盘阀在Shell煤气化中的应用

付荣申，安铁夫

（中国五环工程有限公司，武汉430223）

Shell煤气化（SCGP）技术在煤加压进料、除渣、除灰工段采用了锁斗技术，锁斗阀和平衡阀［1］是煤气化装置中关键的控制阀门，由于使用工况要求很高，阀门操作条件恶劣，对阀门的技术要求很高。该工艺中把锁斗阀和平衡阀列为特殊阀门，2011年8月前，规定采用进口球阀。煤粉管线中锁斗阀及平衡阀如图1所示。12XV－0123／0133，12XV－0131／0132为锁斗阀，管径为 DN350，工艺介质为煤粉和CO2，质量分数为90%的煤粉粒度不大于90μm，固体密度为550kg／m3，气体密度为81.6～85.7kg／m3，操作温度为80℃，操作压力为4.6～4.8MPa，最大关闭压差为5.61MPa，动作（开启或关闭）时间不大于15s。12XV－0120／0121，12XV－0126／0127 为 平 衡 阀，管 径 为DN200，工艺介质为煤粉和CO2，密度为76.2～79.4kg／m3，操作温度为100℃，操作压力为4.6～4.8MPa，最大关闭压差为5.61MPa，动作（开启或关闭）时间不大于15s。

就现有工况来讲，进口球阀作为锁斗阀及平衡阀［2］容易出现憋压、卡死现象，维护周期煤粉锁斗阀为4～5个月，平衡阀为7～8个月，锁渣阀为6～12个月。

图1 煤粉管线锁斗阀及平衡阀示意

球阀出现故障及损坏［3－6］的原因有：物料堆积、内件异变、输出过小、金属粘结［7］、失效刮刀、填料盘根破裂、热胀冷缩等造成阀门开关不到位；金属粘结、冲刷、腐蚀、蠕变、磨损造成硬密封面损坏。因此，盘阀作为一种新的选择被应用。下面就盘阀的工作原理、特点及优势进行分析，希望为类似工况仪表选型提供参考。

1 工作原理

盘阀是通过滑动圆盘来实现开关的一种快开快关阀门［8］。其设计针对带有磨损、冲蚀性的物料，能在恶劣的工况下连续长期地正常工作。它独有的硬密封面具有自研磨作用，使其在磨损、冲蚀物料的过程中不断提高密封性，寿命要比其他阀门长好几倍，其工作原理如图2所示。

图2 盘阀工作原理示意

驱动装置通过阀杆与摇臂使阀盘转动一定的角度来实现阀门的开关。阀盘密封面借助弹簧与阀座紧密贴合，弹簧压力始终使阀盘紧密贴合在阀座上，又允许阀盘在密封面的垂直方向上有位移，这有助于补偿阀门零件由于热胀冷缩引起的变形和多次开关后产生的微量磨损，克服任何背压变化对密封的影响并能防止颗粒介质进入密封面之间；在盘阀启闭过程中，阀座密封面对阀盘在切线方向上的摩擦力之差，使阀盘在一个启闭循环过程产生自转，并可以不断剪切与清扫在工艺工程中有可能堆积在阀腔内的介质。

2 结构特点

盘阀根据结构可分为两大类：单盘阀和双盘阀［9－10］。

单盘阀根据使用工况又可分为单阀单盘和单阀双盘，其结构如图3所示。单阀单盘为单向密封，适用于阀门关闭静压作用于阀盘背面的情况或者反向压力很低的情况（一般小于0.25MPa）。单阀双盘可实现双向密封、双向流动。

双盘阀是把2个盘阀装配在一起，以节约安装空间和减轻质量，根据适用的工况也可分为双阀单盘和双阀双盘，如图4所示。上阀和下阀能独立进行开关动作，能独立实现密封，开关过程中可以依次开关上阀和下阀，主要用于替代2台球阀使用。

