盘阀在“宁煤炉”上的选型和应用

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(1.神华宁煤集团煤制油分公司，宁夏 银川 750000；2.北京航天石化技术装备工程公司，北京 100000)

盘阀在“宁煤炉”上的选型和应用

郭中山1，张国民1，赵亮1，郭金1，杨欢2

(1.神华宁煤集团煤制油分公司，宁夏 银川 750000；2.北京航天石化技术装备工程公司，北京 100000)

介绍了盘阀的工作原理和宁煤炉粉煤加压输送单元盘阀的选型，该气化炉采用了一种单盘阀、双盘阀组合安装的配置方法，这种配置方法在阀门密封的可靠性、单阀质量和尺寸、安装检修的便利性、节省备阀成本上有一定的优势，可供同类装置盘阀选型参考。

盘阀；宁煤炉；选型

煤气化技术是煤炭深加工的龙头技术，是提高煤炭利用效率、降低温室气体排放、减少环境污染的重要途径之一。神华宁煤400万t/a煤间接液化项目是我国“十二五”煤炭深加工示范项目规划确定的重点示范项目，承担多项重大技术工业化示范和装备国产化任务。气化装置共有7个系列，使用气化炉28台，其中第7系列的25～ 28号4台气化炉采用的是神宁煤业集团拥有自主知识产权的2 000 t/d干煤粉加压气化炉(激冷流程)宁煤炉。

宁煤炉煤粉加压输送单元所用煤锁斗阀、平衡阀以及锁斗泄压阀，是保证气化炉稳定给料的关键阀门，在以往类似的装置上，一般都按进口金属密封球阀选型和采购。由于这些阀门操作压差大、开关频繁、冲刷严重，进口阀门使用也不甚理想，故障率一直较高，制约了装置长周期运行。近几年来，盘阀作为球阀的一种替代阀门，在煤锁斗上已经有了较多应用，使用效果也得到了众多用户的认可。神华宁煤集团首批4台宁煤炉选用了北京航天石化技术装备工程有限公司(北京航天动力研究所)56台耐磨盘阀作为上述阀门的主要阀型，经过紧张地调试和投煤试车，28#气化炉已经成功产出合格粗煤气，盘阀运行状态良好，达到了预期目的。

1 盘阀介绍

1.1 盘阀的工作原理

盘阀是一种金属平面硬密封耐磨开关两位阀，广泛应用于高温、高压、高硬度颗粒状介质、磨损严重并且需要严密关断的苛刻工况。盘阀动作灵活、密封可靠、寿命长，可作为金属硬密封球阀等传统耐磨切断阀的替代阀门。

其工作原理如下：执行器(一般是双作用气缸)带动阀杆组件(由套筒、连板和阀轴组成的焊接件)旋转，带动阀盘绕阀轴做一定角度的摆动，实现阀门的切断功能。开关过程中，整个阀盘的密封表面在碟簧的作用下一直紧贴着阀座，碟簧为阀门密封提供初始预紧力，同时有助于补偿阀内件的热膨胀和收缩，平衡管道压力，防止小颗粒物质进入密封表面。由于套筒和阀盘之间间隙δ的存在，在摩擦力的作用下，阀盘在绕阀轴摆动的同时会一定程度地自动旋转，这种自动旋转可以抛光密封面和铲掉密封面堆积物，盘阀开关过程示意见图1。

图1 盘阀开关过程示意注：1—阀盘；2—套筒；3—弹簧座；4—连扳；5—阀座；6—阀轴

1.2 盘阀结构

盘阀的结构型式主要有2种(均已申请专利)：单盘阀[1]和双盘阀[2]。单盘阀阀腔内只有一个阀盘、一个阀座，阀门关闭后主要承受来自于下游的关闭压差，允许的正向(自上而下)压差很小，对于口径较大(例如DN300)的阀门，一般只用在需要单向密封的场合。双盘阀阀腔内有两个阀盘、两个阀座，允许介质双向流动，双向密封。阀门关闭后可能承受双向压差，最大允许压差为阀门最大允许工作压力。每台阀有一个独立的执行机构。单盘阀结构示意见图2，双盘阀结构示意见图3。

