气化工段调节阀优化选型与使用

孙志强，王 萌

(北京航天石化技术装备工程有限公司， 北京 100076)

近几年来，以华东理工大学四喷嘴对置技术为代表的水煤浆气化工艺和以航天炉为代表的干煤粉气化工艺，在国内获得了大量应用[1]。由于各设计单位对工况的理解不同，与之配套的调节阀在选型和使用上区别较大，部分调节阀使用效果不佳。笔者调研了气化工段常用的偏心旋转阀、黑水角阀的使用情况，分析了出现的问题，并提出了使用建议。

1 阀门概况

偏心旋转阀和黑水角阀的基本结构见图1。

(a) 偏心旋转阀

偏心旋转阀[2]是一种通用性较强的角行程阀门，直通型结构，流通能力较强，由于阀门旋转中心与流道中心不在一个平面内而得名，可用于含固、含纤维介质。

黑水角阀[3]是煤气化装置上的关键阀门，常用于控制气化炉、洗涤塔和闪蒸罐黑水的流量、压力，黑水角阀的阀芯阀座采用整体碳化钨材质，具有抗冲刷耐气蚀等特点。

2 气化工艺

图2为某气化工艺的典型工艺流程图。

图2 气化工艺典型工艺流程图

煤气化工艺一般由气化、渣水处理两个基本工段组成。由图2可以看出：气化炉、洗涤塔、旋风分离器位于气化工段，A、B、C、D等工位上的调节阀的主要功能是为洗涤塔、旋风分离器补水，正常工况为阀前压力7.22 MPa，阀后压力6.36 MPa。

3 常见问题

目前,经常出现的问题是A、B、C、D等位置的偏心旋转阀阀体被冲刷。图3是某工厂偏心旋转阀使用一段时间后被冲刷的照片。由图3可以看出,在偏心旋转阀的出口部位，阀体被击穿。

图3 偏心旋转阀击穿照片

4 原因分析

造成阀门失效的原因一般为冲刷和汽蚀[4]。在气化工段，介质含固质量分数一般小于0.5%，来自介质的磨粒磨损并不严重，计算发现冲刷位置流速不超过6 m/s，冲刷的概率不大；从数据表看正常工况压差不大，但根据对用户现场调查，该位置阀门有开车工况，即洗涤塔、气化炉等未建压的工况。以阀门失效时用户现场数据为例，阀门流关，操作温度为191 ℃，阀门开度为30%，阀前压力为7.22 MPa，阀后压力为1.5 MPa，压差较大，该工况下容易发生介质汽蚀，极有可能是导致阀门失效的原因。

通过ANSYS Workbench 14.0软件对阀门流场进行了验证。图4为在以上工况为边界条件，通过纯水计算的偏心旋转阀的压力分布云图。图5为引入cavitation模型后进行的闪蒸率计算结果。

图4 压力分布云图图

图5 气相体积分数分布图

191 ℃下介质的饱和蒸汽压力为1.28 MPa，高于此压力时介质为液态，低于此压力时介质转变为气态。由图4可以看出：喉径等处(圆圈标识)，由于节流严重，阀门流速很高；对应的，根据能量守恒，静压降低到饱和蒸汽压力之下，会导致介质由单一液相转变为气液两相流，即闪蒸，当静压恢复至饱和蒸汽压力之上时，气相以爆炸的形式转变为液相，即汽蚀，汽蚀的局部能量很高，与阀体壁面撞击时将造成强烈破坏。

由于偏心旋转阀结构特性，介质流经阀芯以后流向不对中，携带气泡的介质在壁面处汽蚀，对壁面造成破坏，阀门短期内即宣告失效。由图5可以看出：在贴近壁面处闪蒸率较高，这与阀门失效的位置相吻合。

与之对应的，虽然汽蚀也会发生在黑水角阀中，但黑水角阀未出现冲刷问题，这与黑水角阀的结构和材质相关。一方面，经过阀芯节流以后，介质的流向仍然是居中的，这将使大多数闪蒸的介质在流道中心对撞，汽蚀发生在此处而非壁面；另一方面，黑水角阀本身为闪蒸工况定制，流道中的碳化钨硬度可达HRA90，能够较长时间的耐受汽蚀破坏。

图6为相同参数下角阀出口处流动迹线图。

图6 角阀流动迹线图

5 选型及使用建议

综上，对于有开车工况，即闪蒸、汽蚀无法避免的阀门，因为偏心旋转阀本身不耐受汽蚀，黑水角阀显然是更安全的选择；但是从成本上讲，黑水角阀的成本高于偏心旋转阀。如果既想使用偏心旋转阀，又想规避闪蒸和汽蚀问题，建议：(1)意识到开车工况的危害，通过工艺手段控制开车过程，将开车工况的持续时间尽可能缩短；(2)给偏心旋转阀设置开车旁路，仅用于短时开车工况，可选用成本较低的阀门，开车时走旁路，待洗涤塔、旋风分离器建压以后再切换至偏心旋转阀。

6 结语

近年来，煤气化技术在国内获得了长足发展，但在调节阀选型和使用上仍存一些问题。笔者介绍了煤气化常用的两种调节阀,即黑水角阀和偏心旋转阀，介绍了各自的结构特点，结合实际使用情况，通过数值仿真对两种阀型的适用性进行了分析。针对不同的开车方式及具体工况提出了调节阀的优化选型及使用建议，希望能给阀门用户带来一些参考。