黑水調(diào)節(jié)閥選型與計算的探討

劉建兵

(中石化寧波工程有限公司，浙江 寧波 315103)

水煤漿氣化工藝具有技術成熟、流程簡單、過程控制安全可靠、原料適應性強、碳轉(zhuǎn)化率高、粗合成氣質(zhì)量好、環(huán)保性能好、裝置建設投資低、建設周期短等特點。近年來，煤化工產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，水煤漿氣化工藝在煤制氫、煤制甲醇、煤制烯烴、煤制合成氨等工程中得到了廣泛應用。氣化裝置通常為上游裝置或關鍵的工藝裝置，當氣化裝置停車時，將導致下游裝置或與之配套的生產(chǎn)裝置中斷生產(chǎn)，造成較大的經(jīng)濟損失。因此，氣化裝置的長周期穩(wěn)定運行至關重要。根據(jù)多家企業(yè)的水煤漿氣化裝置運行情況，除了耐火磚、工藝燒嘴等關鍵設備外，關鍵閥門也是影響氣化裝置長周期穩(wěn)定運行的重要因素，特別是黑水調(diào)節(jié)閥[1-2]。筆者將基于某項目中的水煤漿氣化工藝對黑水調(diào)節(jié)閥的選型與計算作一探討。

1 工藝流程簡介

水煤漿氣化工藝中的氣化爐和洗滌塔在生產(chǎn)過程中將產(chǎn)生黑水，需要通過黑水閃蒸系統(tǒng)對黑水進行處理，解析黑水中的酸性組分、回收熱量并提濃黑水，工藝流程如圖1所示[3]。

來自氣化爐和洗滌塔的黑水分別經(jīng)調(diào)節(jié)閥LV-01和FV-01減壓后進入高壓閃蒸罐，閃蒸出的水汽以及大部分溶解的酸性氣組分經(jīng)冷卻、分離后送至下游單元進一步處理。高壓閃蒸罐底的黑水經(jīng)調(diào)節(jié)閥LV-02減壓后進入低壓閃蒸罐，閃蒸出的氣相進入除氧器作為汽提用汽。低壓閃蒸罐底部的黑水經(jīng)調(diào)節(jié)閥LV-03減壓后進入1號真空閃蒸罐，1號真空閃蒸罐底部的黑水經(jīng)調(diào)節(jié)閥LV-04減壓后進入2號真空閃蒸罐。1號和2號真空閃蒸罐閃蒸出的水汽和氣相組分經(jīng)冷卻、分離后由真空泵系統(tǒng)排放。2號真空閃蒸罐底部的黑水經(jīng)沉降槽給料泵送至后續(xù)單元[3]。

圖1 黑水閃蒸系統(tǒng)流程示意

2 工況分析

以上工藝流程中采用了四級黑水閃蒸系統(tǒng)，共有5臺調(diào)節(jié)閥用于黑水減壓，該5臺調(diào)節(jié)閥通常稱為黑水調(diào)節(jié)閥。黑水中含有H2S， Cl-等強腐蝕性介質(zhì)，同時還含有氣化反應產(chǎn)生的硬質(zhì)固體顆粒，固體顆粒的質(zhì)量分數(shù)最多能達到4%。黑水中的固體顆粒易發(fā)生沉積，且極易發(fā)生結(jié)垢現(xiàn)象，堵塞閥門流道和工藝管道。

根據(jù)節(jié)流原理，流體在節(jié)流時流速增加而靜壓降低，在節(jié)流處后流束截面并不立即擴大，而繼續(xù)縮小到某最小值，此處流速最大且靜壓最低，稱為縮流斷面?？s流斷面后隨著流通截面的擴大，流體流速減慢，靜壓回升，稱為壓力恢復，而閥門入口壓力p1和出口壓力p2差p1-p2=Δp為不可恢復的壓力損失?？s流斷面處的壓力pvc為節(jié)流過程中最低的靜壓，如果該處的流速增加到足夠高，那么pvc將會降低到不大于閥門入口溫度下的流體飽和蒸汽壓pv，此時部分液體就會氣化成氣體或蒸汽，形成氣泡[4]。流體流出節(jié)流區(qū)后，壓力回升，若壓力回升不超過入口溫度下的流體飽和蒸汽壓(p2≤pv)，如圖2所示，那么流體還將繼續(xù)汽化，在閥門出口形成汽液共存的現(xiàn)象，即兩相流，這種現(xiàn)象稱為閃蒸。

