煤氣化裝置水煤漿氣動(dòng)控制球閥的設(shè)計(jì)
介紹了煤氣化裝置水煤漿氣動(dòng)控制球閥的研究過程，分析了煤氣化工況系統(tǒng)的主要技術(shù)難點(diǎn)，給出了產(chǎn)品國(guó)產(chǎn)化研究的具體解決方案，并對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算提出了新的思路。
1、概述
煤氣化裝置的水煤漿是由55% ～ 70% 不同粒度分布的煤，29% ～ 44% 的水和約1% 的化學(xué)添加劑制備而成的混合物。水煤漿介質(zhì)中含大量的硬質(zhì)固體顆粒，具有較強(qiáng)的應(yīng)力腐蝕，還具有高溫、高壓的特點(diǎn)，極易對(duì)閥門造成磨損、沖刷、沉積及卡塞。軟密封球閥及普通的硬密封球閥很難在該工況中長(zhǎng)期可靠應(yīng)用，因此，真空技術(shù)網(wǎng)(http://genius-power.com/)認(rèn)為煤氣化裝置水煤漿耐磨球閥的研究和開發(fā)是非常重要的。
2、技術(shù)分析
煤氣化裝置水煤漿管線閥門一般分為煤漿管線第1 切斷閥、煤漿管線第2 切斷閥和煤漿管線回流切斷閥。煤漿管線的操作壓力或關(guān)閉壓差一般達(dá)到6. 5 ～ 13. 5MPa，工況溫度一般為60 ～ 425℃，加上介質(zhì)中含有大量硬質(zhì)的固體顆粒。因此，為了保證煤氣化裝置水煤漿管線閥門的長(zhǎng)期安全、可靠和穩(wěn)定使用，必須克服閥門存在的幾個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。
(1) 高操作壓力所產(chǎn)生的高速流動(dòng)介質(zhì)極容易對(duì)球體、閥座和閥腔，特別是球體造成強(qiáng)烈沖刷和磨損，導(dǎo)致球體和閥座密封失效，甚至報(bào)廢。
(2) 煤漿介質(zhì)極易粘結(jié)在球體表面，造成閥門無法打開或關(guān)閉。
(3) 煤漿內(nèi)的細(xì)小固體顆粒很容易進(jìn)入到閥桿和軸套內(nèi)部，閥桿長(zhǎng)時(shí)間在硬質(zhì)固體顆粒的摩擦運(yùn)動(dòng)下快速磨損，造成軸套和閥桿間隙不斷擴(kuò)大，直至無法工作。
(4) 煤漿內(nèi)的細(xì)小固體顆粒還可能進(jìn)入到閥座背面，將彈簧室塞滿或卡塞，使閥座無法正常工作。
(5) 高壓介質(zhì)所產(chǎn)生的高密封比壓以及固體顆粒所產(chǎn)生的高摩擦阻力，造成閥門需要更大的操作扭矩，而大操作扭矩的執(zhí)行裝置往往導(dǎo)致支架位置變動(dòng)、閥桿變形或扭斷。
3、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
針對(duì)水煤漿介質(zhì)的特點(diǎn)和技術(shù)難點(diǎn)，采用了氣動(dòng)金屬密封耐磨球閥結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)( 圖1) 。
(1) 刮刀式閥座結(jié)構(gòu)。在閥門啟閉過程中能夠自動(dòng)刮除球面上的雜質(zhì)，自動(dòng)清潔球面。
(2) 閥座背面板簧加載結(jié)構(gòu)。以補(bǔ)償由于溫度變化造成零部件的變形，避免閥座出現(xiàn)卡塞現(xiàn)象，并且彈簧腔室采用防砂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，杜絕了固體顆�；螂s質(zhì)的侵入。
(3) 防側(cè)向偏移功能上下支撐軸結(jié)構(gòu)。閥桿能夠承受介質(zhì)強(qiáng)大的側(cè)向推力。
(4) 動(dòng)態(tài)載荷填料密封結(jié)構(gòu)。可以實(shí)現(xiàn)對(duì)填料自動(dòng)施加適當(dāng)?shù)耐饬Α?/p>
(5) 防扭轉(zhuǎn)偏移支架結(jié)構(gòu)。克服了一般支架結(jié)構(gòu)容易導(dǎo)致執(zhí)行機(jī)構(gòu)與閥門連接松動(dòng)甚至脫落的嚴(yán)重缺陷，防止了巨大的氣缸或執(zhí)行機(jī)構(gòu)扭轉(zhuǎn)力改變執(zhí)行機(jī)構(gòu)、閥桿、支架、球體和閥座等相對(duì)位置的可能性。
1. 閥體2. 閥蓋3. 球體4. 閥座5. 閥座密封圈6. 板簧密封圈7. 板簧8. 閥桿9. 填料10. 支架11. 氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)
圖1 氣動(dòng)控制金屬密封球閥
4、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及其氣路設(shè)計(jì)
