煤化工调节阀改进设计

于阳

摘 要：为了提高调节阀使用性能，本研究对煤化工调节阀进行改进设计。构建调节阀的三维模型，借助流体力学原理，从连续性方程、动量方程、能量方程3个方面阐述煤化工调节阀的运行原理。同时，根据煤化工生产需求，将球阀阀芯设计成两体分离式结构，优化调节阀加工工艺，进行阀门特性测试。试验证明，改进的调节阀使用效果良好，堵塞、磨损等问题都得到了较好的解决，构件使用周期也有了良好的保证。

关键词：煤化工;调节阀;加工工艺

中图分类号：TQ53 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）32-0038-03

Improved Design of New Type Coal Chemical Control Valve

YU Yang

（CHN ENERGY Ningxia Coal Industry Co.， Ltd.， Yinchuan Ningxia 750011）

Abstract： In order to improve the performance of the regulating valve， this study improves the design of the coal chemical control valve. In the meantime， a three-dimensional model of the control valve is constructed， and the operating principle of the coal chemical industry control valve is explained from the three aspects of continuity equation， momentum equation and energy equation with the help of the principle of fluid mechanics. At the same time， according to coal chemical production requirements， the ball valve core is designed into a two-part separable structure， the processing technology of the regulating valve is optimized， and the valve characteristic test is carried out. Tests have proved that the improved regulating valve has a good use effect， problems such as blockage and wear have been better solved， and the service life of the components is also well guaranteed.

Keywords： coal chemical industry;regulating valve;processing technology

隨着我国工业的发展，近年来，煤化工生产与制造成为热门行业。在现代化技术的支撑下，我国已从煤焦油、煤气化等低效率工种逐步向煤质燃料等综合行业发展。随着行业的更新，与之相关的设备也需要向综合参数、大口径方面优化。目前，我国制造业在此方面的科技研究仍处于“零成果”状态，这也证明此项研究具有迫切性。

调节阀是煤化工生产与制造工艺的重要支撑设备，也是大部分煤化工企业的主要运行装置。目前使用较多的调节阀包括截止阀、球阀及闸阀等。煤化工作业环境较为复杂，这些集成在煤化工装置中的调节阀需要长期运行在高温（>500.0 ℃）与高压（>30.0 MPa）环境。我国早期已尝试从国外引进优化的调节阀制造技术，但由于国内外的生产模式不同，引进的技术与设备与我国煤化工生产存在不匹配问题[1]。例如，山东某大型煤化工企业花费大量资金引进Masoneilan调节阀，用于企业生产中的黑水宏观调整。但是，由于黑水操作处理的工况与作业环境较差，且黑水中含有较多的颗粒物与固态物，导致花费大量资金引进的调节阀在使用一周后出现内部构件损坏问题，甚至对企业的常规生产与正常运营造成负面影响。根据企业使用后的反馈，由于调节阀异常问题，其大型持续运行装置已出现多次违规停运，不仅影响企业生产，也对企业造成了大量财产损失。因此，优化现有煤化工调节阀，完善调节阀使用方法，已成为工业领域内急需解决的关键问题。

1 煤化工调节阀改进设计

1.1 基于三维建模的煤化工调节阀运行原理

为了优化煤化工调节阀构件设计，要使用三维建模软件，分析调节阀运行原理[2]。在此过程中，根据企业现场的实际工况，构建一个针对调节阀的三维模型，借助流体力学原理，进行建模分析。此过程涉及的调节阀流体力学方程如表1所示。

其中，连续性方程是指调节阀在实际应用中遵循质量守恒定律。对于所有经过调节阀的流体，都可以采用连续介质模型的方式，进行密度与速度关系的表达，因此也可以将此函数表示为微函数。式中：ρ表示流体密度;t表示流体流经周期;div表示流体散度;p表示质量;u表示空间连续性。

动量方程可以认为是物质经过调节阀时所受到的合力计算公式，可将合力计算看作流体加速度与质量的乘积，也可将其理解为阀门流体微团受力的动量变化[3]。式中，P表示流体做功;F表示流体的体积力。

能量方程是能量守恒定律的衍生物，可以将此方程表示为单位时间内阀门流经流体的增加能量。在进行能量守恒计算时应注意，方程中不可导入具有不可压的黏性流体。

按照上述公式，进行煤化工调节阀运行特性的计算，计算的整体过程包括对调节阀整体结构合理性的分析、阀门流体网格划分、数值前期处理、数值求解计算、数值后期处理等，只有在计算中将真实数值代入标准的方程式，才能保证调节阀改进设计的合理性。

1.2 阀门结构选型改进

调节阀在煤化工生产线应用时，若流经阀门的流体含有粒径较大的颗粒介质，流道转折处将产生一定的堵塞风险。当介质长期堆在腔体内时，局部会受到大量冲刷，从而出现冲漏现象[4]。因此，要结合上文对调节阀运行原理的分析，进行阀门结构选型改进。根据煤化工生产需求，可将球阀阀芯设计成两体分离式结构，其中密封面优选耐冲、耐磨、耐损等的硬质类合金材料。此种方式可以较好地解决阀芯密封结构在实际应用中存在的被冲刷、磨损问题。同时，阀门基础结构可以选择流线型外形，优选不锈钢作为设计原材料，以此解决煤化工生产中的煤粉堆积问题。