圖2 閃蒸工況調(diào)節(jié)閥的壓力變化趨勢

在黑水閃蒸系統(tǒng)中，黑水調(diào)節(jié)閥的主要作用是對閥門入口的黑水介質(zhì)進行減壓，且黑水調(diào)節(jié)閥需承受較大的壓差。經(jīng)過減壓，黑水調(diào)節(jié)閥的出口壓力p2低于入口溫度下的介質(zhì)飽和蒸汽壓pv，形成閃蒸。通過黑水調(diào)節(jié)閥的閃蒸，解析黑水中的酸性組分、回收熱量并提濃黑水。正是由于發(fā)生了閃蒸現(xiàn)象，閥后部分黑水汽化成水蒸氣，閥后的流體體積急劇膨脹，較閥前的體積流量增加了數(shù)十倍甚至數(shù)百倍，形成了高速流動的汽液固三相流。黑水液滴、硬質(zhì)固體顆粒高速沖刷閥內(nèi)件和閥后管道管件，對閥內(nèi)件和閥后管道管件造成嚴重的沖刷磨蝕破壞，同時產(chǎn)生噪音和劇烈的震動[5]。

3 閥門選型

通常在工程設計中遇到閃蒸工況，應首選消除閃蒸?；诠に嚵鞒毯凸艿啦贾玫男枰?，黑水調(diào)節(jié)閥的閥前和閥后壓力無法調(diào)整，不能實現(xiàn)p2>pv。如果采用串聯(lián)調(diào)節(jié)閥或者在閥后增加限流孔板，可以提升上游調(diào)節(jié)閥的閥后壓力，消除上游調(diào)節(jié)閥的閃蒸，但是下游調(diào)節(jié)閥和下游限流孔板的閃蒸依然無法消除，這兩種方法只是轉(zhuǎn)移了閃蒸發(fā)生的位置；而且，根據(jù)工況分析，黑水調(diào)節(jié)閥并非單純的閃蒸，伴隨著壓力的降低，黑水中已溶解氣體的解析不可避免，下游調(diào)節(jié)閥和下游限流孔板的入口也將出現(xiàn)汽、液、固三相流，工況仍然十分惡劣，同時串聯(lián)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能也受到局限。因此，不推薦采用串聯(lián)的方法，建議仍由單個閥門實現(xiàn)減壓調(diào)節(jié)。

黑水調(diào)節(jié)閥的工況具有高壓差、閃蒸、入口為液體固體混合流體而出口為汽液固三相流體、出口高流速、含硬質(zhì)固體顆粒且易沉積和結(jié)垢等苛刻條件，因而應選用具有自清潔功能的角閥。自清潔角閥的設計應滿足以下要求：

1) 閥體流道采用流線型結(jié)構(gòu)[5]，避免介質(zhì)流動時形成急轉(zhuǎn)彎或滯流點，同時能有效控制閥門入口的流速[6-7]，避免介質(zhì)對閥體和閥桿產(chǎn)生高速沖刷。

