工藝設計對煤化工控制閥選型的影響

楊 銳，邢 影，鄭 偉，馮建東

（北京航天石化技術裝備工程有限公司，北京 100176）

工藝設計對煤化工控制閥選型的影響

楊 銳，邢 影，鄭 偉，馮建東

（北京航天石化技術裝備工程有限公司，北京 100176）

控制閥是控制系統全部自動化中最重要的執行機構組織，其質量的優劣將直接顯現在整個系統的操作質量上。伴隨著工業自動化水平的提高，控制閥這一重要組件將被應用到生產過程的每一個環節，其質量好壞也就直接影響生產效益的高低。所以，選擇一個高品質、高效率控制閥是管控好整個生產過程的關鍵。本文從工藝設計的角度，介紹了控制閥選型的基本原則，分析了化工行業控制閥應用現狀，闡述了工藝設計對控制閥的影響。

煤化工控制閥；工藝設計；選型

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2016.04.006

控制閥是控制系統全部自動化中最重要的執行機構組織，其質量的優劣效果將直接顯現在整個系統的操作質量上，作為過程控制中的執行操作組件，人們對其重要性的認識跟過去相比有了較大提升。控制閥應用質量的優劣，除產品自身質量、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，造成系統開開停停，有的甚至無法投用，所以從最基礎的工藝設計上，筆者就優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結合工藝設計的要求，確定適宜的組件形式和材料品種；②結合工藝控制的特性，確定控制閥的流量特性；③結合工藝工作的數據，確定適宜的控制閥口徑大小；④結合工藝設計過程的特點，確定其必備的配件裝置；⑤選擇正確的執行組件，組件相應參數需滿足工藝要求。

在實際的操作過程中應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：當流體介質是含有高濃度磨損性顆粒的懸浮液時，閥門的內部材料要具備一定的硬度；③耐腐蝕性：因為介質具有腐蝕性，最大可能地選擇結構簡單的閥門，注意閥內件材質的耐腐蝕性；④介質的溫度、壓力：當介質的溫度、壓力高且變化大時，應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：閃蒸和氣蝕只產生在液體介質。在實際生產過程中，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盡量減少閥門產生閃蒸和氣蝕。

被挑選的執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，就需結合實際可能存在的壓差來適當調整增大，也就是說需要執行組件必須供給足夠大的作用力。否則，就會在工藝設計上出現問題的時候，控制閥兩方的實際壓差差距太大，造成關不上或者啟動不了的嚴重后果。

2　常見控制閥類型

煤化工生產工藝中，控制閥常見的閥型為角閥、Globe閥及偏心旋轉閥，按照工藝設計的不同，各控制閥優劣不同。

2.1偏心旋轉閥

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

偏心旋轉閥包含鍛件閥體結構、鑄件閥體結構兩類，并具備法蘭式及對夾式兩種形式，可實現60°轉角至90°轉角。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。產品結構經過CFD流體分析軟件進行了不同開度下流體參數分析，可有效避免薄弱環節受到沖刷。

2.2角閥

黑水角閥主要用于高壓差、強沖刷、強腐蝕、介質中含有固體顆粒和有閃蒸工況的流量及壓力控制。產品廣泛應用于煤化工行業黑水介質的壓力及流量調節。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。

閥體采用流體介質自隔離的平衡式自循環處理結構，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生的閥門外漏。內腔光滑的流線型設計結構，有效避免了顆粒介質對閥體內壁的沖擊。

目前國內外的黑水角閥大都采用整體碳化鎢材質的閥芯閥座，通過合適的選型計算，先進的流道設計模擬，閥芯閥座連接結構的不斷改進，適當的內件材質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、高含固量介質的首選控制閥。

2.3G lobe閥

Globe閥在煤化工行業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計結構，可以實現廣泛的位置應用，通過套筒的加入，進一步提升閥門的防振動、降噪聲能力，令其應用在更高的壓差工況。

當介質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的壓力所產生的推力，關閥門的力比開閥門的力大，所以閥桿的直徑要大，否則會發生閥桿頂彎的故障。在設計出自密封式的控制閥門以后，閥門的介質流向就改由閥瓣上方進入閥腔，由于介質壓力的作用，就會造成關閉閥門的時候用力小，啟動閥門時作用大的情況，操作閥桿就會相應地減小徑圍。同時，受介質的影響，此種控制閥就會相對嚴密。

Globe控制閥適用范圍廣闊，閥內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　化工行業控制閥應用現狀

（1）煤化工專用閥門應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；③廢水處理系統；④排渣系統。

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

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

4　工藝設計對控制閥影響

4.1影響選型的設計工藝

（1）相對于傳統的表面涂層工藝，優先考慮高參數控制閥的閥體及內件，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的基體結合力和耐磨性。

（2）通過建立計算流體動力的數學模型，為高參數控制閥奠定理論研究基礎。

（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對閥門沖蝕的影響因素，提出高參數控制閥耐沖蝕結構工藝的設計方法。

4.2工藝參數對結構形式和材料確定的影響

結合閥體的結構形式和工藝管道的布置情況，合理選擇Globe閥、角閥、偏心旋轉閥。確定控制閥之前，要對控制過程的介質、工藝條件和參數進行細心的分析，收集足夠的數據，了解系統對調節閥的要求。可以從以下幾個方面考慮。

（1）閥芯的形狀結構主要結合所確定的流量特性和不平衡力等因素考慮。

（2）耐磨損性。當流體介質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閉都會受到嚴重摩擦。因此閥門流道及內部材料要光滑。

（3）耐腐蝕。由于介質具有腐蝕性，在能滿足調節功能的情況下，應盡量確定簡單的閥門。

（4）介質的溫度、壓力。當介質的溫度、壓力高且變化大時，應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，而介質有黏性或帶有微小顆粒時，則選用偏心旋轉閥較合適。

4.3確定控制閥的流量特性

控制閥的流量性質也就是常說的介質通過控制閥的相對量與位移變化的關系特性，實驗狀態下的流量特性常有拋物線型、對數型、快開、直線型等4種，實際中經常用到的就是對數、直線、拋物線型3種。拋物線型存在于直線和對數之間，經常用對數來代替，而快開特性主要用于二位調節及程序控制中，所以經常說，控制閥特性的確定也就是直線和對數流量特性的確定。

5　結語

控制閥的選型是一項比較細致的任務，不單單要求擁有扎實的專業知識，還需要擁有較深厚的工藝設計知識，依據工藝設計要求確定合適、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參數的整定，從而更加有效地控制被調參數，同時也會提高控制閥的使用壽命。控制閥的確定要因地、因時制宜，也不是確定不變的，要求人們在實踐的過程中結合工藝設計標準不斷總結和創新，結合機電一體化技術、計算機和數字信息技術的廣泛應用水平，控制閥的結構功能就會變得更好、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.化工工藝設計手冊（第三版）下冊［M］.北京：化學工業出版社，2007.

［3］張德姜，趙勇.石油化工工藝管道設計與安裝［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，FENG 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年畢業于北京航空航天大學流體機械及工程專業，碩士研究生，工程師，現主要從事閥門銷售等工作。