團煤制油分公司，寧夏 銀川 750000；2.北京航天石化技術裝備工程公司，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，可供同類裝置盤閥選型參考。

盤閥；寧煤爐；選型

煤氣化技術是煤炭深加工的龍頭技術，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煤間接液化項目是我國“十二五”煤炭深加工示范項目規(guī)劃確定的重點示范項目，承擔多項重大技術工業(yè)化示范和裝備國產(chǎn)化任務。氣化裝置共有7個系列，使用氣化爐28臺，其中第7系列的25～ 28號4臺氣化爐采用的是神寧煤業(yè)集團擁有自主知識產(chǎn)權的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)定給料的關鍵閥門，在以往類似的裝置上，一般都按進口金屬密封球閥選型和采購。由于這些閥門操作壓差大、開關頻繁、沖刷嚴重，進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)有了較多應用，使用效果也得到了眾多用戶的認可。神華寧煤集團首批4臺寧煤爐選用了北京航天石化技術裝備工程有限公司(北京航天動力研究所)56臺耐磨盤閥作為上述閥門的主要閥型，經(jīng)過緊張地調試和投煤試車，28#氣化爐已經(jīng)成功產(chǎn)出合格粗煤氣，盤閥運行狀態(tài)良好，達到了預期目的。

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兩位閥，廣泛應用于高溫、高壓、高硬度顆粒狀介質、磨損嚴重并且需要嚴密關斷的苛刻工況。盤閥動作靈活、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)帶動閥桿組件(由套筒、連板和閥軸組成的焊接件)旋轉，帶動閥盤繞閥軸做一定角度的擺動，實現(xiàn)閥門的切斷功能。開關過程中，整個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緊力，同時有助于補償閥內件的熱膨脹和收縮，平衡管道壓力，防止小顆粒物質進入密封表面。由于套筒和閥盤之間間隙δ的存在，在摩擦力的作用下，閥盤在繞閥軸擺動的同時會一定程度地自動旋轉，這種自動旋轉可以拋光密封面和鏟掉密封面堆積物，盤閥開關過程示意見圖1。

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

1.2 盤閥結構

盤閥的結構型式主要有2種(均已申請專利)：單盤閥[1]和雙盤閥[2]。單盤閥閥腔內只有一個閥盤、一個閥座，閥門關閉后主要承受來自于下游的關閉壓差，允許的正向(自上而下)壓差很小，對于口徑較大(例如DN300)的閥門，一般只用在需要單向密封的場合。雙盤閥閥腔內有兩個閥盤、兩個閥座，允許介質雙向流動，雙向密封。閥門關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。每臺閥有一個獨立的執(zhí)行機構。單盤閥結構示意見圖2，雙盤閥結構示意見圖3。

圖2 單盤閥結構示意注：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 雙盤閥結構示意注：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，保證雙閥的嚴密關斷，特別是主管線切斷閥。雙閥的開關是有推薦順序的，下料時先開下閥，再開上閥；關閉時，先關上閥，再開下閥，可以保證下閥始終處于受保護的狀態(tài)。在某些非順控手動操作下，可能會出現(xiàn)下料時先開上閥的情況，造成在下閥打開之前，上閥閥腔內可能已經(jīng)灌滿物料。下料結束，關閉閥門時，上閥閥腔內可能會殘留一些物料，導致上閥無法正常關閉到位或者再次打開時無法完全打開。為了應對這種情況，需要在閥腔設置吹掃口，并引入高壓CO2或者N2作為吹掃氣，對閥腔進行斷續(xù)的吹掃，每次吹掃5s左右，并反復開關閥門，直到閥門正常開關。也可在吹掃管路增加DN25、600Lb氣動耐磨閥1套，實現(xiàn)自動吹掃。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，介質硬度高、磨損嚴重，并且常常在高壓差、高扭矩的條件下頻繁開關動作，閥門主要材質的選擇對閥門的性能和壽命有著重要影響。

根據(jù)溫度、壓力、介質的性質，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。閥體一般都為鍛件，對一些口徑較大的閥門，會選擇鑄件。選擇鑄件時，除了要進行嚴格的壓力試驗，還要按B16.34等相關標準，對閥體頸部等一些易出現(xiàn)鑄造缺陷的薄弱部位進行射線檢查、超聲波檢查等無損檢查，確?，F(xiàn)場使用安全。為了避免介質對閥體沖刷，閥體流道內壁需進行硬化處理。

閥桿組件是閥門承受扭矩的主要部件，閥桿材質一般選擇17-4PH等高強度耐腐蝕合金鋼，并進行合適的熱處理。閥桿表面進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，可以選擇高強度的奧氏體不銹鋼等材質。

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

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

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

寧煤爐煤鎖斗設計壓力為6.2 MPa(g)，操作壓力為5.2 MPa(g)，設計溫度為150 ℃，A/B鎖斗循環(huán)給料，閥門每30 min開關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)，閥座密封等級要求在ANSI B16.104 VI級以上。不同工位對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構。

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。

煤鎖斗為壓力交變容器，出口連接高壓煤進料罐，正常情況下，給料罐的壓力不會低于鎖斗的壓力，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，鎖斗壓力會高于給料罐的壓力，閥門頻繁地承受正向壓差，此時如果閥門不能保證正向面密封性能，閥門密封面會受到不斷地沖刷。在正向、反向壓差的反復作用下，閥門的密封性能會急劇下降，甚至在較短時間內完全失效。為了應對這種異常情況，鎖斗出口切斷閥，至少要有1臺閥門能夠保證可靠的雙向密封，來實現(xiàn)鎖斗和給料罐的嚴密隔斷。由于單盤閥的懸臂梁結構，靠提高碟簧力來實現(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，也避免了因閥門內漏，造成閥門打開時憋壓、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臺單盤閥串聯(lián)安裝。鎖斗充壓時，壓差自下而上，高壓氣體被2臺單盤閥嚴密切斷，不會進入煤倉。鎖斗泄壓時，單盤閥閥腔內的氣體會一起泄掉。鎖斗泄壓完畢，2臺閥的閥腔及煤倉、鎖斗均為低壓，沒有高壓區(qū)，閥門打開時壓差很小，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。當給料罐第一次加壓時，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，高壓氣體會將單盤閥的閥盤頂開，進入到單盤閥的閥腔和兩閥之間的空腔。當鎖斗壓力與給料罐的壓力基本相等時，雙盤閥、單盤閥按順序打開。由于兩閥打開時閥前、閥后均為高壓，基本不存在壓力梯度，不會出現(xiàn)憋壓的情況。

當給料罐正常往氣化爐投料時，給料罐一直保持高壓狀態(tài)，鎖斗泄壓時，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。兩閥打開時閥前閥后均為高壓，同樣基本不存在壓力梯度，也不會出現(xiàn)憋壓的情況。

上述盤閥的選型和安裝次序的設計，已經(jīng)過了實際運行的檢驗，閥門密封可靠，動作輕巧靈活，無卡滯、憋壓的情況出現(xiàn)，滿足工藝要求，達到了預期目的。

4 寧煤爐盤閥配置方法的優(yōu)點

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。

(1)與雙閥一體式盤閥相比，單閥質量輕，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)沒有用碟簧力實現(xiàn)強制雙向密封，閥門的可靠性高。碟簧力過大會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)行機構龐大、安裝檢修困難、負載大、氣源能耗高等一系列潛在問題。

5 結語

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，經(jīng)過了寧煤爐實際運行的檢驗，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)于青島化工學院生產(chǎn)過程自動化專業(yè)，高級工程師，現(xiàn)主要從事煤制油及化工生產(chǎn)管理工作。