盤閥在Shell煤氣化中的應用

付榮申，安鐵夫

（中國五環工程有限公司，武漢430223）

Shell煤氣化（SCGP）技術在煤加壓進料、除渣、除灰工段采用了鎖斗技術，鎖斗閥和平衡閥［1］是煤氣化裝置中關鍵的控制閥門，由于使用工況要求很高，閥門操作條件惡劣，對閥門的技術要求很高。該工藝中把鎖斗閥和平衡閥列為特殊閥門，2011年8月前，規定采用進口球閥。煤粉管線中鎖斗閥及平衡閥如圖1所示。12XV－0123／0133，12XV－0131／0132為鎖斗閥，管徑為 DN350，工藝介質為煤粉和CO2，質量分數為90%的煤粉粒度不大于90μm，固體密度為550kg／m3，氣體密度為81.6～85.7kg／m3，操作溫度為80℃，操作壓力為4.6～4.8MPa，最大關閉壓差為5.61MPa，動作（開啟或關閉）時間不大于15s。12XV－0120／0121，12XV－0126／0127 為 平 衡 閥，管 徑 為DN200，工藝介質為煤粉和CO2，密度為76.2～79.4kg／m3，操作溫度為100℃，操作壓力為4.6～4.8MPa，最大關閉壓差為5.61MPa，動作（開啟或關閉）時間不大于15s。

就現有工況來講，進口球閥作為鎖斗閥及平衡閥［2］容易出現憋壓、卡死現象，維護周期煤粉鎖斗閥為4～5個月，平衡閥為7～8個月，鎖渣閥為6～12個月。

圖1 煤粉管線鎖斗閥及平衡閥示意

球閥出現故障及損壞［3－6］的原因有：物料堆積、內件異變、輸出過小、金屬粘結［7］、失效刮刀、填料盤根破裂、熱脹冷縮等造成閥門開關不到位；金屬粘結、沖刷、腐蝕、蠕變、磨損造成硬密封面損壞。因此，盤閥作為一種新的選擇被應用。下面就盤閥的工作原理、特點及優勢進行分析，希望為類似工況儀表選型提供參考。

1 工作原理

盤閥是通過滑動圓盤來實現開關的一種快開快關閥門［8］。其設計針對帶有磨損、沖蝕性的物料，能在惡劣的工況下連續長期地正常工作。它獨有的硬密封面具有自研磨作用，使其在磨損、沖蝕物料的過程中不斷提高密封性，壽命要比其他閥門長好幾倍，其工作原理如圖2所示。

圖2 盤閥工作原理示意

驅動裝置通過閥桿與搖臂使閥盤轉動一定的角度來實現閥門的開關。閥盤密封面借助彈簧與閥座緊密貼合，彈簧壓力始終使閥盤緊密貼合在閥座上，又允許閥盤在密封面的垂直方向上有位移，這有助于補償閥門零件由于熱脹冷縮引起的變形和多次開關后產生的微量磨損，克服任何背壓變化對密封的影響并能防止顆粒介質進入密封面之間；在盤閥啟閉過程中，閥座密封面對閥盤在切線方向上的摩擦力之差，使閥盤在一個啟閉循環過程產生自轉，并可以不斷剪切與清掃在工藝工程中有可能堆積在閥腔內的介質。

2 結構特點

盤閥根據結構可分為兩大類：單盤閥和雙盤閥［9－10］。

單盤閥根據使用工況又可分為單閥單盤和單閥雙盤，其結構如圖3所示。單閥單盤為單向密封，適用于閥門關閉靜壓作用于閥盤背面的情況或者反向壓力很低的情況（一般小于0.25MPa）。單閥雙盤可實現雙向密封、雙向流動。

雙盤閥是把2個盤閥裝配在一起，以節約安裝空間和減輕質量，根據適用的工況也可分為雙閥單盤和雙閥雙盤，如圖4所示。上閥和下閥能獨立進行開關動作，能獨立實現密封，開關過程中可以依次開關上閥和下閥，主要用于替代2臺球閥使用。

圖3 單盤閥（單／雙盤）結構示意

圖4 雙盤閥（單／雙盤）結構示意

根據煤氣化鎖斗閥及平衡閥使用工況，選用盤閥具有下列優點：

a）盤閥是真正意義上的面密封閥門，閥盤在閥腔內旋轉過程中，閥盤依靠偏心摩擦力的作用實現自旋轉，閥門每次的開關過程中，密封面與介質都不在同一點接觸（這一點與球閥密封面大不相同，球閥的開關過程始終是沖刷或磨損同一點），從而有效地延長了密封面的壽命；由于閥盤的自旋轉，閥盤與閥座存在著天然的自研磨效應，這樣的自研磨對于密封面是非常好的補償和修復，這也是盤閥或者雙盤閥的密封性和壽命遠遠超過硬密封球閥的根本原因。在壽命范圍以內，閥盤與閥座越研磨配合得好，密封效果就越好。