2) 閥腔內(nèi)無沉積死角，避免固體顆粒的沉積和堵塞[8]。

3) 閥芯、閥座采用碳化鎢材質(zhì)，以抵御含硬質(zhì)固體顆粒三相流體的高速沖刷[9]。

4) 具有可靠的碳化鎢閥芯連接結(jié)構(gòu)和工藝，避免出現(xiàn)閥芯斷裂或脫落。

5) 增強型閥桿設計和穩(wěn)定的導向結(jié)構(gòu)，以承受高壓差和閃蒸產(chǎn)生的振動，同時便于匹配大推力執(zhí)行機構(gòu)。

6) 自清洗導向設計，便于清除閥桿表面附著的固體顆粒和垢質(zhì)，防止固體顆粒進入導向套管間隙而造成閥門卡澀，也避免填料函損壞而導致黑水泄漏。

7) 閥門出口配碳化鎢材質(zhì)的文丘里擴口延伸管，避免閃蒸后的高速三相流體沖蝕閥體、閥門出口法蘭、下游管道或管件，保證閥門長期穩(wěn)定運行。

在進行黑水調(diào)節(jié)閥選型時，還應特別關注各部件材質(zhì)的選擇。閥體材質(zhì)的選擇應充分考慮耐腐蝕性和耐磨蝕性，通常選用奧氏體不銹鋼或雙相鋼，由于各裝置原料煤的腐蝕成分差別較大，所選閥體材質(zhì)不應低于工藝管道材質(zhì)。為抵御含硬質(zhì)固體顆粒三相流體造成的沖蝕，閥芯、閥座和文丘里擴口延伸管通常選用碳化鎢材質(zhì)，碳化鎢具有較高的硬度和較好的耐磨蝕性，但同時也較脆，如閥芯和閥座發(fā)生撞擊容易導致碎裂，因而執(zhí)行機構(gòu)應具有可調(diào)整的機械限位。閥門安裝調(diào)試后應立即設定最小機械限位，防止發(fā)生碰撞。閥門投用前應確保上游的管道和容器設備內(nèi)無雜物，避免較大尺寸雜物在閥座處卡塞，導致閥芯和閥座發(fā)生間接撞擊。

國內(nèi)外多家閥門制造商都針對黑水閃蒸工況開發(fā)了專門的自清潔角閥，各品牌的自清潔角閥具有各自的設計特點。近年來，國產(chǎn)品牌通過產(chǎn)品性價比的提升和快速的現(xiàn)場服務響應在黑水調(diào)節(jié)閥應用領域取得了顯著的進步。

4 計 算

黑水調(diào)節(jié)閥的入口為液體(含固體顆粒)狀態(tài)，其CV值計算按照液體工況的計算方法執(zhí)行即可，現(xiàn)以LV-01為例進行說明。

首先判別流體是否為阻塞流，對于液體工況，發(fā)生阻塞流的條件是下式成立：

(1)

式中：FL——所選閥門的壓力恢復系數(shù)，可從所選閥門的樣本中查找；Δpcr——出現(xiàn)阻塞流時，閥門的前后壓差，MPa；FF——液體臨界壓力比系數(shù)，可由下式計算得到：

(2)

式(1)和式(2)中的Δp,p1,p2,pv,pc見表1所列。

表1 LV-01詳細工藝參數(shù)

如式(1)成立，則說明屬于阻塞流工況。阻塞流工況下的CV值計算公式如下：

(3)

式中：qV——體積流量，m3/h；ρ/ρ0——相對密度(對于15.5的水，ρ/ρ0=1)；N——常數(shù)，N=8.65×10-1。

如式(1)不成立，則說明屬于非阻塞流工況。非阻塞流工況下的CV值計算公式如下：

(4)

式(4)和式(3)的差別僅在于使用Δp還是使用Δpcr參與計算。

以選用Valtek公司的Survivor系列閥門為例，圖3為該系列閥門的FL值曲線，該曲線中FL最大值為0.89。根據(jù)式(2)，計算得到FF值為0.843。將FL值和FF值代入式(1)計算，可以得到最大、正常、最小工況下的Δpcr均為2.817MPa。對比表1中的Δp，在三個工況下式(1)都成立，因此三個工況都屬于阻塞流工況。然后按照式(3)計算CV值即可。

圖3 閥門開度與FL的關系曲線

從式(3)中可以知道，計算CV值的所有參數(shù)中，F(xiàn)L是根據(jù)所選閥門確定的，其余為工藝參數(shù)或固定系數(shù)。FL值與所選閥門的結(jié)構(gòu)、流路形式有關，在不同開度下閥門的FL值是不同的。圖3的FL值曲線中，最大值為0.89，最小值為0.52。因此，需根據(jù)所選用的閥門大小計算CV值和閥門的開度，并驗證計算CV時所采用的FL值與開度是否匹配。

當FL值分別為0.89和0.52時進行初步計算，F(xiàn)L值選0.89時，CV值分別為56.67， 36.15， 18.56，F(xiàn)L值選0.52時，CV值分別為96.99， 61.87， 31.77。