图3 单盘阀（单／双盘）结构示意

图4 双盘阀（单／双盘）结构示意

根据煤气化锁斗阀及平衡阀使用工况，选用盘阀具有下列优点：

a）盘阀是真正意义上的面密封阀门，阀盘在阀腔内旋转过程中，阀盘依靠偏心摩擦力的作用实现自旋转，阀门每次的开关过程中，密封面与介质都不在同一点接触（这一点与球阀密封面大不相同，球阀的开关过程始终是冲刷或磨损同一点），从而有效地延长了密封面的寿命；由于阀盘的自旋转，阀盘与阀座存在着天然的自研磨效应，这样的自研磨对于密封面是非常好的补偿和修复，这也是盘阀或者双盘阀的密封性和寿命远远超过硬密封球阀的根本原因。在寿命范围以内，阀盘与阀座越研磨配合得好，密封效果就越好。

b）盘阀是全流通通径阀门，具有宽大的密封面，而且其密封面完全垂直于流线方向，阀盘的来回运动不会像球阀那样急剧地改变流线的方向，从而导致对密封面或者是阀内件的剧烈冲刷，因而减少了冲蚀，使其具有良好的密封性。

c）盘阀的密封面补偿弹簧采用碟簧，碟簧具有刚性系数大而稳定、温度适应能力强、不怕脏等特性，温度的变化和物料的堆积对于碟簧的预压力几乎没有影响，从而可以保证开启／关闭过程扭矩保持稳定，延长阀门的使用寿命。

d）盘阀的阀盘依靠碟簧的预压力贴紧阀座，并且阀盘边缘具有尖锐的棱角，在阀盘的运动过程中可以轻松地剪切固体物料，刮去残留在密封面上的颗粒，这种效应相当于给阀门装上了“移动刮刀”，进一步保障了双盘阀的密封能力，延长了使用寿命。

e）盘阀的阀杆采用无螺纹的弹簧承载填料结构，阀杆无上升和下降运动，盘根与填料的叠加配置可以更好地抵消压力、温度的变化，使盘根均匀受压，有效地消除外泄漏。

f）盘阀从结构上看几乎没有易损件，阀盘被设计成永不脱离阀座的结构，故不存在发生卡涩的现象。阀杆的无螺纹设计也使其在寿命范围内具有良好的可操作性和密封性，双盘阀的维护工作量非常小，无需要保养、更换、研磨等工作。

3 在Shell煤气化中的应用

由于盘阀结构及在颗粒介质中的应用优于球阀，Shell在其工艺包上指出在某些位置可以用盘阀代替球阀使用，并给出了盘阀的技术要求。下面以煤粉锁斗为例介绍盘阀解决方案。

在大同煤矿600kt／a甲醇煤气化项目中经与Shell工 艺 商 沟 通，图 1 中 12XV－0123／0133，12XV－0131／0132，12XV－0120／0121，12XV－0126／0127阀门，由于容易出现卡涩、憋压问题，现用4台双盘阀替代原方案中的8台进口球阀；12XV－0118，12XV－0122由于压差较大，故未选用盘阀。

该项目中煤加压及进料、除渣、除灰单元共选用双盘阀（双盘）12台，单盘阀（双盘）1台。

在盘阀安装使用中，若管道口径较大，由于盘阀腔体等同于管道口径的两倍，这样整个阀门的体积就过于庞大，同时质量相对于球阀也大，因而选用盘阀时应重点注意安装空间、支撑及管道应力计算等问题。

4 结束语

盘阀在国内硅化工市场有着较为广泛的应用，但在煤化工领域应用较少。但相对进口球阀，盘阀具有寿命长，可靠性高等特点。云南大为Shell煤气化装置煤粉锁斗中采用2台盘阀替代原进口球阀，自2009年至今为止平稳运行，采用盘阀作为SCGP锁斗阀及平衡阀可以有效地提高煤气化装置的可靠性及运行周期。但盘阀在SCGP领域大规模应用还处于起步、探索阶段。

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［2］张德江，王怀义，刘绍叶.石油化工装置工艺管道安装设计手册［M］.3版.北京：中国石化出版社，2005：709.

［3］杨源泉.阀门设计手册［M］.北京：机械工业出版社，1992.

［4］陆培文.实用阀门设计手册［M］.北京：机械工业出版社，2002.

［5］安铁夫，梁达，孙建文，等.HG／T 20507—2000化工自控设计规定［S］.北京：全国化工工程建设标准编辑中心，2000.

［6］章晨辉，刘欣，邓长松.煤粉锁斗阀故障原因分析及解决方案［J］.自动化仪表，2010，31（07）：47－50.

［7］LYONS J.阀门设计手册［M］.袁玉求，张洪文，章嘉炎，等，译.北京：机械工业出版社，1991：394－395.

［8］吴俊伟，严启斌，吴菁.盘阀：中国，200620047805.2［P］.2007－12－12.

［9］曹辉，曹磊.硅化工用球阀损坏分析及盘阀的应用［J］.阀门，2011（03）：29－30，36.

［10］曹辉，李小娟.固体颗粒及黏稠性介质中阀门的结构设计［J］.冶金／矿山通用机械，2011（02）：61－63.