干煤粉氣化裝置中鎖斗閥的設(shè)計(jì)
1、概述
以煤氣化為基礎(chǔ)的能源及化工系統(tǒng)正在成為世界范圍內(nèi)高效、清潔、經(jīng)濟(jì)地開發(fā)和利用煤炭的熱點(diǎn)技術(shù)和重要發(fā)展方向。干煤粉氣化的技術(shù)關(guān)鍵在于干煤粉的加壓進(jìn)料，現(xiàn)在一般采用的是煤粉間斷升壓和加壓下連續(xù)進(jìn)料的半連續(xù)式加煤工藝。煤粉的進(jìn)料通過常壓料斗和增壓料斗之間的鎖斗閥及平衡閥周期性的隔離和連通實(shí)現(xiàn)。由于鎖斗閥技術(shù)要求高，位置關(guān)鍵，我國(guó)早期干煤粉加壓氣化裝置均采用進(jìn)口鎖斗閥。但是，進(jìn)口閥門價(jià)格昂貴，制造周期長(zhǎng)，零配件供應(yīng)不及時(shí)，發(fā)生故障會(huì)造成單爐停車，這種閥門急需國(guó)產(chǎn)化。
2、工況特點(diǎn)
鎖斗閥輸送的介質(zhì)為N2+煤粉或CO2+煤粉，該閥開關(guān)頻繁，進(jìn)料周期即閥門開關(guān)頻率約30min一次。閥門要求雙向密封，在正向和反向的雙向流動(dòng)方向，最大壓差時(shí)，要達(dá)到FCI70-2V級(jí)密封要求。閥門內(nèi)件和流道的材料應(yīng)考慮耐固體顆粒介質(zhì)的沖擊、腐蝕和磨蝕。閥門啟閉速度快，從“全開→全關(guān)”或“全關(guān)→全開”的時(shí)間為3~8s，應(yīng)確保閥門動(dòng)作到位。鎖斗閥的公稱通徑一般≥NPS8，公稱壓力≥600磅級(jí)。在高壓介質(zhì)的作用下，對(duì)閥門密封面會(huì)形成較大的密封比壓。同時(shí)，閥門在高壓下啟閉，煤粉介質(zhì)的摩擦阻力較大，容易造成閥門卡阻，因此閥門實(shí)際開啟力矩要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一般流體介質(zhì)在相同壓力下的力矩。
3、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
鎖斗閥一般采用的是全通徑金屬硬密封固定式球閥，氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)(圖1)。閥體采用全通徑兩片式，材質(zhì)為ASTMA216-WCB，內(nèi)襯高強(qiáng)度雙相不銹鋼S31803耐磨套。閥座為彈性金屬密封雙閥座，采用閥前閥座密封，兩個(gè)閥座均能獨(dú)立切斷進(jìn)口端介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)雙阻斷功能。彈性金屬閥座為彈簧加載預(yù)緊式設(shè)計(jì)，可以恢復(fù)和補(bǔ)償長(zhǎng)期開關(guān)閥門的常規(guī)磨損、閥體內(nèi)部的高溫?zé)崃ε蛎浖暗蜏乜s小，壓力低時(shí)保證密封的可靠性。為使彈簧與煤粉隔離，避免煤粉的沉積使彈簧卡塞失效，確保彈簧長(zhǎng)期有效地工作，設(shè)置了柔性石墨密封圈與O形圈雙重密封方式。
圖1 鎖斗閥
閥桿采用防塵、防噴出設(shè)計(jì)，并且結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確保閥桿只承受閥門啟閉力矩，介質(zhì)的推力由上、下支撐軸承擔(dān)，使閥桿的受力情況得到改善，保證閥桿能夠長(zhǎng)期可靠地工作。球體及閥座采用自刮削式結(jié)構(gòu)，可對(duì)球體表面實(shí)現(xiàn)自清潔，防止附著在球面上的煤粉嵌入密封面，保證了閥門的密封性及長(zhǎng)久操作性。采取加吹掃機(jī)構(gòu)的辦法防止煤粉在閥門中腔聚集。避免了閥門轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)阻力增大及卡住。
球體和閥座的基材為雙相不銹鋼ASTMA182-F51。密封面和流道采用噴焊鎳基合金的方式，覆層表面硬度可達(dá)到55~60HRC，使閥門耐磨性、抗沖蝕和抗擠壓能力更強(qiáng)。壓蓋、固定軸除了承受扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度及介質(zhì)壓力外，還受到煤粉的磨蝕，因此在與滑動(dòng)軸承的接觸面噴焊硬質(zhì)合金，并配用大剛度大力矩的氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
4、設(shè)計(jì)計(jì)算
為了保證閥門的密封性能、啟閉動(dòng)作順暢和長(zhǎng)壽命使用，對(duì)鎖斗閥的密封比壓、最大開啟力矩和閥桿扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算和校核。
(1)密封比壓
密封結(jié)構(gòu)為閥前閥座密封，雙閥座雙向密封。密封比壓q為
式中 DJH——閥座與閥體配合套筒外徑，mm
DMN——閥座密封面內(nèi)徑，mm
DMW——閥座密封面外徑，mm
R——球體半徑，mm
h——密封面投影寬度，mm
φ——密封面中線與通道軸法向夾角，(°)
qMF——密封面必須比壓，MPa
[q]——密封面許用比壓，MPa
p——設(shè)計(jì)壓力，MPa
qMF<q<[q]，為合格。
(2)最大開啟力矩
鎖斗閥處于關(guān)閉狀態(tài)承受最大工作壓力，開啟瞬間扭矩最大。其扭矩MF為
式中 MF——最大開啟力矩，N•mm
MQG——球體與閥座密封面間的摩擦力矩，N•mm
MQG1——閥座對(duì)球體的預(yù)緊力產(chǎn)生的摩擦力矩，N•mm
MQG2——介質(zhì)的工作壓力產(chǎn)生的摩擦力矩，N•mm
MFT——填料與閥桿間的摩擦力矩，N•mm
MZC——軸承產(chǎn)生的摩擦力矩，N•mm
qM——球體最小預(yù)緊比壓，MPa
fM——球體與閥座密封面間的摩擦因數(shù)
fZ——軸承摩擦因數(shù)
FT——閥桿與填料摩擦力，N
dF——閥桿與填料接觸部分直徑，mm
ψ——系數(shù)
bT——填料寬度，mm
dQJ——軸承與支撐軸接觸部分直徑，mm
(3)閥桿扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度
設(shè)計(jì)時(shí)閥桿截面積最小值應(yīng)在閥桿頂部與氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)連接處，即對(duì)該處直徑d1進(jìn)行校核。
式中 MM——閥門最大開啟扭矩MF的2倍或氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的最大輸出扭矩，N•mm
[τN]——材料的許用扭應(yīng)力，MPa
ωS——斷面d1的抗轉(zhuǎn)矩?cái)嗝嫦禂?shù)，mm3
5、結(jié)語
鎖斗閥在干煤粉氣化裝置中使用后，密封性能良好，啟閉順暢，經(jīng)受住了苛刻工況條件的考驗(yàn)，基本滿足了使用要求。采用國(guó)產(chǎn)閥門，既可以有效地保障裝置的穩(wěn)定運(yùn)行，又可以降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。
參考文獻(xiàn)
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