煤化工調節(jié)閥改進設計

于陽

摘 要：為了提高調節(jié)閥使用性能，本研究對煤化工調節(jié)閥進行改進設計。構建調節(jié)閥的三維模型，借助流體力學原理，從連續(xù)性方程、動量方程、能量方程3個方面闡述煤化工調節(jié)閥的運行原理。同時，根據煤化工生產需求，將球閥閥芯設計成兩體分離式結構，優(yōu)化調節(jié)閥加工工藝，進行閥門特性測試。試驗證明，改進的調節(jié)閥使用效果良好，堵塞、磨損等問題都得到了較好的解決，構件使用周期也有了良好的保證。

關鍵詞：煤化工;調節(jié)閥;加工工藝

中圖分類號：TQ53 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）32-0038-03

Improved Design of New Type Coal Chemical Control Valve

YU Yang

（CHN ENERGY Ningxia Coal Industry Co.， Ltd.， Yinchuan Ningxia 750011）

Abstract： In order to improve the performance of the regulating valve， this study improves the design of the coal chemical control valve. In the meantime， a three-dimensional model of the control valve is constructed， and the operating principle of the coal chemical industry control valve is explained from the three aspects of continuity equation， momentum equation and energy equation with the help of the principle of fluid mechanics. At the same time， according to coal chemical production requirements， the ball valve core is designed into a two-part separable structure， the processing technology of the regulating valve is optimized， and the valve characteristic test is carried out. Tests have proved that the improved regulating valve has a good use effect， problems such as blockage and wear have been better solved， and the service life of the components is also well guaranteed.

Keywords： coal chemical industry;regulating valve;processing technology

隨著我國工業(yè)的發(fā)展，近年來，煤化工生產與制造成為熱門行業(yè)。在現代化技術的支撐下，我國已從煤焦油、煤氣化等低效率工種逐步向煤質燃料等綜合行業(yè)發(fā)展。隨著行業(yè)的更新，與之相關的設備也需要向綜合參數、大口徑方面優(yōu)化。目前，我國制造業(yè)在此方面的科技研究仍處于“零成果”狀態(tài)，這也證明此項研究具有迫切性。

調節(jié)閥是煤化工生產與制造工藝的重要支撐設備，也是大部分煤化工企業(yè)的主要運行裝置。目前使用較多的調節(jié)閥包括截止閥、球閥及閘閥等。煤化工作業(yè)環(huán)境較為復雜，這些集成在煤化工裝置中的調節(jié)閥需要長期運行在高溫（>500.0 ℃）與高壓（>30.0 MPa）環(huán)境。我國早期已嘗試從國外引進優(yōu)化的調節(jié)閥制造技術，但由于國內外的生產模式不同，引進的技術與設備與我國煤化工生產存在不匹配問題[1]。例如，山東某大型煤化工企業(yè)花費大量資金引進Masoneilan調節(jié)閥，用于企業(yè)生產中的黑水宏觀調整。但是，由于黑水操作處理的工況與作業(yè)環(huán)境較差，且黑水中含有較多的顆粒物與固態(tài)物，導致花費大量資金引進的調節(jié)閥在使用一周后出現內部構件損壞問題，甚至對企業(yè)的常規(guī)生產與正常運營造成負面影響。根據企業(yè)使用后的反饋，由于調節(jié)閥異常問題，其大型持續(xù)運行裝置已出現多次違規(guī)停運，不僅影響企業(yè)生產，也對企業(yè)造成了大量財產損失。因此，優(yōu)化現有煤化工調節(jié)閥，完善調節(jié)閥使用方法，已成為工業(yè)領域內急需解決的關鍵問題。

1 煤化工調節(jié)閥改進設計

1.1 基于三維建模的煤化工調節(jié)閥運行原理

為了優(yōu)化煤化工調節(jié)閥構件設計，要使用三維建模軟件，分析調節(jié)閥運行原理[2]。在此過程中，根據企業(yè)現場的實際工況，構建一個針對調節(jié)閥的三維模型，借助流體力學原理，進行建模分析。此過程涉及的調節(jié)閥流體力學方程如表1所示。