b）盤閥是全流通通徑閥門，具有寬大的密封面，而且其密封面完全垂直于流線方向，閥盤的來回運動不會像球閥那樣急劇地改變流線的方向，從而導致對密封面或者是閥內件的劇烈沖刷，因而減少了沖蝕，使其具有良好的密封性。

c）盤閥的密封面補償彈簧采用碟簧，碟簧具有剛性系數大而穩定、溫度適應能力強、不怕臟等特性，溫度的變化和物料的堆積對于碟簧的預壓力幾乎沒有影響，從而可以保證開啟／關閉過程扭矩保持穩定，延長閥門的使用壽命。

d）盤閥的閥盤依靠碟簧的預壓力貼緊閥座，并且閥盤邊緣具有尖銳的棱角，在閥盤的運動過程中可以輕松地剪切固體物料，刮去殘留在密封面上的顆粒，這種效應相當于給閥門裝上了“移動刮刀”，進一步保障了雙盤閥的密封能力，延長了使用壽命。

e）盤閥的閥桿采用無螺紋的彈簧承載填料結構，閥桿無上升和下降運動，盤根與填料的疊加配置可以更好地抵消壓力、溫度的變化，使盤根均勻受壓，有效地消除外泄漏。

f）盤閥從結構上看幾乎沒有易損件，閥盤被設計成永不脫離閥座的結構，故不存在發生卡澀的現象。閥桿的無螺紋設計也使其在壽命范圍內具有良好的可操作性和密封性，雙盤閥的維護工作量非常小，無需要保養、更換、研磨等工作。

3 在Shell煤氣化中的應用

由于盤閥結構及在顆粒介質中的應用優于球閥，Shell在其工藝包上指出在某些位置可以用盤閥代替球閥使用，并給出了盤閥的技術要求。下面以煤粉鎖斗為例介紹盤閥解決方案。

在大同煤礦600kt／a甲醇煤氣化項目中經與Shell工 藝 商 溝 通，圖 1 中 12XV－0123／0133，12XV－0131／0132，12XV－0120／0121，12XV－0126／0127閥門，由于容易出現卡澀、憋壓問題，現用4臺雙盤閥替代原方案中的8臺進口球閥；12XV－0118，12XV－0122由于壓差較大，故未選用盤閥。

該項目中煤加壓及進料、除渣、除灰單元共選用雙盤閥（雙盤）12臺，單盤閥（雙盤）1臺。

在盤閥安裝使用中，若管道口徑較大，由于盤閥腔體等同于管道口徑的兩倍，這樣整個閥門的體積就過于龐大，同時質量相對于球閥也大，因而選用盤閥時應重點注意安裝空間、支撐及管道應力計算等問題。

4 結束語

盤閥在國內硅化工市場有著較為廣泛的應用，但在煤化工領域應用較少。但相對進口球閥，盤閥具有壽命長，可靠性高等特點。云南大為Shell煤氣化裝置煤粉鎖斗中采用2臺盤閥替代原進口球閥，自2009年至今為止平穩運行，采用盤閥作為SCGP鎖斗閥及平衡閥可以有效地提高煤氣化裝置的可靠性及運行周期。但盤閥在SCGP領域大規模應用還處于起步、探索階段。

［1］CHRISTOPHER H，MAARTEN V.Gasification［M］.2nd ed.Elsevier：Gulf Professional Publishing，2007：195－199.

［2］張德江，王懷義，劉紹葉.石油化工裝置工藝管道安裝設計手冊［M］.3版.北京：中國石化出版社，2005：709.

［3］楊源泉.閥門設計手冊［M］.北京：機械工業出版社，1992.

［4］陸培文.實用閥門設計手冊［M］.北京：機械工業出版社，2002.

［5］安鐵夫，梁達，孫建文，等.HG／T 20507—2000化工自控設計規定［S］.北京：全國化工工程建設標準編輯中心，2000.

［6］章晨輝，劉欣，鄧長松.煤粉鎖斗閥故障原因分析及解決方案［J］.自動化儀表，2010，31（07）：47－50.

［7］LYONS J.閥門設計手冊［M］.袁玉求，張洪文，章嘉炎，等，譯.北京：機械工業出版社，1991：394－395.

［8］吳俊偉，嚴啟斌，吳菁.盤閥：中國，200620047805.2［P］.2007－12－12.

［9］曹輝，曹磊.硅化工用球閥損壞分析及盤閥的應用［J］.閥門，2011（03）：29－30，36.

［10］曹輝，李小娟.固體顆粒及黏稠性介質中閥門的結構設計［J］.冶金／礦山通用機械，2011（02）：61－63.