干煤粉氣化裝置中鎖斗閥的設(shè)計(jì)

干煤粉氣化裝置中鎖斗閥的設(shè)計(jì)1、概述

以煤氣化為根底的能源及化工系統(tǒng)正在成為世界范圍內(nèi)高效、清潔、經(jīng)濟(jì)地開(kāi)發(fā)和利用煤炭的熱點(diǎn)技術(shù)和重要發(fā)展方向。干煤粉氣化的技術(shù)關(guān)鍵在于干煤粉的加壓進(jìn)料，現(xiàn)在一般采用的是煤粉間斷升壓和加壓下連續(xù)進(jìn)料的半連續(xù)式加煤工藝。煤粉的進(jìn)料通過(guò)常壓料斗和增壓料斗之間的鎖斗閥及平衡閥周期性的隔離和連通實(shí)現(xiàn)。由于鎖斗閥技術(shù)要求高，位置關(guān)鍵，我國(guó)早期干煤粉加壓氣化裝置均采用進(jìn)口鎖斗閥。但是，進(jìn)口閥門價(jià)格昂貴，制造周期長(zhǎng)，零配件供給不及時(shí)，發(fā)生故障會(huì)造成單爐停車，這種閥門急需國(guó)產(chǎn)化。2、工況特點(diǎn)

鎖斗閥輸送的介質(zhì)為N2+煤粉或CO2+煤粉，該閥開(kāi)關(guān)頻繁，進(jìn)料周期即閥門開(kāi)關(guān)頻率約30min一次。閥門要求雙向密封，在正向和反向的雙向流動(dòng)方向，最大壓差時(shí)，要到達(dá)FCI70-2V級(jí)密封要求。閥門內(nèi)件和流道的材料應(yīng)考慮耐固體顆粒介質(zhì)的沖擊、腐蝕和磨蝕。閥門啟閉速度快，從“全開(kāi)→全關(guān)”或“全關(guān)→全開(kāi)”的時(shí)間為3~8s，應(yīng)確保閥門動(dòng)作到位。鎖斗閥的公稱通徑一般≥NPS8，公稱壓力≥600磅級(jí)。在高壓介質(zhì)的作用下，對(duì)閥門密封面會(huì)形成較大的密封比壓。同時(shí)，閥門在高壓下啟閉，煤粉介質(zhì)的摩擦阻力較大，容易造成閥門卡阻，因此閥門實(shí)際開(kāi)啟力矩要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一般流體介質(zhì)在相同壓力下的力矩。3、構(gòu)造設(shè)計(jì)

鎖斗閥一般采用的是全通徑金屬硬密封固定式球閥，氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)(圖1)。閥體采用全通徑兩片式，材質(zhì)為ASTMA216-WCB，內(nèi)襯高強(qiáng)度雙相不銹鋼S31803耐磨套。閥座為彈性金屬密封雙閥座，采用閥前閥座密封，兩個(gè)閥座均能獨(dú)立切斷進(jìn)口端介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)雙阻斷功能。彈性金屬閥座為彈簧加載預(yù)緊式設(shè)計(jì)，可以恢復(fù)和補(bǔ)償長(zhǎng)期開(kāi)關(guān)閥門的常規(guī)磨損、閥體內(nèi)部的高溫?zé)崃ε蛎浖暗蜏乜s小，壓力低時(shí)保證密封的可靠性。為使彈簧與煤粉隔離，防止煤粉的沉積使彈簧卡塞失效，確保彈簧長(zhǎng)期有效地工作，設(shè)置了柔性石墨密封圈與O形圈雙重密封方式。

圖1鎖斗閥

閥桿采用防塵、防噴出設(shè)計(jì)，并且構(gòu)造設(shè)計(jì)確保閥桿只承受閥門啟閉力矩，介質(zhì)的推力由上、下支撐軸擔(dān)負(fù)，使閥桿的受力情況得到改善，保證閥桿能夠長(zhǎng)期可靠地工作。球體及閥座采用自刮削式構(gòu)造，可對(duì)球體表面實(shí)現(xiàn)自清潔，防止附著在球面上的煤粉嵌入密封面，保證了閥門的密封性及長(zhǎng)久操作性。采取加吹掃機(jī)構(gòu)的方法防止煤粉在閥門中腔聚集。防止了閥門轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)阻力增大及卡住。

球體和閥座的基材為雙相不銹鋼ASTMA182-F51。密封面和流道采用噴焊鎳基合金的方式，覆層表面硬度可到達(dá)55~60HRC，使閥門耐磨性、抗沖蝕和抗擠壓能力更強(qiáng)。壓蓋、固定軸除了承受扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度及介質(zhì)壓力外，還受到煤粉的磨蝕，因此在與滑動(dòng)軸承的接觸面噴焊硬質(zhì)合金，并配用大剛度大力矩的氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。4、設(shè)計(jì)計(jì)算

為了保證閥門的密封性能、啟閉動(dòng)作順暢和長(zhǎng)壽命使用，對(duì)鎖斗閥的密封比壓、最大開(kāi)啟力矩和閥桿扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度開(kāi)展計(jì)算和校核。

(1)密封比壓

密封構(gòu)造為閥前閥座密封，雙閥座雙向密封。密封比壓q為

式中DJH——閥座與閥體配合套筒外徑，mm

DMN——閥座密封面內(nèi)徑，mm

DMW——閥座密封面外徑，mm

R——球體半徑，mm

h——密封面投影寬度，mm

φ——密封面中線與通道軸法向夾角，(°)

qMF——密封面必須比壓，MPa

[q]——密封面許用比壓，MPa

p——設(shè)計(jì)壓力，MPa

qMF<q<[q]，為合格。

(2)最大開(kāi)啟力矩

鎖斗閥處于關(guān)閉狀態(tài)承受最大工作壓力，開(kāi)啟瞬間扭矩最大。其扭矩MF為

式中MF——最大開(kāi)啟力矩，N?mm

MQG——球體與閥座密封面間的摩擦力矩，N?mm

MQG1——閥座對(duì)球體的預(yù)緊力產(chǎn)生的摩擦力矩，N?mm

MQG2——介質(zhì)的工作壓力產(chǎn)生的摩擦力矩，N?mm

MFT——填料與閥桿間的摩擦力矩，N?mm

MZC——軸承產(chǎn)生的摩擦力矩，N?mm

qM——球體最小預(yù)緊比壓，MPa

fM——球體與閥座密封面間的摩擦因數(shù)

fZ——軸承摩擦因數(shù)

FT——閥桿與填料摩擦力，N

dF——閥桿與填料接觸部分直徑，mm

ψ——系數(shù)

bT——填料寬度，mm

dQJ——軸承與支撐軸接觸部分直徑，mm

(3)閥桿扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度

設(shè)計(jì)時(shí)閥桿截面積最小值應(yīng)在閥桿頂部與氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)連接處，即對(duì)該處直徑d1開(kāi)展校核。

式中MM——閥門最大開(kāi)啟扭矩MF的2倍或氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的最大輸出扭矩，N?mm

[τN]——材料的許用扭應(yīng)力，MPa

ωS——斷面d1的抗轉(zhuǎn)矩?cái)嗝嫦禂?shù)，mm3