其中，連續(xù)性方程是指調節(jié)閥在實際應用中遵循質量守恒定律。對于所有經過調節(jié)閥的流體，都可以采用連續(xù)介質模型的方式，進行密度與速度關系的表達，因此也可以將此函數表示為微函數。式中：ρ表示流體密度;t表示流體流經周期;div表示流體散度;p表示質量;u表示空間連續(xù)性。

動量方程可以認為是物質經過調節(jié)閥時所受到的合力計算公式，可將合力計算看作流體加速度與質量的乘積，也可將其理解為閥門流體微團受力的動量變化[3]。式中，P表示流體做功;F表示流體的體積力。

能量方程是能量守恒定律的衍生物，可以將此方程表示為單位時間內閥門流經流體的增加能量。在進行能量守恒計算時應注意，方程中不可導入具有不可壓的黏性流體。

按照上述公式，進行煤化工調節(jié)閥運行特性的計算，計算的整體過程包括對調節(jié)閥整體結構合理性的分析、閥門流體網格劃分、數值前期處理、數值求解計算、數值后期處理等，只有在計算中將真實數值代入標準的方程式，才能保證調節(jié)閥改進設計的合理性。

1.2 閥門結構選型改進

調節(jié)閥在煤化工生產線應用時，若流經閥門的流體含有粒徑較大的顆粒介質，流道轉折處將產生一定的堵塞風險。當介質長期堆在腔體內時，局部會受到大量沖刷，從而出現沖漏現象[4]。因此，要結合上文對調節(jié)閥運行原理的分析，進行閥門結構選型改進。根據煤化工生產需求，可將球閥閥芯設計成兩體分離式結構，其中密封面優(yōu)選耐沖、耐磨、耐損等的硬質類合金材料。此種方式可以較好地解決閥芯密封結構在實際應用中存在的被沖刷、磨損問題。同時，閥門基礎結構可以選擇流線型外形，優(yōu)選不銹鋼作為設計原材料，以此解決煤化工生產中的煤粉堆積問題。

大部分煤化工企業(yè)需要調節(jié)閥作為運行支撐，因此調節(jié)閥選用高密封性能與高綜合性能的球閥[5]。通常，球閥由左閥門、右閥門與閥座等構成。由于球閥的機械性與耐磨性較強，因此對應的楔形材料也需要耐高溫與耐腐蝕。只有滿足設計需求，才能確保改進設計后的調節(jié)閥適應煤化工惡劣的作業(yè)環(huán)境。

1.3 加工工藝優(yōu)化與閥門特性測試

完成上述設計后，可從調節(jié)閥的加工工藝入手進行優(yōu)化。調節(jié)閥性能要求較高，在進行加工工藝優(yōu)化時，要將重點置于閥門支座與底座的設計上，即設計一體化的閥門球體。高強度表面采用硬化處理的方式進行研磨，確保表面具有較高的平滑性與平整度。當表面光整度達到一定標準后，密封帶將保持較高的連續(xù)性，滿足調節(jié)閥零泄漏的使用要求。

調節(jié)閥投入使用前，要進行閥門特性測試。將調節(jié)閥的環(huán)境溫度上升到550.0 ℃，設置閥門密封等級，保持此種狀態(tài)5.0 s后，閥門將進行頻繁的動作[6]。特性測試使用的流體介質為黑水，此種材料對閥門有一定的腐蝕性和磨損性。調節(jié)閥運行一段時間后，球體表面仍然保持較高的光滑度。改進設計后的調節(jié)閥可滿足煤化工企業(yè)生產運行需求。按照上述方式優(yōu)化加工工藝，對煤化工調節(jié)閥進行改進設計，可以為我國煤化工生產提供更優(yōu)的技術與更高性能的構件。

2 對比試驗

目前，本次煤化工調節(jié)閥改進設計仍處于理論研究階段，尚未有單位應用設計成果。因此，在完成設計后，提取試驗成果，對其使用性能進行分析。這里選擇某煤化工企業(yè)作為試驗對象。該企業(yè)屬于大型企業(yè)，主營業(yè)務為煤礦生產和煤化工生產。生產工況數據表明，該企業(yè)在運用煤氣化工藝時會排出大量的黑水與灰水（氣流床高壓煤粉在處理時會產生循環(huán)水，其中含有大量細灰）。通常，黑水與灰水會經過碳洗塔、激冷室、渣池等作業(yè)區(qū)域，因此水體的濁度較高。根據企業(yè)反饋，該工況下原使用的煤化工調節(jié)閥平均使用壽命為3個月。使用壽命超出3個月后，調節(jié)閥會受到黑水的影響，出現閥內堵塞或構件被侵蝕的現象，從而影響裝置整體運行。因此，選擇該企業(yè)作為試驗對象是可行的。

