氣化工段調節閥優化選型與使用

孫志強，王 萌

(北京航天石化技術裝備工程有限公司， 北京 100076)

近幾年來，以華東理工大學四噴嘴對置技術為代表的水煤漿氣化工藝和以航天爐為代表的干煤粉氣化工藝，在國內獲得了大量應用[1]。由于各設計單位對工況的理解不同，與之配套的調節閥在選型和使用上區別較大，部分調節閥使用效果不佳。筆者調研了氣化工段常用的偏心旋轉閥、黑水角閥的使用情況，分析了出現的問題，并提出了使用建議。

1 閥門概況

偏心旋轉閥和黑水角閥的基本結構見圖1。

(a) 偏心旋轉閥

偏心旋轉閥[2]是一種通用性較強的角行程閥門，直通型結構，流通能力較強，由于閥門旋轉中心與流道中心不在一個平面內而得名，可用于含固、含纖維介質。

黑水角閥[3]是煤氣化裝置上的關鍵閥門，常用于控制氣化爐、洗滌塔和閃蒸罐黑水的流量、壓力，黑水角閥的閥芯閥座采用整體碳化鎢材質，具有抗沖刷耐氣蝕等特點。

2 氣化工藝

圖2為某氣化工藝的典型工藝流程圖。

圖2 氣化工藝典型工藝流程圖

煤氣化工藝一般由氣化、渣水處理兩個基本工段組成。由圖2可以看出：氣化爐、洗滌塔、旋風分離器位于氣化工段，A、B、C、D等工位上的調節閥的主要功能是為洗滌塔、旋風分離器補水，正常工況為閥前壓力7.22 MPa，閥后壓力6.36 MPa。

3 常見問題

目前,經常出現的問題是A、B、C、D等位置的偏心旋轉閥閥體被沖刷。圖3是某工廠偏心旋轉閥使用一段時間后被沖刷的照片。由圖3可以看出,在偏心旋轉閥的出口部位，閥體被擊穿。

圖3 偏心旋轉閥擊穿照片

4 原因分析

造成閥門失效的原因一般為沖刷和汽蝕[4]。在氣化工段，介質含固質量分數一般小于0.5%，來自介質的磨粒磨損并不嚴重，計算發現沖刷位置流速不超過6 m/s，沖刷的概率不大；從數據表看正常工況壓差不大，但根據對用戶現場調查，該位置閥門有開車工況，即洗滌塔、氣化爐等未建壓的工況。以閥門失效時用戶現場數據為例，閥門流關，操作溫度為191 ℃，閥門開度為30%，閥前壓力為7.22 MPa，閥后壓力為1.5 MPa，壓差較大，該工況下容易發生介質汽蝕，極有可能是導致閥門失效的原因。

通過ANSYS Workbench 14.0軟件對閥門流場進行了驗證。圖4為在以上工況為邊界條件，通過純水計算的偏心旋轉閥的壓力分布云圖。圖5為引入cavitation模型后進行的閃蒸率計算結果。

圖4 壓力分布云圖圖

圖5 氣相體積分數分布圖

191 ℃下介質的飽和蒸汽壓力為1.28 MPa，高于此壓力時介質為液態，低于此壓力時介質轉變為氣態。由圖4可以看出：喉徑等處(圓圈標識)，由于節流嚴重，閥門流速很高；對應的，根據能量守恒，靜壓降低到飽和蒸汽壓力之下，會導致介質由單一液相轉變為氣液兩相流，即閃蒸，當靜壓恢復至飽和蒸汽壓力之上時，氣相以爆炸的形式轉變為液相，即汽蝕，汽蝕的局部能量很高，與閥體壁面撞擊時將造成強烈破壞。

由于偏心旋轉閥結構特性，介質流經閥芯以后流向不對中，攜帶氣泡的介質在壁面處汽蝕，對壁面造成破壞，閥門短期內即宣告失效。由圖5可以看出：在貼近壁面處閃蒸率較高，這與閥門失效的位置相吻合。

與之對應的，雖然汽蝕也會發生在黑水角閥中，但黑水角閥未出現沖刷問題，這與黑水角閥的結構和材質相關。一方面，經過閥芯節流以后，介質的流向仍然是居中的，這將使大多數閃蒸的介質在流道中心對撞，汽蝕發生在此處而非壁面；另一方面，黑水角閥本身為閃蒸工況定制，流道中的碳化鎢硬度可達HRA90，能夠較長時間的耐受汽蝕破壞。

圖6為相同參數下角閥出口處流動跡線圖。

圖6 角閥流動跡線圖

5 選型及使用建議

綜上，對于有開車工況，即閃蒸、汽蝕無法避免的閥門，因為偏心旋轉閥本身不耐受汽蝕，黑水角閥顯然是更安全的選擇；但是從成本上講，黑水角閥的成本高于偏心旋轉閥。如果既想使用偏心旋轉閥，又想規避閃蒸和汽蝕問題，建議：(1)意識到開車工況的危害，通過工藝手段控制開車過程，將開車工況的持續時間盡可能縮短；(2)給偏心旋轉閥設置開車旁路，僅用于短時開車工況，可選用成本較低的閥門，開車時走旁路，待洗滌塔、旋風分離器建壓以后再切換至偏心旋轉閥。

6 結語

近年來，煤氣化技術在國內獲得了長足發展，但在調節閥選型和使用上仍存一些問題。筆者介紹了煤氣化常用的兩種調節閥,即黑水角閥和偏心旋轉閥，介紹了各自的結構特點，結合實際使用情況，通過數值仿真對兩種閥型的適用性進行了分析。針對不同的開車方式及具體工況提出了調節閥的優化選型及使用建議，希望能給閥門用戶帶來一些參考。