為了達(dá)到系統(tǒng)順控的要求，實(shí)現(xiàn)閥門的快速開啟和關(guān)閉，以及使閥門避免卡塞和防止沖刷，并達(dá)到ESD 功能。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，采用了彈簧復(fù)位的氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)閥門的快速啟閉和安全操作。典型氣路設(shè)計(jì)原理( 以FC 為例) 見圖2。
(1) 閥門開啟時(shí)，電磁閥首先帶電工作，壓縮空氣經(jīng)過濾減壓閥的過濾和減壓后通過電磁閥啟動(dòng)氣控制器的先導(dǎo)閥。先導(dǎo)閥工作的同時(shí)帶動(dòng)氣控閥主閥工作，壓縮空氣隨即通過快排閥進(jìn)入氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的氣缸內(nèi)驅(qū)動(dòng)閥門，直到閥門完全打開。
(2) 當(dāng)電磁閥失電或氣源失氣時(shí)，氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)部的彈簧立即自動(dòng)工作，將氣缸內(nèi)的壓縮空氣直接從快排閥快速排出到大氣，完成快速關(guān)閉閥門的動(dòng)作，回到設(shè)定的安全位置。
5、工藝控制
(1) 閥門整體流道噴涂硬質(zhì)合金保護(hù)層，防止了介質(zhì)的強(qiáng)烈沖刷和磨損。
(2) 動(dòng)配合處均進(jìn)行適當(dāng)?shù)挠不幚�，確保長(zhǎng)期耐磨性能和使用可靠性。
(3) 球體和閥座采用噴焊或噴涂的硬化處理方式，硬度≥60HRC，兩者之間并具有一定的硬度差，保證長(zhǎng)期應(yīng)用的耐磨性能。
(4) 對(duì)球體和閥座密封面采用配對(duì)研磨的措施，保證密封面吻合度達(dá)到100%，使閥門的密封等級(jí)能夠達(dá)到ASME B16. 104 /FCI 70 - 2 規(guī)定的Ⅵ級(jí)要求。
1. 氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)2. 快排閥3. 氣動(dòng)控制器4. 閥位開關(guān)5. 電磁閥6. 過濾減壓閥
圖2 典型氣路原理
6、設(shè)計(jì)計(jì)算
對(duì)于水煤漿氣動(dòng)控制球閥的設(shè)計(jì)計(jì)算可以采用傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算法和有限元分析法相結(jié)合進(jìn)行。
6.1、經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算法
水煤漿氣動(dòng)控制球閥的計(jì)算項(xiàng)目及經(jīng)驗(yàn)公式可根據(jù)表1 進(jìn)行。
表1 計(jì)算項(xiàng)目及公式
6.2、有限元分析法
在傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算法中，對(duì)于球體、支架等的計(jì)算和校核比較復(fù)雜，因此，可以采用有限元分析法相結(jié)合的方法計(jì)算。
(1) 球體
根據(jù)實(shí)際使用情況，應(yīng)從球體的前端和后端同時(shí)施加設(shè)計(jì)要求的壓力和載荷，并對(duì)球體的總變形量、等效應(yīng)力和安全系數(shù)計(jì)算和分析。從圖3、圖4和圖5 中可以直觀地得出球體各個(gè)不同方面的分析結(jié)果。
圖3 球體的總變形量
圖4 球體的等效應(yīng)力
圖5 球體的安全系數(shù)
(2) 支架
支架結(jié)構(gòu)是影響閥門運(yùn)行的重要因素。從圖6、圖7 和圖8 中可以直觀地得出支架各個(gè)不同方面的分析結(jié)果。
通過傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算法和有限元分析法的相結(jié)合和相比較，不僅可以得到精確可靠的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，并且可以對(duì)初步設(shè)計(jì)的結(jié)果進(jìn)行校核和優(yōu)化。
圖6 支架的總變形量
圖7 支架的等效應(yīng)力
圖8 支架的安全系數(shù)
7、結(jié)語
目前，水煤漿氣化技術(shù)已被列為國(guó)家能源發(fā)展的重點(diǎn)推廣技術(shù)。通過對(duì)煤化工氣化裝置的關(guān)鍵閥門，包括水煤漿氣動(dòng)控制球閥的研究和開發(fā)，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)產(chǎn)化水煤漿氣動(dòng)控制球閥已經(jīng)較大批量的成功應(yīng)用在煤化工及煤漿輸送管線等項(xiàng)目，解決了煤氣化用閥的主要技術(shù)難點(diǎn)，滿足了工況系統(tǒng)的需求，得到了用戶的認(rèn)可。
