煤氣化裝置水煤漿氣動(dòng)控制球閥的設(shè)計(jì)

煤氣化裝置水煤漿氣動(dòng)控制球閥的設(shè)計(jì)介紹了煤氣化裝置水煤漿氣動(dòng)控制球閥的研究過(guò)程，分析了煤氣化工況系統(tǒng)的主要技術(shù)難點(diǎn)，給出了產(chǎn)品國(guó)產(chǎn)化研究的具體解決方案，并對(duì)產(chǎn)品構(gòu)造的設(shè)計(jì)計(jì)算提出了新的思路。1、概述

煤氣化裝置的水煤漿是由55%～70%不同粒度分布的煤，29%～44%的水和約1%的化學(xué)添加劑制備而成的混合物。水煤漿介質(zhì)中含大量的硬質(zhì)固體顆粒，具有較強(qiáng)的應(yīng)力腐蝕，還具有高溫、高壓的特點(diǎn)，極易對(duì)閥門(mén)造成磨損、沖刷、沉積及卡塞。軟密封球閥及普通的硬密封球閥很難在該工況中長(zhǎng)期可靠應(yīng)用，因此，真空技術(shù)網(wǎng)(http:///)認(rèn)為煤氣化裝置水煤漿耐磨球閥的研究和開(kāi)發(fā)是非常重要的。2、技術(shù)分析

煤氣化裝置水煤漿管線(xiàn)閥門(mén)一般分為煤漿管線(xiàn)第1切斷閥、煤漿管線(xiàn)第2切斷閥和煤漿管線(xiàn)回流切斷閥。煤漿管線(xiàn)的操作壓力或關(guān)閉壓差一般到達(dá)6.5～13.5MPa，工況溫度一般為60～425℃，加上介質(zhì)中含有大量硬質(zhì)的固體顆粒。因此，為了保證煤氣化裝置水煤漿管線(xiàn)閥門(mén)的長(zhǎng)期安全、可靠和穩(wěn)定使用，必須克服閥門(mén)存在的幾個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。

(1)高操作壓力所產(chǎn)生的高速流動(dòng)介質(zhì)極容易對(duì)球體、閥座和閥腔，特別是球體造成強(qiáng)烈沖刷和磨損，導(dǎo)致球體和閥座密封失效，甚至報(bào)廢。

(2)煤漿介質(zhì)極易粘結(jié)在球體表面，造成閥門(mén)無(wú)法打開(kāi)或關(guān)閉。

(3)煤漿內(nèi)的細(xì)小固體顆粒很容易進(jìn)入到閥桿和軸套內(nèi)部，閥桿長(zhǎng)時(shí)間在硬質(zhì)固體顆粒的摩擦運(yùn)動(dòng)下快速磨損，造成軸套和閥桿間隙不斷擴(kuò)大，直至無(wú)法工作。

(4)煤漿內(nèi)的細(xì)小固體顆粒還可能進(jìn)入到閥座反面，將彈簧室塞滿(mǎn)或卡塞，使閥座無(wú)法正常工作。

(5)高壓介質(zhì)所產(chǎn)生的***封比壓以及固體顆粒所產(chǎn)生的高摩擦阻力，造成閥門(mén)需要更大的操作扭矩，而大操作扭矩的執(zhí)行裝置往往導(dǎo)致支架位置變動(dòng)、閥桿變形或扭斷。3、構(gòu)造設(shè)計(jì)

針對(duì)水煤漿介質(zhì)的特點(diǎn)和技術(shù)難點(diǎn)，采用了氣動(dòng)金屬密封耐磨球閥構(gòu)造的設(shè)計(jì)(圖1)。

(1)刮刀式閥座構(gòu)造。在閥門(mén)啟閉過(guò)程中能夠自動(dòng)刮除球面上的雜質(zhì)，自動(dòng)清潔球面。

(2)閥座反面板簧加載構(gòu)造。以補(bǔ)償由于溫度變化造成零部件的變形，防止閥座出現(xiàn)卡塞現(xiàn)象，并且彈簧腔室采用防砂構(gòu)造設(shè)計(jì)，杜絕了固體顆?；螂s質(zhì)的侵入。

(3)防側(cè)向偏移功能上下支撐軸構(gòu)造。閥桿能夠承受介質(zhì)強(qiáng)大的側(cè)向推力。

(4)動(dòng)態(tài)載荷填料密封構(gòu)造?？梢詫?shí)現(xiàn)對(duì)填料自動(dòng)施加適當(dāng)?shù)耐饬Α?/p>