大部分煤化工企业需要调节阀作为运行支撑，因此调节阀选用高密封性能与高综合性能的球阀[5]。通常，球阀由左阀门、右阀门与阀座等构成。由于球阀的机械性与耐磨性较强，因此对应的楔形材料也需要耐高温与耐腐蚀。只有满足设计需求，才能确保改进设计后的调节阀适应煤化工恶劣的作业环境。

1.3 加工工艺优化与阀门特性测试

完成上述设计后，可从调节阀的加工工艺入手进行优化。调节阀性能要求较高，在进行加工工艺优化时，要将重点置于阀门支座与底座的设计上，即设计一体化的阀门球体。高强度表面采用硬化处理的方式进行研磨，确保表面具有较高的平滑性与平整度。当表面光整度达到一定标准后，密封带将保持较高的连续性，满足调节阀零泄漏的使用要求。

调节阀投入使用前，要进行阀门特性测试。将调节阀的环境温度上升到550.0 ℃，设置阀门密封等级，保持此种状态5.0 s后，阀门将进行频繁的动作[6]。特性测试使用的流体介质为黑水，此种材料对阀门有一定的腐蚀性和磨损性。调节阀运行一段时间后，球体表面仍然保持较高的光滑度。改进设计后的调节阀可满足煤化工企业生产运行需求。按照上述方式优化加工工艺，对煤化工调节阀进行改进设计，可以为我国煤化工生产提供更优的技术与更高性能的构件。

2 对比试验

目前，本次煤化工调节阀改进设计仍处于理论研究阶段，尚未有单位应用设计成果。因此，在完成设计后，提取试验成果，对其使用性能进行分析。这里选择某煤化工企业作为试验对象。该企业属于大型企业，主营业务为煤矿生产和煤化工生产。生产工况数据表明，该企业在运用煤气化工艺时会排出大量的黑水与灰水（气流床高压煤粉在处理时会产生循环水，其中含有大量细灰）。通常，黑水与灰水会经过碳洗塔、激冷室、渣池等作业区域，因此水体的浊度较高。根据企业反馈，该工况下原使用的煤化工调节阀平均使用寿命为3个月。使用寿命超出3个月后，调节阀会受到黑水的影响，出现阀内堵塞或构件被侵蚀的现象，从而影响装置整体运行。因此，选择该企业作为试验对象是可行的。

完成上述准备工作后，将改进设计的煤化工调节阀与煤化工生产设备对接，替换企业原有的调节阀，进行设计调节阀的试运行。试运行设计4次黑水升程，获取黑水升程中调节阀对流量的调节效果，将新型煤化工调节阀试运行数据绘制成折线图，如图1所示。

从图1调节阀试运行效果可知，在4次升程中，调节阀可实现对灰水流量的主动调节，直至流量上升到最高点。上述测试初步证明了改进设计的调节阀具有一定的应用可行性。完成上述测试后，选择试点企业内的两条煤气化生产线，分别使用本文设计的调节阀与改进设计前的调节阀进行煤气化生产。试验周期为半年，记录两条生产线中调节阀对灰水流量的调控情况。现场技术人员负责整理每天数据，将整理后的试验结果绘制成折线图，如图2所示。

从图2试验结果可以看出，本文设计的新型煤化工调节阀对灰水流量的调节一直处于主动状态，灰水流量控制呈相对稳定的状态，控制效果较优，可以满足煤化工企业煤气化工艺需求。未改进的煤化工调节阀前3个月的调节效果较优，在3个月以后，灰水流量调节呈被动下降趋势。经分析，灰水含有大量的固体颗粒，颗粒会堵塞阀门通道，限制阀门流量，这时需要更换调节阀，否则将影响整条生产线的运行。对比试验表明，相比未改进设计的煤化工调节阀，改进设计的煤化工调节阀使用效果良好，堵塞、磨损等问题都得到了较好的解决，构件的使用周期也有了良好的保证，可以在实际生产中代替传统调节阀。

3 结语

为了确保煤化工调节阀满足恶劣工况要求（包括长期燃烧、受外界环境侵蚀、机械运行磨损等），调节阀的支撑装置需要优选耐高温与高强度的材料。为了满足设计需求，实现对煤化工现有调节阀构件的优化，本文从基于三維建模的煤化工调节阀运行原理分析、阀门结构改进选型、加工工艺优化与阀门特性测试3个方面对调节阀改进设计展开研究。完成设计后，通过对比试验证明了改进设计的煤化工调节阀使用效果良好，堵塞、磨损等问题得到了较好的解决，构件使用周期具有良好的保证。因此，未来可以将此项成果量产，以代替原有设计。

参考文献：

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[2]梁安，陈翠.水煤浆气化装置中黑水调节阀损坏原因分析与改进方案[J].工业仪表与自动化装置，2020（4）：96-99.

[3]李玉荣，李超，王欢.华龙一号核电站中气动调节阀配套电仪附件的选型探讨[J].产业与科技论坛，2021（14）：44-46.

[4]冯欢，范景扬，胡运冲.350 MW超临界机组过热器减温水调节阀阀内件优化改造[J].内蒙古石油化工，2021（5）：49-50.

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