图2 单盘阀结构示意注：1—入口阀体组件；2—阀座；3—阀盘；4—出口阀体组件；5—弹簧座；6—弹簧；7—阀杆组件；8—摇臂；9—填料组件；10—轴承

图3 双盘阀结构示意注：1—阀座密封环；2—上阀盘；3—下阀盘；4—外防尘环；5—内防尘环；6—碟型弹簧；7—弹簧座

1.3 阀腔的吹扫

为了延长阀门的使用寿命，保证双阀的严密关断，特别是主管线切断阀。双阀的开关是有推荐顺序的，下料时先开下阀，再开上阀；关闭时，先关上阀，再开下阀，可以保证下阀始终处于受保护的状态。在某些非顺控手动操作下，可能会出现下料时先开上阀的情况，造成在下阀打开之前，上阀阀腔内可能已经灌满物料。下料结束，关闭阀门时，上阀阀腔内可能会残留一些物料，导致上阀无法正常关闭到位或者再次打开时无法完全打开。为了应对这种情况，需要在阀腔设置吹扫口，并引入高压CO2或者N2作为吹扫气，对阀腔进行断续的吹扫，每次吹扫5s左右，并反复开关阀门，直到阀门正常开关。也可在吹扫管路增加DN25、600Lb气动耐磨阀1套，实现自动吹扫。盘阀吹扫见图4。

图4 盘阀吹扫示意

1.4 盘阀的选材

盘阀的使用工况一般都比较恶劣，介质硬度高、磨损严重，并且常常在高压差、高扭矩的条件下频繁开关动作，阀门主要材质的选择对阀门的性能和寿命有着重要影响。

根据温度、压力、介质的性质，阀体能选择A105/WCB/LCB、F304/F316等碳钢、不锈钢以及其他耐高温、耐腐蚀的特殊材质。阀体一般都为锻件，对一些口径较大的阀门，会选择铸件。选择铸件时，除了要进行严格的压力试验，还要按B16.34等相关标准，对阀体颈部等一些易出现铸造缺陷的薄弱部位进行射线检查、超声波检查等无损检查，确保现场使用安全。为了避免介质对阀体冲刷，阀体流道内壁需进行硬化处理。

阀杆组件是阀门承受扭矩的主要部件，阀杆材质一般选择17-4PH等高强度耐腐蚀合金钢，并进行合适的热处理。阀杆表面进行超音速喷涂硬化处理，硬度在HRC65以上，并磨削至较高的光洁度，避免阀杆与导向轴承咬合，降低填料磨损，提高阀杆部位的密封可靠性。在高温的工况下，可以选择高强度的奥氏体不锈钢等材质。

阀盘、阀座基材一般选用F316锻件、F51双相钢锻件等，并在密封面部位进行硬化处理。硬化材料为钴基硬质合金，硬度可达HRC65以上，在超音速火焰喷涂的基础上进行二次重熔，可以大幅度提高合金涂层的厚度和结合力，也可以选择整体烧结的钴基硬质合金，硬度要更高一些，但脆性大，在选择合金牌号时要进行权衡。

阀盘预紧弹簧的必备条件是刚度大，可以提供更大的预紧力，一般选用X-750、15-7PH等材质的碟型弹簧。

阀杆、阀体密封件一般选用柔性石墨组合填料、缠绕式垫片等密封材料。

2 宁煤炉盘阀的选型

宁煤炉煤锁斗设计压力为6.2 MPa(g)，操作压力为5.2 MPa(g)，设计温度为150 ℃，A/B锁斗循环给料，阀门每30 min开关1次。通过煤锁斗的充压泄压，将煤粉从低压系统输送到高压系统，阀座密封等级要求在ANSI B16.104 VI级以上。不同工位对阀门密封方式的要求是有区别的，可以根据需要选择不同的盘阀结构。

煤仓的工作压力为微正压，锁斗入口切断阀在阀门打开前，入口只承受物料产生的静压力，出口承受锁斗的高压，工艺上没有双向密封的要求，按单盘阀选型可满足要求。

煤锁斗为压力交变容器，出口连接高压煤进料罐，正常情况下，给料罐的压力不会低于锁斗的压力，锁斗出口切断阀只承受来自给料罐的压差，工艺上没有双向密封的要求，按单盘阀选型可满足要求。

在某些情况下，由于工艺控制或者现场操作的原因，锁斗压力会高于给料罐的压力，阀门频繁地承受正向压差，此时如果阀门不能保证正向面密封性能，阀门密封面会受到不断地冲刷。在正向、反向压差的反复作用下，阀门的密封性能会急剧下降，甚至在较短时间内完全失效。为了应对这种异常情况，锁斗出口切断阀，至少要有1台阀门能够保证可靠的双向密封，来实现锁斗和给料罐的严密隔断。由于单盘阀的悬臂梁结构，靠提高碟簧力来实现双向密封(正向0.3/反向6.2 MPa(g))是非常困难和不现实的，所以采用单盘阀、双盘阀组合安装的配置方法。