(5)防扭轉(zhuǎn)偏移支架構(gòu)造?？朔艘话阒Ъ軜?gòu)造容易導(dǎo)致執(zhí)行機(jī)構(gòu)與閥門(mén)連接松動(dòng)甚至脫落的嚴(yán)重缺陷，防止了巨大的氣缸或執(zhí)行機(jī)構(gòu)扭轉(zhuǎn)力改變執(zhí)行機(jī)構(gòu)、閥桿、支架、球體和閥座等相對(duì)位置的可能性。

1.閥體2.閥蓋3.球體4.閥座5.閥座密封圈6.板簧密封圈7.板簧8.閥桿9.填料10.支架11.氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

圖1氣動(dòng)控制金屬密封球閥4、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及其氣路設(shè)計(jì)

為了到達(dá)系統(tǒng)順控的要求，實(shí)現(xiàn)閥門(mén)的快速開(kāi)啟和關(guān)閉，以及使閥門(mén)防止卡塞和防止沖刷，并到達(dá)ESD功能。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，采用了彈簧復(fù)位的氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)閥門(mén)的快速啟閉和安全操作。典型氣路設(shè)計(jì)原理(以FC為例)見(jiàn)圖2。

(1)閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)，電磁閥首先帶電工作，壓縮空氣經(jīng)過(guò)濾減壓閥的過(guò)濾和減壓后通過(guò)電磁閥啟動(dòng)氣控制器的先導(dǎo)閥。先導(dǎo)閥工作的同時(shí)帶動(dòng)氣控閥主閥工作，壓縮空氣隨即通過(guò)快排閥進(jìn)入氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的氣缸內(nèi)驅(qū)動(dòng)閥門(mén)，直到閥門(mén)完全打開(kāi)。

(2)當(dāng)電磁閥失電或氣源失氣時(shí)，氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)部的彈簧立即自開(kāi)工作，將氣缸內(nèi)的壓縮空氣直接從快排閥快速排出到大氣，完成快速關(guān)閉閥門(mén)的動(dòng)作，回到設(shè)定的安全位置。5、工藝控制

(1)閥門(mén)整體流道噴涂硬質(zhì)合金保護(hù)層，防止了介質(zhì)的強(qiáng)烈沖刷和磨損。

(2)動(dòng)配合處均開(kāi)展適當(dāng)?shù)挠不幚恚_保長(zhǎng)期耐磨性能和使用可靠性。

(3)球體和閥座采用噴焊或噴涂的硬化處理方式，硬度≥60HRC，兩者之間并具有一定的硬度差，保證長(zhǎng)期應(yīng)用的耐磨性能。

(4)對(duì)球體和閥座密封面采用配對(duì)研磨的措施，保證密封面吻合度到達(dá)100%，使閥門(mén)的密封等級(jí)能夠到達(dá)ASMEB16.104/FCI70-2規(guī)定的Ⅵ級(jí)要求。

1.氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)2.快排閥3.氣動(dòng)控制器4.閥位開(kāi)關(guān)5.電磁閥6.過(guò)濾減壓閥

圖2典型氣路原理6、設(shè)計(jì)計(jì)算

對(duì)于水煤漿氣動(dòng)控制球閥的設(shè)計(jì)計(jì)算可以采用傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算法和有限元分析法相結(jié)合開(kāi)展。6.1、經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算法

水煤漿氣動(dòng)控制球閥的計(jì)算項(xiàng)目及經(jīng)驗(yàn)公式可根據(jù)表1開(kāi)展。

表1計(jì)算項(xiàng)目及公式6.2、有限元分析法

在傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算法中，對(duì)于球體、支架等的計(jì)算和校核比較復(fù)雜，因此，可以采用有限元分析法相結(jié)合的方法計(jì)算。

(1)球體

根據(jù)實(shí)際使用情況，應(yīng)從球體的前端和后端同時(shí)施加設(shè)計(jì)要求的壓力和載荷，并對(duì)球體的總變形量、等效應(yīng)力和安全系數(shù)計(jì)算和分析。從圖3、圖4和圖5中可以直觀地得出球體各個(gè)不同方面的分析結(jié)果。

圖3球體的總變形量

圖4球體的等效應(yīng)力

圖5球體的安全系數(shù)

(2)支架

支架構(gòu)造是影響閥門(mén)運(yùn)行的重要因素。從圖6、圖7和圖8中可以直觀地得出支架各個(gè)不同方面的分析結(jié)果。

通過(guò)傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算法和有限元分析法的相結(jié)合和相比較，不僅可以得到準(zhǔn)確可靠的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，并且可以對(duì)初步設(shè)計(jì)的結(jié)果開(kāi)展校核和優(yōu)化。

圖6支架的總變形量

圖7支架的等效應(yīng)力

圖8支架的安全系數(shù)7、結(jié)語(yǔ)

目前，水煤漿氣化技術(shù)已被列為國(guó)家能源