根據(jù)閥門樣本和初步計算結(jié)果，選擇3個額定CV值作進一步計算，分別是62， 86， 161，其余的額定CV值太小或太大。

根據(jù)FL值曲線，當閥門開度大于37%時，F(xiàn)L值便一直處于0.80～0.89，因而最大工況先選用CV為56.67和額定CV為86的閥門進行驗證計算。Survivor系列閥門的流量特性為線性，計算CV為56.67時，對應開度為65%，查找FL值曲線，65%開度對應的FL值應為0.873。再按照0.873作為FL值進行CV計算，計算CV值為57.77，開度為66.5%，查找FL值曲線，66.5%開度對應的FL值應為0.869。經(jīng)過幾次反復計算可以得到，在選用額定CV為86的閥門時，最大工況的計算CV值為58.10，對應的開度和FL值分別為67%和0.868。正常工況和最小工況也采用相同的方法進行計算，正常工況的計算CV值為37.76，對應的開度和FL值分別為43%和0.852；最小工況的計算CV值為25.23，對應的開度和FL值分別為27%和0.655。

當采用額定CV為62的閥門進行驗證計算，閥門開度分別為95%， 58%， 33%；當采用額定CV為161的閥門進行驗證計算，閥門開度分別為36%， 25%， 18%。根據(jù)SH 3005—1999《石油化工自動化儀表選型設計規(guī)范》的要求，流量特性為線性的閥門的最大開度不應超過80%，若選用額定CV為62的閥門，則閥門處于最大工況時開度過大。若選用額定CV為161的閥門，則閥門將長期處于較小的開度。因此，選用額定CV為86的閥門。

另外，再按照式(4)用Δp代替Δpcr進行計算對比，計算結(jié)果見表2所列。

對比表2中的計算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，如果直接用Δp計算或者FL選取值偏大都會使計算CV值偏小，如果FL選取值偏小會使計算CV值偏大。當計算CV值偏小，會導致所選黑水調(diào)節(jié)閥的額定CV值偏小，造成實際運行時閥門開度偏大影響調(diào)節(jié)性能或者不能滿足工藝流量的要求。若計算CV值偏大，會導致所選黑水調(diào)節(jié)閥的額定CV值偏大，即使裝置運行在滿負荷工況下，閥門的開度仍然較小。小開度運行會加劇黑水調(diào)節(jié)閥的震動、噪音、閥芯和閥座的磨損[1-2，10]，甚至造成閃蒸后的高速汽液固三相流體偏流，進而損壞閥門文丘里擴口延伸管、閥體以及閥后的管道或管件。多家企業(yè)的水煤漿氣化裝置通過更換更小CV值的閥內(nèi)件，提高閥門的正常運行開度，可有效解決該問題。根據(jù)相關企業(yè)的運行經(jīng)驗，黑水調(diào)節(jié)閥的最小開度不應小于20%，正常開度不應小于40%。因此，在進行黑水調(diào)節(jié)閥計算時，應合理選擇計算公式、閥門的額定CV值、計算時采用的FL值。

表2 CV值計算結(jié)果

5 其他問題

在工程設計中除了關注黑水調(diào)節(jié)閥的選型和計算外，還應重視和管道設計的協(xié)同配合。黑水調(diào)節(jié)閥后汽液固三相流體的流速很高[11]，管道設計中應該采取合理的措施降低閥后管道或管件損壞的風險。例如，在閥后設置大口徑的緩沖罐，在高流速區(qū)域采用硬質(zhì)合金內(nèi)襯，在沖擊區(qū)域采用加厚耐磨材料等。由于黑水調(diào)節(jié)閥處于閃蒸工況，閥門和與之相連的管道系統(tǒng)震動劇烈。閥門的氣源連接推薦采用金屬軟管，信號電纜應預留伸縮裕量。同時，應加強管道支撐的設計，避免由于劇烈震動損壞閃蒸罐的設備管口。

6 結(jié)束語

黑水調(diào)節(jié)閥作為水煤漿氣化工藝中工況最苛刻的調(diào)節(jié)閥，其運行的可靠性直接關系到氣化裝置的長周期穩(wěn)定運行。工程設計中應高度重視黑水調(diào)節(jié)閥的選型與計算，為氣化裝置的安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)運行打好基礎。

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