完成上述準備工作后，將改進設計的煤化工調節(jié)閥與煤化工生產設備對接，替換企業(yè)原有的調節(jié)閥，進行設計調節(jié)閥的試運行。試運行設計4次黑水升程，獲取黑水升程中調節(jié)閥對流量的調節(jié)效果，將新型煤化工調節(jié)閥試運行數據繪制成折線圖，如圖1所示。

從圖1調節(jié)閥試運行效果可知，在4次升程中，調節(jié)閥可實現對灰水流量的主動調節(jié)，直至流量上升到最高點。上述測試初步證明了改進設計的調節(jié)閥具有一定的應用可行性。完成上述測試后，選擇試點企業(yè)內的兩條煤氣化生產線，分別使用本文設計的調節(jié)閥與改進設計前的調節(jié)閥進行煤氣化生產。試驗周期為半年，記錄兩條生產線中調節(jié)閥對灰水流量的調控情況?，F場技術人員負責整理每天數據，將整理后的試驗結果繪制成折線圖，如圖2所示。

從圖2試驗結果可以看出，本文設計的新型煤化工調節(jié)閥對灰水流量的調節(jié)一直處于主動狀態(tài)，灰水流量控制呈相對穩(wěn)定的狀態(tài)，控制效果較優(yōu)，可以滿足煤化工企業(yè)煤氣化工藝需求。未改進的煤化工調節(jié)閥前3個月的調節(jié)效果較優(yōu)，在3個月以后，灰水流量調節(jié)呈被動下降趨勢。經分析，灰水含有大量的固體顆粒，顆粒會堵塞閥門通道，限制閥門流量，這時需要更換調節(jié)閥，否則將影響整條生產線的運行。對比試驗表明，相比未改進設計的煤化工調節(jié)閥，改進設計的煤化工調節(jié)閥使用效果良好，堵塞、磨損等問題都得到了較好的解決，構件的使用周期也有了良好的保證，可以在實際生產中代替?zhèn)鹘y(tǒng)調節(jié)閥。

3 結語

為了確保煤化工調節(jié)閥滿足惡劣工況要求（包括長期燃燒、受外界環(huán)境侵蝕、機械運行磨損等），調節(jié)閥的支撐裝置需要優(yōu)選耐高溫與高強度的材料。為了滿足設計需求，實現對煤化工現有調節(jié)閥構件的優(yōu)化，本文從基于三維建模的煤化工調節(jié)閥運行原理分析、閥門結構改進選型、加工工藝優(yōu)化與閥門特性測試3個方面對調節(jié)閥改進設計展開研究。完成設計后，通過對比試驗證明了改進設計的煤化工調節(jié)閥使用效果良好，堵塞、磨損等問題得到了較好的解決，構件使用周期具有良好的保證。因此，未來可以將此項成果量產，以代替原有設計。

參考文獻：

[1]李玉輝，趙樹春，王忠權，等.350 MW超臨界機組高壓調節(jié)閥閥位不跟蹤故障分析及改進方法[J].東北電力技術，2019（10）：36-39.

[2]梁安，陳翠.水煤漿氣化裝置中黑水調節(jié)閥損壞原因分析與改進方案[J].工業(yè)儀表與自動化裝置，2020（4）：96-99.

[3]李玉榮，李超，王歡.華龍一號核電站中氣動調節(jié)閥配套電儀附件的選型探討[J].產業(yè)與科技論壇，2021（14）：44-46.

[4]馮歡，范景揚，胡運沖.350 MW超臨界機組過熱器減溫水調節(jié)閥閥內件優(yōu)化改造[J].內蒙古石油化工，2021（5）：49-50.

[5]侯立業(yè).CO2汽提法尿素高壓系統(tǒng)三個核心調節(jié)閥失靈對系統(tǒng)的影響分析[J].化肥設計，2021（4）：51-54.

[6]趙海軍.350 MW汽輪機高壓調節(jié)閥無法關閉問題的分析及處理[J].電站系統(tǒng)工程，2021（4）：63-65.