3 宁煤炉盘阀的安装次序

根据上述对工艺过程和阀门选型的分析，盘阀安装次序见图5。这样的配置方法和安装次序，保证了煤锁斗与给料罐之间双向完全隔离，也避免了因阀门内漏，造成阀门打开时憋压、卡滞的隐患。

图5 单双组合的盘阀安装配置方法

煤锁斗入口切断阀，采用2台单盘阀串联安装。锁斗充压时，压差自下而上，高压气体被2台单盘阀严密切断，不会进入煤仓。锁斗泄压时，单盘阀阀腔内的气体会一起泄掉。锁斗泄压完毕，2台阀的阀腔及煤仓、锁斗均为低压，没有高压区，阀门打开时压差很小，不存在憋压。

煤锁斗出口切断阀以及高压平衡管线切断阀的安装次序是单盘阀在上，双盘阀在下。当给料罐第一次加压时，高压气体被双盘阀密封，单盘阀的阀腔以及两阀之间的空腔为低压。锁斗充压过程中，高压气体会将单盘阀的阀盘顶开，进入到单盘阀的阀腔和两阀之间的空腔。当锁斗压力与给料罐的压力基本相等时，双盘阀、单盘阀按顺序打开。由于两阀打开时阀前、阀后均为高压，基本不存在压力梯度，不会出现憋压的情况。

当给料罐正常往气化炉投料时，给料罐一直保持高压状态，锁斗泄压时，高压气体被单盘阀密封，两阀的阀腔及中间的空腔仍保持在高压。阀门打开前，锁斗已充压完毕为高压。两阀打开时阀前阀后均为高压，同样基本不存在压力梯度，也不会出现憋压的情况。

上述盘阀的选型和安装次序的设计，已经过了实际运行的检验，阀门密封可靠，动作轻巧灵活，无卡滞、憋压的情况出现，满足工艺要求，达到了预期目的。

4 宁煤炉盘阀配置方法的优点

宁煤炉盘阀配置方法，满足了异常工况下的工艺要求，还有以下优点。

(1)与双阀一体式盘阀相比，单阀质量轻，安装检修容易。

(2)安装尺寸与球阀完全互换，与双阀一体式盘阀相比，备阀成本更低。

(3)没有用碟簧力实现强制双向密封，阀门的可靠性高。碟簧力过大会带来密封面磨损加剧、阀杆轴承承受的径向力大、阀门易卡死、执行机构庞大、安装检修困难、负载大、气源能耗高等一系列潜在问题。

5 结语

本文介绍了宁煤炉粉煤加压输送装置盘阀的选型，采用了一种单盘阀、双盘阀组合安装的配置方法，这种配置方法在阀门密封的可靠性、单阀重量和尺寸、安装检修的便利性、备阀成本上都有一定的优势，经过了宁煤炉实际运行的检验，可以作为同类装置盘阀选型的参考。

[1]郭玉生，李楚林，丁英仁，刘金贤.一种单盘阀：中国，ZL20112045397 1.3.[P].2012-08-08.

[2] 李楚林，丁英仁，郭玉生.一种轴向平衡式圆盘阀：中国，ZL200920163663.X.[P].2010-04-14.

修改稿日期：2017-07-25

TypeSelectionandApplicationofDiscValveinNingmeiGasifierProcess

GUO Zhong-shan1，ZHANG Guo-min1，ZHAO Liang1，GUO Jin1，YANG Huan2

(1.Coal-to-GasolineBranchCompanyofShenhuaNingxiaCoalIndustryGroup，YinchuanNingxia750000，China2.BeijingAerospacePetrochemicalTechnologyandEquipmentEngineeringCo.，Ltd.，Beijing100076，China)

This paper introduces the working principle and type selection of disc valve in Ningmei gasifier process. A combined single-double disc valve method is applied in this process. Due to its reliability in sealing performance，high quality，precise dimensions of single valve，convenience for installation and maintenance and lower cost，this configuration method can be used for reference when similar disc valve should be installed.

disc valve；Ningmei gasifier；type selection

10.3969/j.issn.1004-8901.2017.05.010

TQ545

B

1004-8901(2017)05-0039-03

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2017.05.010

郭中山(1966年—)，河北河间人，1988年毕业于青岛化工学院生产过程自动化专业，高级工程师，现主要从事煤制油及化工生产管理工作。